§ 23. Хлор

Определения и обозначения

Хлор — химический элемент с символом Cl и простое вещество, состоящее из его атомов. Это активный элемент, поэтому свободный хлор легко вступает в реакции и в природе обычно связан с другими элементами. Чаще всего его находят в составе солей, например хлорида натрия.

Галогены — элементы VIIA группы, которую также обозначают как 17-ю группу: фтор, хлор, бром, йод и другие. Их атомам не хватает одного электрона до заполнения внешнего электронного уровня, поэтому они часто образуют отрицательно заряженные ионы и соединения с металлами. Хлор находится между фтором и бромом и по активности уступает фтору.

Молекула хлора — частица простого вещества, состоящая из двух атомов хлора. Поэтому химическую формулу вещества записывают как Cl₂: цифра 2 показывает число атомов в одной молекуле. Обозначение Cl без индекса используют для химического элемента или отдельного атома, а не для обычного простого вещества.

Хлорная вода — раствор хлора в воде, где устанавливается равновесие между Cl₂, соляной кислотой HCl и хлорноватистой кислотой HClO: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO. Это не раствор только одной кислоты: состав зависит от условий, а часть растворённого хлора остаётся в виде молекул. Такое представление помогает понять и реакции хлора с водой, и обеззараживающее действие раствора.

Как это устроено

Хлор стоит в третьем периоде и VIIA группе, поэтому в его атоме три электронных слоя и семь электронов на внешнем уровне. До устойчивого заполнения этого уровня не хватает одного электрона. В реакциях атом хлора часто принимает электрон, превращаясь в ион Cl⁻; вещество, которое принимает электроны, называют окислителем. Однако степень окисления хлора может меняться и иначе — это зависит от партнёра по реакции.

Свободный хлор состоит из молекул Cl₂, потому что два атома могут образовать общую электронную пару и получить более устойчивое строение. При обычных условиях это газ с жёлто-зелёной окраской и резким запахом. Он токсичен, а плотность его газа больше плотности воздуха, поэтому хлор тяжелее воздуха. Эти свойства объясняют, почему утечка опасна и почему нельзя проверять запах вещества непосредственным вдыханием.

При реакции с металлами хлор принимает электроны, а металл их отдаёт: возникают ионы, которые соединяются в соли — хлориды. Например, натрий образует Na⁺, а хлор — Cl⁻, поэтому формула продукта NaCl. Во многих реакциях с неметаллами хлор тоже забирает электроны и образует хлориды, например при соединении с водородом получается HCl. Значит, хлор в таких реакциях выступает окислителем.

В реакции с водой часть молекул Cl₂ превращается в HCl и HClO: одновременно образуются два продукта, потому что атомы хлора переходят в разные соединения. Реакцию называют обратимой, поскольку продукты могут снова взаимодействовать с образованием хлора. С раствором щёлочи продукты также зависят от условий: в холодном растворе образуются хлорид и гипохлорит, а при нагревании возможен хлорат. Гипохлорит и хлорноватистая кислота помогают уничтожать микроорганизмы, чем объясняется применение хлора для обеззараживания.

В лаборатории хлор можно получить, окисляя соляную кислоту, например диоксидом марганца: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O. В промышленности его получают электролизом водного раствора NaCl: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂. При этом токсичный газ выделяется непосредственно в ходе процесса, поэтому оборудование должно быть герметичным, а производство — оснащено средствами контроля утечек. Нельзя получать или использовать хлор без специального оборудования и защиты.

Хлор: строение, свойства и получение

Таблица помогает быстро сопоставить строение хлора с его свойствами и способами получения. При повторении проследите связь между активностью элемента и тем, что в природе он обычно входит в состав соединений. Отдельно запомните, что применение для обеззараживания не означает безопасность самого газа.

Разбор задач

Натрий и хлор

Составим формулу продукта реакции натрия с хлором и запишем уравнение. Натрий — металл, он отдаёт один электрон и образует ион Na⁺. Хлор принимает один электрон и образует Cl⁻, поэтому заряды уравновешиваются в соотношении один к одному.

1. Записываем заряды ионов: Na⁺ и Cl⁻.
2. Составляем формулу соли: NaCl.
3. Учитываем, что простое вещество хлор двухатомное, и уравниваем число атомов: 2Na + Cl₂ → 2NaCl.

