Хлор и его превращения

9 заданий

Хлор с металлами и неметаллами

Хлор вступает в реакции со многими простыми веществами и выступает при этом окислителем. Продукт реакции зависит от второго реагента и условий: например, железо при взаимодействии с хлором образует хлорид железа(III), а фосфор в избытке хлора образует пентахлорид.

history_eduШееле и Дэви

Карл Шееле в 1774 году получил хлор при действии соляной кислоты на пиролюзит \(\ce{MnO2}\), но принял полученное вещество за соединение и назвал его «дефлогистированной муриевой кислотой». Лавуазье считал хлор оксидом неизвестного элемента. Лишь Гемфри Дэви в 1810 году доказал, что хлор является простым веществом, и предложил название chlorine — «жёлто-зелёный».

Реакции хлора с металлами и неметаллами показывают, насколько различными могут быть продукты его окислительного действия.

scienceРеакции хлора с простыми веществами

\(\ce{2Na + Cl2 -> 2NaCl}\) — натрий горит в хлоре ярким жёлтым пламенем с образованием хлорида натрия.
\(\ce{2Fe + 3Cl2 ->[t] 2FeCl3}\) — при нагревании хлор окисляет железо до степени окисления +3; в отличие от хлора, соляная кислота реагирует с железом по уравнению \(\ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2}\).
\(\ce{Cu + Cl2 ->[t] CuCl2}\) — при нагревании порошок меди горит в хлоре с образованием бурого дыма хлорида меди.
\(\ce{2P + 3Cl2 -> 2PCl3}\) — при реакции фосфора с хлором образуется трихлорид фосфора; в избытке хлора он превращается в пентахлорид фосфора: \(\ce{PCl3 + Cl2 -> PCl5}\).
\(\ce{H2S + Cl2 -> S v + 2HCl}\) — при реакции хлора с сероводородом выделяется сера; в воде при избытке хлора сера окисляется до серной кислоты: \(\ce{H2S + 4Cl2 + 4H2O -> H2SO4 + 8HCl}\).

В отличие от перечисленных веществ, кислород, азот и углерод непосредственно с хлором не реагируют.

Особый случай представляет реакция хлора с водородом. Свет разрывает молекулу хлора с образованием активных атомов: \(\ce{Cl2 ->[h\nu] 2Cl*}\). Затем последовательно протекают реакции \(\ce{Cl* + H2 -> HCl + H*}\) и \(\ce{H* + Cl2 -> HCl + Cl*}\). Во второй из них вновь образуется активный атом хлора, способный продолжить превращения. Такую последовательность называют цепной реакцией. После поглощения одного кванта света может образоваться до миллиона молекул HCl, а освещённая смесь хлора с водородом может взорваться. Нернст предложил этот механизм в 1918 году и объяснил большой квантовый выход фотохимической реакции — число молекул продукта, образующихся в расчёте на один поглощённый квант света.

boltСухой хлор и железо

При комнатной температуре сухой хлор не действует на железо, поэтому хлор перевозят в стальных баллонах. В присутствии влаги образуются соляная и хлорноватистая кислоты; влажный хлор разъедает сталь.

Хлор, вода и щёлочи

Раствор хлора в воде называют хлорной водой. Часть растворённого хлора реагирует с водой: атомы хлора, имевшие одинаковую степень окисления, оказываются в составе двух кислот с разными степенями окисления хлора. Такое превращение называют диспропорционированием. Реакция обратима:

\[\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HClO}\qquad K = 4\cdot10^{-4}\]

Отбеливающее и обеззараживающее действие хлорной воды связано прежде всего с хлорноватистой кислотой \(\ce{HClO}\). На свету она разлагается по уравнению \(\ce{2HClO ->[h\nu] 2HCl + O2}\), поэтому хлорную воду хранят в тёмных склянках.

