§ 15. Хлор

Определения и обозначения

Хлор — химический элемент с порядковым номером 17, расположенный в 3-м периоде и 17-й группе (VIIA) периодической системы; простое вещество этого элемента имеет формулу Cl₂. Для хлора характерны степени окисления −1, 0, +1, +3, +5 и +7, причём в соединениях с металлами чаще встречается −1. Это различие помогает не путать свойства атома элемента и вещества, состоящего из его атомов.

Молекула хлора Cl₂ — двухатомная частица, в которой два одинаковых атома связаны ковалентной неполярной связью. Каждый атом предоставляет по одному электрону для общей электронной пары, и оба атома получают устойчивую внешнюю оболочку. Знание строения объясняет, почему формула простого вещества — Cl₂, а не символ одного атома Cl.

Хлорная вода — водный раствор хлора, в котором есть растворённый Cl₂ и вещества, образовавшиеся при его взаимодействии с водой. В частности, устанавливается равновесие между хлором, соляной кислотой и хлорноватистой кислотой HClO. Это понятие нужно, чтобы объяснить действие раствора и не считать его просто водой с растворённым газом.

Диспропорционирование хлора — реакция, в которой атомы одного и того же элемента одновременно окисляются и восстанавливаются. Часть атомов хлора отдаёт электроны и повышает степень окисления, а другая часть принимает электроны и понижает её. По этому признаку можно распознать реакции хлора с водой и щёлочами.

Как это устроено

У атома хлора 17 электронов: его электронная конфигурация — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. На внешнем уровне находятся семь электронов, поэтому для завершения оболочки атому выгодно принять один электрон. Этим объясняются образование иона Cl⁻ и сильные окислительные свойства простого вещества: молекула Cl₂ способна принимать электроны от других частиц. В соединениях с кислородом и фтором хлор может проявлять и положительные степени окисления.

В простом веществе атом хлора соединяется с другим таким же атомом общей электронной парой, и возникает молекула Cl₂. Связь неполярная, поскольку оба атома одинаково притягивают общие электроны. Между молекулами действуют сравнительно слабые силы, поэтому при обычных условиях хлор является газом. Символ Cl обозначает элемент или атом, а индекс ₂ показывает число атомов в молекуле вещества.

При обычных условиях хлор — жёлто-зелёный газ с резким удушливым запахом; он примерно в 2,5 раза плотнее воздуха и токсичен. В воде хлор растворяется, одновременно часть его молекул реагирует с водой, поэтому собирать газ вытеснением воды нельзя. Из-за большей плотности хлор можно собирать вытеснением воздуха в вертикальный сосуд, подавая газ вниз. Из-за токсичности такой опыт проводят только в герметичной установке с вытяжкой, а не в открытой посуде.

Хлор активно реагирует со многими металлами, потому что принимает от них электроны и превращается в хлорид-ионы. Например, натрий отдаёт электроны, а хлор их принимает: 2Na + Cl₂ → 2NaCl. С водородом реакция идёт с образованием хлороводорода: H₂ + Cl₂ → 2HCl; на свету она может протекать очень быстро. В обоих случаях хлор выступает окислителем, а металл или водород — восстановителем.

В воде хлор частично реагирует по уравнению Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO. Степень окисления хлора из 0 переходит в −1 в HCl и +1 в HClO, то есть происходит диспропорционирование. В холодной разбавленной щёлочи образуются хлорид и гипохлорит: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Хлорноватистая кислота и гипохлориты окисляют многие вещества, поэтому хлорная вода и растворы гипохлоритов могут обесцвечивать красители и уничтожать микроорганизмы.

Хлор: строение, свойства, получение и применение

Сначала по таблице определяйте строение и физические свойства хлора, затем сопоставляйте их с уравнениями реакций. В последнем столбце удобно проверять, какие вещества образуются и как меняется степень окисления. Уравнение для щёлочи относится к холодному разбавленному раствору: при других условиях состав продуктов может измениться.

Разбор задач

1. Реакции с натрием, водородом и водой

Запишем уравнения и установим, кто принимает и отдаёт электроны. При реакции натрия с хлором образуется хлорид натрия, при реакции с водородом — хлороводород, а взаимодействие с водой приводит к образованию двух кислот. Сравнение степеней окисления позволит определить окислитель и восстановитель.

