氯：历史，性质，结构，风险，用途 - 化学

的氯气是位于低于氟其通过标记CL表示的化学元素。卤素的第二，和是所有的第三最负电性元素。它的名字源于淡黄色的绿色，比氟化物更浓烈。

通常，当有人听到您的名字时，他们想到的第一件事是衣服的漂白产品和游泳池里的水。尽管氯在这些示例中确实有效地起作用，但发挥漂白和消毒作用的不是其气体，而是其化合物（尤其是次氯酸盐）。

装有氯气的圆瓶。资料来源：Larenmclane

上图显示了装有氯气的圆瓶。它的密度大于空气的密度，这解释了为什么它保留在烧瓶中而不逸出到大气中。就像其他较轻的气体（例如氦气或氮气）一样。在这种状态下，它是一种剧毒物质，因为它会在肺部产生盐酸。

这就是为什么除了某些合成以外，元素氯或气态氯没有太多用途的原因。但是，它的化合物，无论是盐还是氯化的有机分子，确实涵盖了很好的用途，不仅限于游泳池和非常白的衣服。

同样，在我们体内发现以氯阴离子形式存在的其原子，调节着钠，钙，钾以及胃液中的含量。否则，食入氯化钠会更致命。

氯是通过电解富含氯化钠的盐水生产的，工业过程中还获得了氢氧化钠和氢气。而且由于海洋几乎是这种盐的不竭来源，因此该元素在水圈中的潜在储量非常大。

历史

第一种方法

由于氯气的高反应活性，古代文明从未怀疑过它的存在。然而，自古以来，它的化合物就已经成为人类文化的一部分。它的历史开始与食盐有关。

另一方面，火山喷发和某人将金溶解在王水中时产生了氯。但是，这些最初的方法都还不足以提出“黄绿色气体是一种元素或化合物”的观点。

发现

氯的发现归因于瑞典化学家卡尔·威廉·谢勒（Carl Wilhelm Scheele），他于1774年进行了矿物软锰矿与盐酸（后来称为盐酸）的反应。

舍勒（Scheele）是第一位研究氯的性质的科学家，因此获得了赞誉。尽管它早在1630年就已被Jan Baptist van Helmont认可。

舍勒获得观察结果的实验很有趣：他评估了氯对花的红色和蓝色花瓣以及立即死亡的植物和昆虫的叶子的漂白作用。

同样，他报道了其对金属的高反应速率，令人窒息的气味和对肺的不良影响，并且当其溶于水时，其酸度增加。

草酸

到那时，化学家对任何具有氧气的化合物都考虑了酸。因此他们错误地认为氯必须是气态氧化物。那就是他们所说的“氧化木酸”（氧化木酸），由法国著名化学家安托万·拉瓦西耶（Antoine Lavoisier）创造的名字。

然后，在1809年，约瑟夫·路易斯·盖伊·卢萨克和路易斯·雅克·塞纳德试图用木炭还原这种酸。他们从氧化物中获得金属的反应。通过这种方式，他们希望提取假定的草酸酸的化学元素（他们称其为“去壁空气中的盐酸”）。

但是，盖伊·卢萨克和塞纳德的实验失败了。但是他们在考虑上述黄绿色气体必须是化学元素而不是化合物的可能性时是正确的。

承认为要素

汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy）先生将氯视为化学元素，他在1810年用碳电极进行了自己的实验，得出的结论是不存在这种盐酸。

而且，是戴维（Davy）从希腊语“ chloros”（该词意为淡黄色的绿色）中为该元素创造了“氯”的名称。

当他们研究氯的化学特性时，发现许多化合物本质上都是盐水。因此他们将其命名为“卤素”，即成盐剂。然后，术语卤素与同一族的其他元素（F，Br和I）一起使用。

法拉第甚至成功地液化氯气成固体其中，由于被污染的水，所形成的水合物氯₂ ·H ₂ O.