При добавлении щёлочи образующиеся кислоты вступают с ней в реакцию, и равновесие смещается в сторону продуктов. Состав продуктов зависит также от условий: в холодном растворе щёлочи образуется гипохлорит, а при нагревании — хлорат.

scienceРеакции хлора со щелочами

\(\ce{Cl2 + 2NaOH ->[холод] NaCl + NaClO + H2O}\) — в холодном растворе щёлочи образуется гипохлорит натрия, применяемый для отбеливания подобно жавелевой воде; Бертолле предложил использовать хлорсодержащие растворы для отбеливания в 1785 году.
\(\ce{3Cl2 + 6KOH ->[t] 5KCl + KClO3 + 3H2O}\) — при нагревании образуется хлорат калия, или бертолетова соль.
\(\ce{2Cl2 + 2Ca(OH)2 -> CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O}\) — при реакции хлора с гидроксидом кальция образуются компоненты хлорной извести; её состав также передают упрощённой формулой \(\ce{CaOCl2}\).
\(\ce{Ca(ClO)2 + CO2 + H2O -> CaCO3 + 2HClO}\) — на воздухе гипохлорит кальция взаимодействует с углекислым газом и водой с образованием хлорноватистой кислоты.

auto_awesomeХлорирование воды

В 1908 году Джерси-Сити стал первым городом США, где водопроводную воду начали хлорировать постоянно. За несколько десятилетий широкое применение хлорирования помогло резко снизить заболеваемость брюшным тифом и холерой в городах. Это одно из важнейших достижений общественного здравоохранения XX века.

errorХлор как боевое отравляющее вещество

22 апреля 1915 года под бельгийским Ипром германские войска выпустили из баллонов около 150 тонн хлора. Эта атака стала первой массированной газовой атакой в истории; тяжёлый газ распространялся по окопам. Впоследствии применение химического оружия запретили международные конвенции.

Получение и применение хлора

Способы получения хлора в лаборатории и промышленности различаются. Лабораторное получение хлора основано на окислении концентрированной соляной кислоты. Для этого используют разные окислители; некоторые из них выделяют хлор без нагревания.

scienceЛабораторные способы получения хлора

\(\ce{MnO2 + 4HCl ->[t] MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\) — в способе Шееле оксид марганца(IV) взаимодействует с соляной кислотой при нагревании.
\(\ce{2KMnO4 + 16HCl -> 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 ^ + 8H2O}\) — перманганат калия выделяет хлор при взаимодействии с соляной кислотой на холоду.
\(\ce{KClO3 + 6HCl -> KCl + 3Cl2 ^ + 3H2O}\) — хлорат калия при взаимодействии с соляной кислотой выделяет хлор.
\(\ce{K2Cr2O7 + 14HCl ->[t] 2KCl + 2CrCl3 + 3Cl2 ^ + 7H2O}\) — дихромат калия окисляет соляную кислоту при нагревании.
\(\ce{Ca(ClO)2 + 4HCl -> CaCl2 + 2Cl2 ^ + 2H2O}\) — гипохлорит кальция, входящий в состав хлорной извести, при взаимодействии с соляной кислотой выделяет хлор.

Промышленное получение хлора основано на электролизе раствора \(\ce{NaCl}\). В мире получают около 80 млн т хлора в год. Около трети этого количества направляют на производство ПВХ; хлор также используют для получения растворителей, отбеливания, обеззараживания воды и производства титана и кремния через их хлориды.

boltРасчёт выхода хлора из разных окислителей

При расчётах по приведённым уравнениям удобно учитывать, сколько молей хлора образуется из одного моля окислителя: из \(\ce{KMnO4}\) — 2,5; из \(\ce{K2Cr2O7}\) — 3; из \(\ce{KClO3}\) — 3, в том числе за счёт атома хлора самого хлората; из \(\ce{MnO2}\) — 1; из \(\ce{Ca(ClO)2}\) — 2.

push_pinГлавное

Хлор является сильным окислителем: при реакции с ним из железа образуется \(\ce{FeCl3}\), из меди — \(\ce{CuCl2}\), а из фосфора — \(\ce{PCl3}\) или \(\ce{PCl5}\) в зависимости от количества хлора. Реакция с водородом протекает по цепному механизму; на свету смесь может взорваться. В воде происходит обратимое диспропорционирование \(\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HClO}\). При взаимодействии со щёлочью на холоду образуются хлорид и гипохлорит, а при нагревании — хлорид и хлорат. В лаборатории хлор получают окислением \(\ce{HCl}\) с помощью \(\ce{MnO2}\), \(\ce{KMnO4}\), \(\ce{KClO3}\) или \(\ce{K2Cr2O7}\); в промышленности применяют электролиз раствора \(\ce{NaCl}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.