1. Составляем уравнения: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; H₂ + Cl₂ → 2HCl; Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO.
2. В первых двух реакциях хлор меняет степень окисления с 0 на −1 и принимает электроны, значит, Cl₂ — окислитель. Натрий в первой реакции меняет 0 на +1, а водород во второй — 0 на +1; оба отдают электроны и являются восстановителями.
3. В реакции с водой часть хлора переходит из 0 в −1, а часть — из 0 в +1. Поэтому Cl₂ одновременно выступает окислителем и восстановителем.

Ответ: уравнения приведены выше; в реакциях с Na и H₂ хлор — окислитель, Na и H₂ — восстановители. С водой хлор диспропорционирует.

2. Хлор и избыток раствора гидроксида натрия

Предположим, что раствор щёлочи холодный и разбавленный: именно для этих условий подходит образование гипохлорита. Избыток NaOH не меняет соотношение продуктов этой реакции. Нужно подобрать коэффициенты и определить степени окисления хлора в обоих солях.

1. Записываем схему: Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.
2. Ставим коэффициент 2 перед NaOH, чтобы уравнять натрий и водород: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Проверка показывает, что атомы кислорода также уравнены.
3. В NaCl хлор имеет степень окисления −1, а в NaClO — +1. Исходное значение было 0, следовательно, один атом восстанавливается, а другой окисляется.

Ответ: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O; степени окисления хлора в продуктах равны −1 и +1, реакция является диспропорционированием.

3. Объём хлора для получения хлорида железа(III)

Так как масса в условии не указана, выполним расчёт для примера: требуется получить 10,0 г FeCl₃ при выходе 80%. Сначала по уравнению найдём количество хлора для теоретического выхода, затем учтём, что фактический выход меньше теоретического. Объём рассчитаем при нормальных условиях, когда молярный объём газа равен 22,4 л/моль.

1. Записываем уравнение: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃. Молярная масса FeCl₃ равна 162,2 г/моль, поэтому n(FeCl₃) = 10,0 / 162,2 ≈ 0,0617 моль.
2. По коэффициентам уравнения n(Cl₂) теор. = 0,0617 × 3/2 ≈ 0,0925 моль. При выходе 80% нужно взять n(Cl₂) = 0,0925 / 0,80 ≈ 0,1156 моль.
3. Переводим количество вещества в объём: V(Cl₂) = 0,1156 × 22,4 ≈ 2,59 л. Деление на долю выхода необходимо потому, что часть реагента не превращается в целевой продукт.

Ответ: для получения 10,0 г FeCl₃ при выходе 80% потребуется около 2,59 л Cl₂ при нормальных условиях.

Типичные ошибки

Записывают формулу простого вещества как Cl. Так путают обозначение элемента с формулой вещества: Cl означает один атом или химический элемент, а молекула простого вещества содержит два атома. Проверка простая: выясните, какая частица является устойчивой формой вещества; для хлора это Cl₂.

Считают хлор только восстановителем. Обычно вспоминают, что хлор принимает электрон, но в реакции с водой или щёлочью часть его атомов отдаёт электроны. Сопоставьте степени окисления хлора до и после реакции: появление одновременно более низкой и более высокой степени означает диспропорционирование.

Описывают взаимодействие хлора с водой только как растворение. Это происходит потому, что растворение газа заметно, а химические превращения легко упустить. Проверьте, меняются ли степени окисления и появляются ли новые вещества: в растворе образуются HCl и HClO, поэтому взаимодействие химическое.

Предлагают собирать хлор над водой или в открытом сосуде. Первая ошибка игнорирует растворение и реакцию хлора с водой, вторая — его токсичность. Учитывайте одновременно оба свойства: газ собирают вытеснением воздуха в закрытой аппаратуре, а работу проводят с вентиляцией и средствами защиты.

Связь с другими темами

Для изучения хлора нужны знания о строении атома, периодическом законе, валентности, степенях окисления и составлении уравнений окислительно-восстановительных реакций. Эта тема продолжает изучение галогенов и позволяет сравнить хлор с фтором, бромом и йодом. Позже свойства хлора помогут разбирать соляную кислоту, хлориды, электролиз растворов и химические способы обеззараживания воды.

Что запомнить

• Хлор — жёлто-зелёный токсичный газ с формулой Cl₂.
• Атом хлора имеет 17 электронов и обычно принимает один электрон.
• Хлор — сильный окислитель и реагирует со многими металлами и неметаллами.
• С водой хлор вступает в реакцию, поэтому его нельзя собирать вытеснением воды.
• В реакциях с водой и щёлочами хлор диспропорционирует.
• Хлорная вода помогает объяснить отбеливающее и обеззараживающее действие хлора.
• При работе с хлором обязательны герметичная аппаратура, вентиляция и защита органов дыхания.