¿Dónde se usa el cloro? Cloro gaseoso, propiedades físicas del cloro, propiedades químicas del cloro. Métodos de producción de cloro cloro
Características de los elementos del grupo VII del subgrupo principal, por ejemplo, cloro
Características generales del subgrupo
Cuadro 1. Nomenclatura de elementos del subgrupo VIIA
Elementos P, típicos, no metales (astato - semimetálico), halógenos.
Diagrama de electrones del elemento Hal (Hal ≠ F):
Los elementos del subgrupo VIIA se caracterizan por las siguientes valencias:
Tabla 2. Valencia
3. Los siguientes estados de oxidación son característicos de los elementos del subgrupo VIIA:
Tabla 3. Estados de oxidación de los elementos
Características de un elemento químico
El cloro es un elemento del Grupo VII A. Número de serie 17
Masa atómica relativa: 35,4527 amu e.m. (g / mol)
Número de protones, neutrones, electrones: 17,18,17
Estructura del átomo:
Fórmula electrónica:
Estados de oxidación típicos: -1, 0, +1, +3, +4, +5, +7
Energía de ionización: 1254,9 (13,01) kJ / mol (eV)
Afinidad electrónica: 349 (kJ / mol)
Electronegatividad de Pauling: 3.20
Caracterización de una sustancia simple
Tipo de enlace: covalente no polar
Molécula diatómica
Isótopos: 35 Cl (75,78%) y 37 Cl (24,22%)
Tipo de celosía cristalina: molecular
Cuadro 4
Propiedades físicas
Cuadro 5
Propiedades químicas
La solución acuosa de cloro sufre una gran dismutación ("agua clorada")
Etapa 1: Cl 2 + H 2 O \u003d HCl + HOCl
Etapa 2: HOCl \u003d HCl + [О] - oxígeno atómico
La capacidad oxidante en el subgrupo disminuye de flúor a yodo \u003d ˃
El cloro es un fuerte agente oxidante:
1. Interacción con sustancias simples
a) con hidrógeno:
Cl 2 + H 2 \u003d 2HCl
b) con metales:
Cl 2 + 2Na \u003d 2NaCl
3Cl 2 + 2Fe \u003d 2FeCl 3
c) con algunos no metales menos electronegativos:
3Cl 2 + 2P \u003d 2PCl 3
Cl 2 + S \u003d SCl 2
Con oxígeno, carbono y nitrógeno, cloro directamente. no reacciona!
2. Interacción con sustancias complejas
a) con agua: ver arriba
b) con ácidos: no reacciona!
c) con soluciones alcalinas:
en el frío: Cl 2 + 2 NaOH \u003d NaCl + NaClO + H 2 O
cuando se calienta: 3Cl 2 + 6 KOH \u003d 5KCl + KClO 3 + 3H 2 O
e) con muchos materia orgánica:
Cl 2 + CH 4 \u003d CH 3 Cl + HCl
C 6 H 6 + Cl 2 \u003d C 6 H 5 Cl + HCl
Los compuestos de cloro más importantes
Cloruro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno(HCl) es un gas incoloro, térmicamente estable (en condiciones normales) con un olor acre, humeante en aire húmedo, se disuelve fácilmente en agua (hasta 500 volúmenes de gas por volumen de agua) con la formación de ácido clorhídrico (clorhídrico). A -114,22 ° C, el HCl se vuelve sólido. En estado sólido, el cloruro de hidrógeno existe en forma de dos modificaciones cristalinas: rómbica, estable por debajo y cúbica.
