§ 23. Хлор

Определения и обозначения

Хлор — химический элемент с порядковым номером 17, обозначаемый символом Cl; простое вещество хлор состоит из молекул Cl₂. Атом и молекула — не одно и то же: запись Cl обозначает один атом, а Cl₂ — частицу из двух атомов. Это различие нужно, чтобы правильно записывать формулы и уравнения реакций.

Галогены — элементы 17-й группы периодической системы, к которым относятся фтор, хлор, бром и йод. У их атомов на внешнем электронном уровне по семь электронов, поэтому им обычно не хватает одного электрона до устойчивой внешней оболочки. Этим объясняется сходство многих реакций галогенов и их способность образовывать отрицательно заряженные ионы.

Хлорная вода — раствор хлора в воде, где часть растворённого газа реагирует с водой с образованием соляной HCl и хлорноватистой HClO кислот. Реакция обратима, поэтому в растворе одновременно могут находиться разные вещества. Хлорная вода важна для понимания обеззараживающего и отбеливающего действия хлора.

Хлориды — соли, содержащие отрицательно заряженные ионы хлора Cl⁻. К ним относятся, например, хлорид натрия NaCl и хлорид кальция CaCl₂. Хлориды образуются, когда хлор принимает электроны в реакциях, поэтому их состав помогает проследить изменение хлора из простого вещества в соединение.

Как это устроено

Хлор находится в третьем периоде и 17-й группе периодической системы, а его порядковый номер 17 показывает число протонов в ядре нейтрального атома и число электронов вокруг него. Распределение электронов по оболочкам — 2, 8, 7; внешний уровень почти заполнен. Поэтому атому энергетически выгодно принять один электрон, образуя Cl⁻, или участвовать в образовании ковалентной связи. Строение объясняет типичные реакции хлора, но не означает, что во всех соединениях он имеет одинаковую степень окисления.

В простом веществе атомы хлора соединены попарно: каждый предоставляет по одному электрону для общей электронной пары. Связь между одинаковыми атомами называется ковалентной неполярной, потому что общая пара притягивается обоими атомами одинаково. Молекулы Cl₂ удерживаются друг возле друга сравнительно слабо, поэтому хлор при обычных условиях является газом. Межмолекулярное притяжение также влияет на температуру кипения и другие физические свойства вещества.

Хлор — жёлто-зелёный газ с резким запахом и плотностью, большей, чем у воздуха. Цвет и запах помогают распознать опасность, однако проверять запах непосредственно нельзя: газ ядовит, раздражает дыхательные пути и может вызвать тяжёлое отравление. При утечке нельзя приближаться к источнику или пытаться устранить её самостоятельно. Работать с хлором разрешено только при соблюдении правил безопасности и наличии подходящего оборудования.

Хлор — сильный окислитель: он принимает электроны у других веществ, а сам превращается в хлорид-ионы или входит в состав других соединений. С металлами он образует хлориды, например 2Na + Cl₂ → 2NaCl, а с водородом при освещении или нагревании реагирует с образованием хлороводорода: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Окислительная способность хлора выше, чем у брома и йода, поэтому хлор вытесняет их из растворов солей. Например, Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂.

В воде хлор частично реагирует по уравнению Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO. Хлорноватистая кислота HClO может выделять активный кислород, который окисляет красящие вещества и микроорганизмы; поэтому хлорная вода обладает отбеливающим и дезинфицирующим действием. Со щелочью хлор тоже реагирует, а продукты зависят от условий: с холодным раствором NaOH образуются NaCl и NaClO, с горячим — NaCl и NaClO₃. В лаборатории хлор можно получить окислением концентрированной соляной кислоты диоксидом марганца: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O; в промышленности его получают электролизом раствора NaCl.

Хлор: строение, свойства и применение

Сначала по таблице удобно вспомнить строение атома и формулу простого вещества, а затем связать их с химическими свойствами. При разборе реакций обращайте внимание на то, в каком виде присутствует хлор: как молекула Cl₂, атом в составе соединения или ион Cl⁻. Последние строки помогают отличать способы получения от направлений применения.

Разбор задач

Задача 1. Записать формулу простого вещества хлора и определить число электронов на внешнем уровне атома хлора. Решение: нужно использовать порядковый номер элемента и его положение в периодической системе, не смешивая атом с простым веществом. Порядковый номер показывает число электронов в нейтральном атоме, а номер группы главной подгруппы помогает определить число внешних электронов.

