Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение хлор среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 100 pm — это 0,1 нм, поэтому около 5 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Хлор находится в жидком состоянии в диапазоне 68 K — от 172 K до 239 K.
Положение
Хлор находится в периоде 3, группе 17. Все элементы группы 17 имеют одинаковое число внешних электронов, поэтому ведут себя очень похожим образом.
Другие Галогены
Все галогеныИстория
Хлор — это доктор Джекилл и мистер Хайд среди элементов: смертельный яд, который поддерживает здоровье. В виде газа это желтовато-зелёное химическое оружие, настолько токсичное, что его применяли в окопах Первой мировой войны. Но в соединении с натрием он превращается в поваренную соль, необходимую для жизни. Этот противоречивый элемент обеззараживает бассейны и питьевую воду, спасая миллионы людей от инфекций, передающихся через воду, однако в чистом виде поражает лёгкие и может убить за считаные минуты. Хлорный отбеливатель делает одежду белее и уничтожает 99,9% микробов, что превращает его в один из величайших инструментов общественного здравоохранения человечества. Желудочная кислота содержит хлор в составе соляной кислоты, достаточно сильной, чтобы растворять металл. От труб из ПВХ до пестицидов, от лекарств до микрочипов — хлор повсюду в современной жизни, только не в чистом, пугающем виде.
История хлора начинается с Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), шведского фармацевта, работавшего в своей небольшой лаборатории в Кёпинге, Швеция. Зимой 1774 года Шееле нагрел пиролюзит (диоксид марганца) с соляной кислотой и наблюдал едкий газ зеленовато-жёлтого цвета, который обесцвечивал цветы и обжигал лёгкие. Он назвал это загадочное вещество «дефлогистированной соляной кислотой», полагая, что это соляная кислота, лишённая флогистона.
В записи Шееле в лабораторном журнале от декабря 1774 года говорилось: «Выделился газ желтовато-зелёного цвета с очень удушливым запахом, который ужасно обжигал лёгкие». В результате его реакции (MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂) была получена первая документально зафиксированная проба чистого газа хлора.
Claude Louis Berthollet (1748-1822), знаменитый французский химик, подробно изучал газ Шееле с 1785 по 1789 год. Первоначально поддерживая теорию соединения Шееле, Бертолле обнаружил замечательные отбеливающие свойства газа и наладил промышленное производство хлорной извести. Однако он оставался убеждённым, что газ содержит кислород, и называл его «окисленной соляной кислотой».
Спор обострился, когда Antoine Lavoisier (1743-1794) настаивал, что все кислоты должны содержать кислород (от греческого «oxys genes» — образующий кислоту). Это привело к 30-летней научной дискуссии об истинной природе хлора.
Загадку разгадал Sir Humphry Davy (1778-1829) в Королевском институте в Лондоне. Используя недавно изобретённый аппарат для электролиза, Дэви пытался разложить зелёный газ и получить предполагаемый кислородный компонент. Несмотря на месяцы экспериментов в 1807-1810 годах, ему не удалось выделить кислород.
12 июля 1810 года Дэви представил Королевскому обществу свой новаторский вывод: «Я склонен полагать, что рассматриваемое нами вещество является не соединением, а простым веществом». Он назвал его «хлором» от греческого «chloros» (бледно-зелёный), окончательно признав его самостоятельным элементом.
Коллега Дэви Michael Faraday (1791-1867) оказал важную поддержку, успешно сжижив хлор в 1823 году, продемонстрировав его особые физические свойства и подтвердив его элементарную природу.
Charles Tennant (1768-1838), шотландский химик и предприниматель, преобразил текстильную промышленность, разработав хлорную известь в 1799 году. Его фабрика в Сент-Роллоксе, Глазго, стала крупнейшим в мире химическим производством, выпуская гипохлорит кальция [Ca(ClO)₂] пропусканием газа хлора над гашёной известью.
Инновация Теннанта преобразила текстильное производство: традиционное отбеливание пахтой и солнечным светом занимало 6-8 месяцев, тогда как отбеливание хлором — всего несколько часов. К 1815 году его компания производила 9 000 тонн в год, нанимала более 1 000 работников и получала огромные прибыли.
