37. Хлор у природі. Добування хлору в лабораторії та промисловості. Фізичні та хімічні властивості хлору.

Поширення у природі. У природі у вільному стані хлор трапляється тільки у вулканічних газах. Дуже поширені його сполуки. Найважливіші з них: хлорид натрію NaCl, хлорид калію КСl, хлорид магнію МgСl₂ ∙6Н₂О, сильвініт, що складається з NaCl і КСl , карналіт складу КСl ∙ МgСl₂ ∙ 6Н₂О, каїніт складу MgSO₄ ∙ КСl ∙ 3Н₂О тощо.

Сполуки хлору містяться у водах океанів, морів і озер. У невеликих кількостях вони містяться у рослинних і тваринних організмах. Хлор становить 0,05 % маси земної кори.

Добування. В лабораторних умовах хлор добувають із хлоридної кислоти при взаємодії її з оксидом мангану(ІV). Реакція відбувається при нагріванні:

4НСl + МnОr = Сl₂ + МnСlr + 2Н₂О.

Це окисно-відновний процес. НСl, точніше хлорид-іон Сl^-, — відновник; МnОr — окисник. Метод складання рівняння реакції розглянуто в § 7.3.

Замість окисника МnОr можна застосовувати перманганат калію КМnО₄. Тоді реакція відбуватиметься за звичайної температури, тобто без нагрівання:

16НСl + 2КМnO₄ = 5Сlr + 2МnСl₂ + 2КСl + 8Н₂O;

2Сl^- - 2е^- = Сl₂ 5;

+7    +2

Мn + 5е_- = Мn 2,

У промисловості хлор добувають електролізом концентрованого розчину хлориду натрію. Хлор виділяється на аноді. При цьому утворюються також гідроген (виділяється на катоді) і гідроксид натрію (залишається в розчині).

Зріджений хлор (зріджується за кімнатної температури при тиску 600 кПа) зберігають у стальних балонах і в такому вигляді доставляють до місця використання.

Фізичні властивості. Хлор — отруйний газ жовто-зеленого кольору з різким запахом. Важчий за повітря в 2,5 раза. При 20°С в 1 об’ємі води розчиняється 2,3 об’єму хлору.

Розчин хлору у воді називається хлорною водою. Хлор добре розчиняється в органічних розчинниках.

Хлор спричиняє подразнення дихальних шляхів, а вдихання великих кількостей його призводить до смерті від задухи.

У природному хлорі містяться два ізотопи: ³⁵₁₇Сl (75,4 %) і ³⁷₁₇Сl (24,6 %).

Хімічні властивості. Молекула хлору складається з двох атомів, характер зв’язку в ній ковалентний неполярний:

Сильні окисні властивості хлор виявляє під час взаємодії з металами. При цьому атоми металу віддають електрони, а молекули хлору їх приєднують. Наприклад:

Хлор взаємодіє також з багатьма неметалами. Наприклад:

2Р + ЗСl₂ = 2РСl₃;

2Р + 5Сl₂ = 2РСl₅.

Своєрідно реагує хлор з воднем. У темряві суміш хлору з воднем не взаємодіє. Однак при сильному освітленні реакція відбувається дуже швидко, з вибухом:

Сl₂ + Н₂ = 2НСl.

Насправді ж, як показали дослідження, ця реакція відбувається значно складніше. Молекула Сl₂ поглинає квант світла h v і розщеплюється на атоми (неорганічні радикали Сl) (див. також § 16.3). Це є початком реакції (початкове збудження реакції). Потім вона продовжується сама собою. Кожен з      атомів-радикалів хлору Сl реагує з молекулою гідрогену. При цьому утворюються Н° і НСl˚. У свою чергу, атом-радикал гідрогену Н взаємодіє з молекулою Сl₂, утворюючи НСl˚ і Сl˚, і т. д. Наочно це можна зобразити схемою:

Сl₂ + h v = Сl˚ + Сl˚;

Сl˚ + Н₂ = НСl + Н°;

Н° + Сl2 = НСl + Сl˚ і т. д.

Початкове збудження спричинило ланцюг послідовних реакцій. Такі реакції називаються ланцюговими. Внаслідок ланцюгової реакції хлору з воднем утворюється хлороводень.

Як встановив М. М. Семенов, ланцюгові реакції дуже поширені і відбуваються через утворення і наступну взаємодію вільних атомів або груп атомів — радикалів. Вони відіграють велику роль у багатьох важливих хімічних процесах (процеси горіння, вибуху, полімеризації тощо).

Якщо підпалити струмінь водню, що виходить, наприклад з приладу Кіппа, і пропустити його у склянку з хлором, то водень горітиме в ньому блакитним полум’ям з утворенням хлороводню.

Від органічних сполук хлор відбирає гідроген, а карбон залишається у вільному стані. Тому такі речовини, як скипидар, парафін, згоряють у хлорі з виділенням великої кількості кіптяви і хлороводню.

Хлор заміщує гідроген у насичених вуглеводнях і приєднується до ненасичених сполук:

СН₄ + Сl₂ = СН₃Сl + НСl;

С₂Н₄ + Сl₂ = С₂Н₄Сl₂.

Він витісняє бром і йод з їх сполук з гідрогеном і металами:

Сl₂ + 2KBr = 2КСl + Вr₂.

Хлор взаємодіє з воднем з утворенням двох кислот — хлоридної (сильна кислота) і хлоратної(l) (слабка кислота).

Реакція оборотна:

Сl₂ + Н₂О⇆НСl + HClO,

в іонній формі

Сl₂ + Н₂O⇆Н⁺ + Сl^- + НСlО.

Хлоратна(і) кислота дуже нестійка. Під час нагрівання або на світлі вона розкладається на хлоридну кислоту й кисень: 2НСlO = 2НСl+ O₂.

Хлоратна(І) кислота — сильний окисник. Утворенням її пояснюються вибілювальні властивості хлору за наявності вологи (води). Сухий хлор не вибілює.

Хлор безпосередньо не взаємодіє з киснем, азотом і вугіллям (їх сполуки добувають непрямим шляхом). Якщо немає вологи, то хлор не взаємодіє із залізом. Це дає можливість зберігати його у стальних балонах і цистернах.

Застосування. Хлор застосовується для знезараження питної води (хлорування води), вибілювання тканин і паперової маси. Великі кількості його витрачаються для добування хлоридної кислоти, хлорного вапна, а також різних хімічних сполук, що містять хлор.