1. Находим хлор в таблице: его порядковый номер равен 17, а положение — 17-я группа.
2. У нейтрального атома 17 электронов; по оболочкам они распределяются как 2, 8, 7. Значит, на внешнем уровне семь электронов.
3. Простое вещество образовано двухатомными молекулами, поэтому его формула Cl₂, а не Cl.

Ответ: формула простого вещества — Cl₂; на внешнем уровне атома — 7 электронов. Задача 2. Составить уравнения реакций хлора с натрием и водородом и расставить коэффициенты. Сначала определяем продукты: натрий образует хлорид натрия NaCl, а водород с хлором — хлороводород HCl.

1. Записываем схемы: Na + Cl₂ → NaCl и H₂ + Cl₂ → HCl.
2. В первой схеме слева два атома хлора, поэтому ставим 2 перед NaCl. Чтобы уравнять натрий, ставим 2 перед Na.
3. Во второй схеме слева по два атома водорода и хлора, поэтому ставим 2 перед HCl.

Ответ: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; H₂ + Cl₂ → 2HCl. Не меняйте индексы в формулах веществ при уравнивании: число атомов выравнивают коэффициентами перед формулами. Задача 3. Через раствор бромида калия пропустили хлор. Нужно определить, произойдёт ли реакция, и записать уравнение. Сравниваем галогены: хлор активнее брома и способен отнять электроны у бромид-ионов.

1. Хлор окисляет Br⁻ до свободного брома Br₂, а сам восстанавливается до Cl⁻.
2. Записываем продукты: хлорид калия KCl и бром Br₂.
3. Уравниваем атомы и ионы: двум ионам Br⁻ нужен один атом хлора на каждый, поэтому ставим коэффициенты 2 перед KBr и KCl.

Ответ: реакция происходит; Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Появление свободного брома подтверждает, что более активный хлор вытеснил его из соли.

Типичные ошибки

Ошибка: считать слова «хлор» и «хлорид» взаимозаменяемыми. Хлор как простое вещество — молекулы Cl₂, а хлорид — ион Cl⁻ в составе соединения; путаница возникает из-за общего корня в названиях. Проверяйте, о какой частице говорится: нейтральной молекуле или заряженном ионе. Например, NaCl содержит хлорид-ионы, а не молекулы Cl₂.

Ошибка: записывать формулу простого вещества как Cl. Так делают, перенося обозначение элемента на вещество, хотя хлор в обычных условиях образует двухатомные молекулы. Перед записью уравнения проверьте, не относится ли простое вещество к тем, у которых молекулы состоят из двух атомов. Для хлора нужна формула Cl₂.

Ошибка: считать, что хлор во всех реакциях только принимает электроны. Обычно он выступает окислителем, но в реакции с более сильным окислителем, фтором, хлор может отдавать электроны и проявлять восстановительные свойства. Проверяйте изменение степени окисления хлора: если она повышается, хлор отдал электроны. Свойства вещества зависят от партнёра по реакции.

Ошибка: считать хлорную воду простым раствором неизменившегося газа. Хлор частично реагирует с водой, образуя HCl и HClO, поэтому раствор проявляет отбеливающее и дезинфицирующее действие. Проверить себя можно по уравнению Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO. Наличие продуктов реакции означает, что раствор — не только физическая смесь исходного газа с водой.

Связь с другими темами

Для изучения хлора нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодическом законе: по ним объясняют семь внешних электронов и склонность атома принимать электрон. Понимание ионной и ковалентной связей помогает различать молекулу Cl₂ и ион Cl⁻. Умение составлять формулы, уравнивать уравнения и определять степени окисления нужно для разбора реакций хлора. Эти знания пригодятся при изучении других галогенов, солей и окислительно-восстановительных реакций, а также способов обеззараживания воды.

Что запомнить

• Порядковый номер хлора — 17; на внешнем уровне его атома семь электронов.
• Простое вещество хлор имеет формулу Cl₂.
• Хлор — ядовитый жёлто-зелёный газ с резким запахом.
• Хлор является сильным окислителем и реагирует со многими металлами и неметаллами.
• Хлор вытесняет бром и йод из растворов их солей.
• При взаимодействии хлора с водой образуются соляная и хлорноватистая кислоты.
• Хлор применяют для обеззараживания воды и получения важных химических веществ.