Современная промышленность хлора началась благодаря Hamilton Young Castner (1858-1899) и Karl Kellner (1851-1905), которые независимо разработали электролитические процессы получения хлора и гидроксида натрия из солёной воды. Ртутный электролизёр Кастнера 1892 года и диафрагменный электролизёр Келлнера 1894 года конкурировали друг с другом, а в конечном итоге компании объединились в Castner-Kellner Company.
Herbert Henry Dow (1866-1930) преобразил производство хлора в США, основав Dow Chemical Company в 1897 году. В его инновационных электролитических ячейках использовались подземные залежи рассола в Мидленде, штат Мичиган, благодаря чему к 1920 году Dow стала крупнейшим производителем хлора в мире.
Мрачная глава в истории хлора началась 22 апреля 1915 года во время Второй битвы при Ипре, когда немецкие войска выпустили 168 тонн газа хлора, осуществив первую широкомасштабную атаку с применением химического оружия. Fritz Haber (1868-1934), впоследствии лауреат Нобелевской премии за синтез аммиака, руководил этой программой, несмотря на протесты своей жены Клары и её последующее самоубийство в знак протеста.
В результате атаки погибли 5 000 солдат союзников и ещё 10 000 были ранены, что положило начало новой эре химической войны. Впоследствии обе стороны разработали более совершенные виды химического оружия, хотя заметность хлора и примитивные способы его доставки ограничивали его эффективность.
Величайшее наследие хлора связано с обеззараживанием воды. John L. Leal (1858-1914) провёл первое непрерывное хлорирование муниципальной воды в Джерси-Сити, штат Нью-Джерси, в 1908 году. Несмотря на судебные разбирательства с жителями, опасавшимися «химического отравления», система Лила устранила смертность от брюшного тифа в течение двух лет.
Abel Wolman (1892-1989) и Linn Enslow усовершенствовали научные основы хлорирования, разработав расчёты дозировок и контроль остаточного хлора, которые стали мировыми стандартами. Их работа обеспечила безопасной питьевой водой миллиарды людей и считается одним из величайших достижений общественного здравоохранения XX века.
Применение
Хлор произвёл революцию в общественном здравоохранении как самый широко используемый в мире дезинфектант для воды. Муниципальная очистка воды использует три основных метода хлорирования:
Всемирная организация здравоохранения рекомендует содержание остаточного хлора 0,2–0,5 мг/л для безопасной питьевой воды. Крупнейшие поставщики включают Olin Corporation, Occidental Chemical и ERCO Worldwide, ежегодно производящие более 70 миллионов тонн.
Хлор служит строительным блоком для бесчисленного множества химических веществ благодаря хлорно-щелочному электролизу:
Диоксид хлора (ClO₂) произвёл революцию в отбеливании бумаги, заменив элементарный хлор для снижения воздействия на окружающую среду. Крафт-целлюлозные заводы используют последовательности отбеливания ECF (без элементарного хлора), такие как D₀-E₁-D₁-E₂, где D обозначает стадии с ClO₂, а E — щелочную экстракцию. Такие компании, как International Paper и Georgia-Pacific, расходуют 200–300 кг ClO₂ на тонну отбелённой целлюлозы.
Хлорирование бассейнов поддерживает уровень свободного хлора 1–3 ppm с помощью различных систем дозирования:
Соединения хлора необходимы в фармацевтическом производстве:
Хлорорганические соединения исторически доминировали на рынке пестицидов, хотя многие из них теперь ограничены:
Хлорная металлургия извлекает титан, цирконий и редкоземельные металлы с помощью процессов хлорирования. В процессе Кролла хлор используется для превращения рутила (TiO₂) в тетрахлорид титана (TiCl₄), который затем восстанавливают магнием для получения металлического титана, применяемого в аэрокосмической отрасли.
Откуда он происходит
145 мг/кг земной коры · более распространён, чем 85% элементов
Хлор занимает 21-е место по распространённости среди элементов в земной коре — около 145 ppm, однако из-за чрезвычайно высокой реакционной способности он никогда не встречается в природе в свободном виде. Вместо этого хлор существует исключительно в ионной форме — в виде хлорида (Cl⁻), составляя основу солевой химии Земли и океанических систем.