Ответ: продукт — хлорид натрия NaCl; уравнение реакции: 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Коэффициент 2 перед натрием нужен, чтобы число атомов натрия совпало с числом атомов хлора в молекуле Cl₂.

Хлор и водород

Запишем реакцию водорода с хлором и найдём формулу продукта. Оба простых вещества двухатомны: их формулы H₂ и Cl₂. Один атом водорода соединяется с одним атомом хлора, поэтому формула соединения — HCl.

1. Записываем схему: H₂ + Cl₂ → HCl.
2. Слева по два атома водорода и хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl.
3. Проверяем число атомов: H₂ + Cl₂ → 2HCl.

Ответ: образуется хлороводород HCl; уравнение: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Коэффициенты показывают соотношение молекул, а индекс 2 в H₂ и Cl₂ — число атомов внутри молекул.

Количество водорода при электролизе

При электролизе раствора хлорида натрия получили 0,2 моль Cl₂. Нужно определить количество H₂ по уравнению процесса. Коэффициенты у водорода и хлора равны единице, поэтому вещества образуются в одинаковом молярном соотношении.

1. Записываем уравнение: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂.
2. Сравниваем коэффициенты: перед H₂ и Cl₂ стоит по 1, значит n(H₂) : n(Cl₂) = 1 : 1.
3. Подставляем известное количество: n(H₂) = n(Cl₂) = 0,2 моль.

Ответ: образовалось 0,2 моль водорода. Равенство количеств справедливо именно для этого уравнения; если коэффициенты перед веществами различаются, нужно использовать их отношение.

Типичные ошибки

Запись формулы простого вещества как Cl неверна: так забывают, что молекула хлора состоит из двух атомов. Ошибка возникает, когда символ элемента принимают за формулу любого вещества из этого элемента. Проверь себя: вспомни, что при обычных условиях хлор — двухатомный газ, и запиши Cl₂.

Неверно считать, что хлор во всех реакциях только восстанавливается. Обычно он принимает электроны, но в реакциях с водой и щёлочами продукты содержат хлор с разными степенями окисления. Чтобы проверить себя, сравни степень окисления хлора до реакции и в каждом продукте, а не делай вывод только по слову «окислитель».

Хлорид-ионы в растворе соли нельзя приравнивать к молекулам хлора. Ион Cl⁻ заряжен и находится в составе раствора, тогда как Cl₂ — нейтральный токсичный газ; у них разные строение и свойства. Проверяй, есть ли в записи заряд ионной частицы и сколько атомов входит в молекулу простого вещества.

Опасно считать хлор безопасным для вдыхания только потому, что его используют для обеззараживания. Такая ошибка смешивает контролируемое применение вещества или его соединений с воздействием токсичного газа. Проверь себя: любое упоминание хлора как дезинфицирующего средства должно сопровождаться оговоркой о дозировке, вентиляции и защите.

Связь с другими темами

Для понимания свойств хлора пригодятся знания о строении атома и периодической системе: по числу электронов внешнего уровня можно объяснить его стремление принимать электрон. Понятия валентности и степени окисления помогают разбирать состав соединений и изменения, происходящие в реакциях. Без этого трудно понять, почему хлор часто выступает окислителем.

При решении задач нужны навыки составления формул бинарных соединений и уравнивания реакций. Например, формулу NaCl определяют по зарядам ионов, а уравнение с Cl₂ уравнивают с учётом двух атомов в молекуле. Знание о передаче электронов связывает тему с реакциями окисления-восстановления.

Эти знания понадобятся при изучении других галогенов и галогенидов, а также электролиза растворов солей. Реакция хлора с водой объясняет один из способов обеззараживания воды, но одновременно напоминает о необходимости контролировать концентрацию вещества. Так химические свойства связываются с технологическими процессами и безопасностью.

Что запомнить

• Простое вещество хлор имеет формулу Cl₂.
• Хлор — жёлто-зелёный токсичный газ с резким запахом.
• В реакциях с металлами и многими неметаллами хлор образует хлориды.
• Хлор проявляет сильные окислительные свойства.
• Хлор реагирует с водой и растворами щелочей.
• В промышленности хлор получают электролизом раствора хлорида натрия.
• С хлором работают только с соблюдением правил безопасности.