余下的氯的历史与其消毒和漂白特性有关，直到发展出电解盐水以产生大量氯的工业过程为止。

物理和化学特性

外观

它是一种致密，不透明的黄绿色气体，带有刺激性的刺激性气味（商业氯气的超增强版本），并且剧毒。

原子序数（Z）

原子重量

35.45分

除非另有说明，否则其余性质对应于针对分子氯Cl ₂测得的量。

沸点

-34.04摄氏度

熔点

-101.5摄氏度

密度

-在正常条件下，3.2克/升

-仅在沸点1.5624 g / mL

请注意，液氯的密度大约是其气体的五倍。而且，其蒸气密度是空气密度的2.49倍。这就是为什么在第一个图像中，氯不会趋于从圆瓶中逸出的原因，因为它比空气中的氯更浓，位于底部。这种特性使其成为更加危险的气体。

熔化热

6.406 kJ /摩尔

汽化热

20.41 kJ /摩尔

摩尔热容

33.95 J /（摩尔K）

水溶性

1.46 g / 100 mL在0ºC

蒸汽压力

在25°C下为7.67大气压。与其他气体相比，该压力相对较低。

电负性

在鲍林标度上为3.16。

电离能

-首先：1251.2 kJ / mol

-第二：2298 kJ / mol

-第三：3822 kJ / mol

导热系数

8.9 10 ^-3 W /（米）

同位素

氯在自然界中主要以两种同位素形式存在：³⁵ Cl的丰度为76％，³⁷ Cl的丰度为24％。因此，原子量（35.45 u）是这两种同位素的原子质量的平均值，并带有各自的丰度百分比。

所有的氯放射性同位素都是人造的，其中最稳定的是³⁶ Cl，半衰期为30万年。

氧化数

当氯是化合物的一部分时，它可以具有各种氧化数或氧化态。作为周期表中最具负电性的原子之一，它通常具有负氧化数。除了遇到氧气或氟（分别为氧化物和氟化物）时，它必须“失去”电子。

以其氧化数假定存在或存在具有相同电荷量的离子。因此，我们有：-1（CL ^- ，著名的氯阴离子），1（CL ⁺），2（CL ^{2 +}），3（CL ³⁺），4（CL ⁴⁺），5（ Cl ⁵⁺），+ 6（Cl ⁶⁺）和+7（Cl ⁷⁺）。在所有这些化合物中，-1，+ 1，+ 3，+ 5和+7是最常见的氯化化合物。

例如，在和的ClF的ClF ₃为氯的氧化数是1（CL ⁺ ˚F ^- ）和3（CL ³⁺ ˚F ₃ ^- ）。在Cl ₂ O中，这是+1（Cl ₂ ⁺ O ^2-）；而在ClO _2中，Cl ₂ O ₃和Cl ₂ O ₇为+4（Cl ⁴⁺ O _{2 2} ^-），+ 3（Cl ₂ ³⁺ O ₃ ^2-）和+7（Cl ₂ ⁷⁺或₇ ^2-）。

另一方面，在所有氯化物中，氯的氧化值为-1；如在NaCl（钠的情况下⁺氯^- ），它是有效地说，氯^-存在给定的这种盐的离子性质。

结构和电子配置

氯分子

用空间填充模型表示的双原子氯分子。资料来源：通过维基百科的Benjah-bmm27。

处于基态的氯原子具有以下电子构型：

3s ² 3p ⁵

因此，它们每个具有七个价电子。除非它们充满能量，否则空间中将有单独的Cl原子，就好像它们是绿色大理石一样。然而，它们的自然趋势是在它们之间形成共价键，从而完成其价位八位位组。

请注意，它们只需要一个电子即可具有8个价电子，因此它们形成一个简单的键；这是一个连接两个Cl原子以创建Cl ₂分子的Cl-Cl（上图）。这就是为什么在正常和/或陆地条件下氯是分子气体的原因；不像稀有气体那样是单原子的。