В мировом океане содержится примерно 1,9 × 10¹⁶ кг хлорид-ионов, которые составляют 55% всех растворённых солей. Среднее содержание хлорида в морской воде составляет 19 400 ppm (35 частей на тысячу общей солёности), что эквивалентно примерно 35 граммам соли на литр. Этот огромный резервуар хлоридов определяет:
Испарение древних морей создало огромные месторождения хлоридных минералов по всему миру:
Эвапориты Пермского бассейна образовались 250 миллионов лет назад, когда испарилось Пермское море, оставив хлоридные отложения, простирающиеся по территории Техаса, Оклахомы и Канзаса.
Гиперсолёные среды концентрируют хлориды до чрезвычайно высоких уровней:
Природный атмосферный хлор поступает из нескольких источников:
Среднее содержание стратосферного хлора из природных источников составляет 0,6 ppbv, тогда как антропогенные источники добавили более 3 ppbv, способствуя разрушению озона.
Живые организмы активно концентрируют и преобразуют хлор:
Хлоридные минералы образуются несколькими способами:
Хлор образуется в массивных звёздах в результате взрывного горения кремния во время вспышек сверхновых. Изотоп ³⁵Cl (распространённость 75,8%) образуется в реакциях серы-34 с протонами, тогда как ³⁷Cl (24,2%) возникает в процессах с участием аргона-36 и протонов. Метеориты содержат хлор в виде лавренсита (FeCl₂) и содалита (Na₈Al₆Si₆O₂₄Cl₂), что указывает на существование хлорной химии в ранней Солнечной системе.
Обращение
Газообразный хлор (Cl₂) чрезвычайно опасен; уровень IDLH (немедленная опасность для жизни и здоровья) составляет 10 ppm. Воздействие на здоровье в зависимости от концентрации:
Рекомендации NIOSH более строгие: 0.5 ppm TWA для газообразного хлора с предельной концентрацией 1 ppm.
Защита органов дыхания:
Защита кожи и глаз:
Баллоны с газообразным хлором:
Растворы гипохлоритов:
Воздействие газообразного хлора:
Действия при проливе:
Стандарты питьевой воды: максимальный остаточный уровень дезинфицирующего средства (MRDL), установленный EPA, составляет 4.0 mg/L свободного хлора. Безопасность бассейнов: поддерживать уровень свободного хлора 1-3 ppm, никогда не превышать 5 ppm. Качество воздуха в помещениях: содержание хлораминов в воздухе бассейнов не должно превышать 0.5 mg/m³ для предотвращения раздражения дыхательных путей.
Никогда не смешивать хлор с: аммиаком (образуются токсичные хлорамины), кислотами (выделяется газообразный хлор), пероксидом водорода (бурная реакция), спиртами (опасность пожара/взрыва) или органическими материалами (возможное возгорание).
Краткие ответы
Хлор (символ Cl) — элемент 17 в периодической таблице, представитель семейства Галоген в 3 периоде, 17 группе. Бледно-зелёный газ, убивающий бактерии и отбеливающий ткань, — а в соединении с натрием он стоит на вашем обеденном столе. При комнатной температуре это газ.
[Ne] 3s² 3p⁵; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 7. На внешней оболочке находится 7 электронов, что определяет характер химических связей.Хлор плавится при 171.6 K (-101.5 °C) и кипит при 239.1 K (-34 °C).
Стандартная атомная масса Хлор составляет 35.45 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Хлор при комнатной температуре — газ; его плотность при 0 °C и давлении 1 атм составляет около 3.214 г/л — он примерно тяжелее воздуха.
Электроотрицательность Хлор по шкале Полинга составляет 3.16. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое высокое значение означает, что он стремится оттягивать электроны почти у любого атома, с которым образует связь.
Хлор был открыт в 1774 году Carl Wilhelm Scheele. Назван в честь греческое chloros, «бледно-зелёный».
На долю Хлор приходится около 145 мг/кг земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.