分子间相互作用

Cl ₂分子是同核且非极性的，因此其分子间相互作用受伦敦散射力及其分子质量的控制。在气相中，距离Cl ₂ -Cl ₂与其他气体相比相对较短，这加起来使其质量比空气高三倍。

光可以激发和促进Cl ₂分子轨道内的电子跃迁; 结果，出现其特征性的黄绿色。该颜色在液态时会增强，然后在固化时部分消失。

随着温度下降（-34ºC），Cl ₂分子失去动能，Cl ₂ -Cl _2的距离减小。因此，这些结合并最终定义了液氯。当系统进一步冷却（-101ºC）时也会发生同样的情况，现在Cl ₂分子之间的距离非常近，以致它们形成了正交晶体。

存在氯晶体的事实表明它们的分散力具有足够的方向性以产生结构图案。即，Cl _2的分子层。这些层的分离使得即使在64 GPa的压力下它们的结构也不会改变，也不会显示出导电性。

在哪里找到和获得

氯化物盐

坚固的盐岩晶体，俗称普通盐或食盐。资料来源：父母盖里

气态氯在地球表面的任何地方都找不到，因为它具有很高的反应性并易于形成氯化物。这些氯化物很好地散布在整个地壳中，此外，经过数百万年的降雨被雨水冲走后，它们使海洋更加富饶。

在所有氯化物中，矿物盐岩的NaCl（上图）是最常见和最丰富的。其次是矿物silvin，KCl和光卤石，氯化镁₂ ·氯化钾·6H ₂ O.当由太阳的作用水蒸发的质量，他们离开沙漠盐湖，从该氯化钠可以直接提取为原料后面用于生产氯气。

盐水电解

NaCl溶解在水中以产生盐水（26％），该盐水在氯碱电池中进行电解。在阳极室和阴极室中发生两个半反应：

2CL ^- （水溶液）=>氯₂（克）+ 2E ^- （阳极）

2H ₂ O（1）+ 2E ^- => 2OH ^- （水溶液）+ H ₂（克）（阴极）

两个反应的全局方程为：

2 NaCl（水溶液）+ 2H ₂ O（l）=> 2NaOH（水溶液）+ H ₂（g）+ Cl ₂（g）

随着反应的进行，在阳极形成的Na ⁺离子通过可渗透的石棉膜迁移到阴极隔室中。因此，NaOH在全局方程式的右侧。Cl ₂和H ₂这两种气体分别从阳极和阴极收集。

下图说明了刚刚编写的内容：

盐水电解生产氯的示意图。资料来源：Jkwchui

注意，盐水到结束的浓度2％降低（通过24〜26％），这意味着，阴离子的Cl的一部分^-原始分子成为氯₂。最后，该方法的工业化提供了一种生产氯，氢和氢氧化钠的方法。

软锰矿的酸溶

如历史记录部分所述，可以通过将盐酸软锰矿矿物样品溶解来产生氯气。以下化学方程式显示了从反应中获得的产物：

MnO ₂（s）+ 4HCl（aq）=> MnCl ₂（aq）+ 2H ₂ O（l）+ Cl ₂（g）

合金类

氯合金之所以不存在，有两个简单的原因：它们的气态分子不能被困在金属晶体之间，并且它们的反应性也很强，因此它们会立即与金属反应生成各自的氯化物。

另一方面，氯化物也不可取，因为一旦溶解于水中，它们就会发挥盐碱作用，从而促进合金的腐蚀。因此，金属溶解形成金属氯化物。每种合金的腐蚀过程不同。有些比其他人更容易受到影响。

因此，氯根本不是合金的良好添加剂。既不是氯₂也不例如Cl ^- （和Cl原子会过于反应活性，即使存在）。

风险性

尽管氯在水中的溶解度很低，但足以在我们的皮肤和眼睛的潮湿环境中产生盐酸，最终腐蚀组织，造成严重刺激甚至视力丧失。

更糟的是呼吸其淡黄色的绿色蒸气，因为一旦进入肺，它就会再次产生酸并损害肺组织。这样，由于肺中形成的液体，该人会感到喉咙痛，咳嗽和呼吸困难。

如果发生氯泄漏，您将处于特别危险的境地：空气不能简单地“清除”其蒸气；它们会留在那里，直到它们反应或慢慢散开为止。

除此之外，它是一种高度氧化的化合物，因此，各种物质在与之接触的最短时间内即可发生爆炸性反应。就像钢丝绒和铝一样。这就是为什么在存储氯气的地方，必须采取所有必要的措施来避免火灾的危险。

具有讽刺意味的是，尽管氯气致命，但其氯离子无毒。它可以消耗（适度），不燃烧，除与氟和其他试剂外，不发生反应。

应用领域

合成

每年约有81％的氯气用于合成有机和无机氯化物。根据这些化合物的共价的程度，氯可发现如氯化有机分子单纯的Cl原子（与C-Cl键），或例如Cl ^-离子中的几氯化物盐（氯化钠，氯化钙₂，氯化镁₂，等等。）。

这些化合物都有各自的应用。例如，氯仿（CHCl ₃）和氯乙烷（CH ₃ CH ₂ Cl）是已被用作吸入麻醉剂的溶剂。二氯甲烷（CH ₂ Cl ₂）和四氯化碳（CCl ₄）是有机化学实验室中广泛使用的溶剂。

当这些氯化化合物为液态时，大多数时候它们被用作有机反应介质的溶剂。

在其他化合物中，氯原子的存在表示偶极矩增加，因此它们可以与极性基质更大程度地相互作用。一种由蛋白质，氨基酸，核酸等生物分子组成。因此，氯在药物，农药，杀虫剂，杀真菌剂等的合成中也具有作用。

关于无机氯化物，它们通常用作催化剂，原料通过电解获得的金属，或Cl的源^-离子。

生物

气态或元素氯除了破坏人体组织外，在生物中没有任何作用。但是，这并不意味着无法在体内找到其原子。例如，Cl2 ^-离子是细胞和细胞外环境非常丰富，有利于控制钠的含量⁺和Ca ²⁺离子居多。

同样，盐酸是胃液的一部分，食物在胃液中被消化。其氯^-离子，在公司H的₃ ö ⁺，定义的pH接近这些分泌物的1。

化学武器

氯气的密度使其泄漏或倾倒在封闭或敞开的空间内时会成为致命物质。由于比空气致密，它的气流不易携带氯气，因此在最终扩散之前，它会保留相当长的时间。

例如，在第一次世界大战中，这种氯被用于战场上。一旦释放，它就会潜入战to中窒息而死，迫使士兵浮出水面。

消毒剂

水池经过氯化处理，以防止微生物繁殖和传播。资料来源：

氯化物溶液具有出色的消毒性能，并能抑制组织腐烂，氯化物溶液中的氯气已溶解在水中，然后用缓冲液制成碱性。它们已被用于对开放伤口进行消毒以消除病原细菌。

游泳池水经过精确的氯化处理，消除了其中可能蕴藏的细菌，微生物和寄生虫。氯气曾经用于此目的，但是它的作用非常激进。而是使用次氯酸钠溶液（漂白剂）或三氯异氰尿酸（TCA）片剂。

前述表明，发挥消毒作用的不是Cl ₂，而是产生破坏微生物的O自由基的HClO次氯酸。

漂白

氯非常类似于其消毒作用，它还会漂白材料，因为负责颜色的色料会被HClO降解。因此，其氯化溶液非常适合去除白色服装上的污渍或漂白纸浆。

聚氯乙烯

在所有氯气生产中，最重要的氯化合物是聚氯乙烯（PVC），约占剩余氯气产量的19％。这种塑料有多种用途。用它制作水管，窗框，墙壁和地板，电线，静脉输液袋，外套等。

参考文献

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