Una solución acuosa de cloruro de hidrógeno se llama ácido clorhídrico. Cuando se disuelve en agua, tienen lugar los siguientes procesos:
HCl g + H 2 O l \u003d H 3 O + l + Cl - l
El proceso de disolución es muy exotérmico. Con agua, el HCl forma una mezcla azeotrópica. Es un ácido monobásico fuerte. Interactúa vigorosamente con todos los metales en la serie de voltajes a la izquierda del hidrógeno, con óxidos, bases y sales básicos y anfóteros, formando sales - cloruros:
Mg + 2 HCl → MgCl 2 + H 2
FeO + 2 HCl → FeCl 2 + H 2 O
Bajo la acción de oxidantes fuertes o durante la electrólisis, el cloruro de hidrógeno presenta propiedades reductoras:
MnO 2 + 4 HCl → MnCl 2 + Cl 2 + 2 H 2 O
Cuando se calienta, el cloruro de hidrógeno se oxida con oxígeno (catalizador - cloruro de cobre (II) CuCl 2):
4 HCl + O 2 → 2 H 2 O + 2 Cl 2
Sin embargo, el ácido clorhídrico concentrado reacciona con el cobre para formar un complejo de cobre monovalente:
2 Cu + 4 HCl → 2 H + H 2
Una mezcla de 3 partes en volumen de ácido clorhídrico concentrado y 1 parte en volumen de ácido nítrico concentrado se llama agua regia. El vodka de Tsar es capaz de disolver incluso el oro y el platino. La alta actividad oxidativa del agua regia se debe a la presencia de cloruro de nitrosilo y cloro en ella, que se encuentran en equilibrio con las sustancias de partida:
4 H 3 O + + 3 Cl - + NO 3 - \u003d NOCl + Cl 2 + 6 H 2 O
Debido a la alta concentración de iones cloruro en la solución, el metal se une a un complejo de cloruro, lo que contribuye a su disolución:
3 Pt + 4 HNO 3 + 18 HCl → 3 H 2 + 4 NO + 8 H 2 O
El cloruro de hidrógeno también se caracteriza por reacciones de adición a enlaces múltiples (adición electrofílica):
R-CH \u003d CH 2 + HCl → R-CHCl-CH 3
R-C≡CH + 2 HCl → R-CCl 2 -CH 3
Óxidos de cloro - compuestos químicos inorgánicos de cloro y oxígeno, con la fórmula general: Cl x O y.
El cloro forma los siguientes óxidos: Cl 2 O, Cl 2 O 3, ClO 2, Cl 2 O 4, Cl 2 O 6, Cl 2 O 7. Además, se conocen los siguientes: el radical ClO de vida corta, el radical peróxido de cloro ClOO y el radical tetróxido de cloro ClO 4.
La siguiente tabla muestra las propiedades de los óxidos de cloro estables:
Tabla 6
| Propiedad | Cl 2 O | ClO 2 | ClOClO 3 | Cl 2 O 6 (l) ↔2ClO 3 (g) | Cl 2 O 7 |
| Color y acondicionamiento a temperatura ambiente. temperatura | Gas amarillo-marrón | Gas amarillo verdoso | Líquido amarillo claro | Líquido rojo oscuro | Líquido incoloro |
| Estado de oxidación del cloro | (+1) | (+4) | (+1), (+7) | (+6) | (+7) |
| Pf, ° C | −120,6 | −59 | −117 | 3,5 | −91,5 |
| Punto de ebullición, ° C | 2,0 | 44,5 | |||
| re (f, 0 ° C), g * cm -3 | - | 1,64 | 1,806 | - | 2,02 |
| Muestra ΔH ° (gas, 298 K), kJ * mol -1 | 80,3 | 102,6 | ~180 | (155) | |
| ΔG ° muestra (gas, 298 K), kJ * mol -1 | 97,9 | 120,6 | - | - | - |
| S ° muestra (gas, 298 K), J * K -1 * mol -1 | 265,9 | 256,7 | 327,2 | - | - |
| Momento dipolar μ, D | 0,78 ± 0,08 | 1,78 ± 0,01 | - | - | 0,72 ± 0,02 |
Óxido de cloro (I), El óxido de dicloro, el anhídrido de ácido hipocloroso es un compuesto de cloro en estado de oxidación +1 con oxígeno.
En condiciones normales, es un gas de color amarillo parduzco con un olor característico que recuerda al cloro. A temperaturas inferiores a 2 ° C, el líquido es de color rojo dorado. Tóxico: afecta el tracto respiratorio. Se descompone espontáneamente lentamente:
Explosivo a altas concentraciones. La densidad en condiciones normales es de 3,22 kg / m³. Se disuelve en tetracloruro de carbono. Disolvamos bien en agua con la formación de ácido hipocloroso débil:
Reacciona rápidamente con álcalis:
Cl 2 O + 2NaOH (diluido) \u003d 2NaClO + H 2 O
Dioxido de cloro - óxido ácido. Cuando se disuelve en agua, se forman ácidos cloroso y clórico (reacción de desproporción). Las soluciones diluidas son estables en la oscuridad, se descomponen lentamente con la luz:
Dioxido de cloro - óxido de cloro ( IV), un compuesto de cloro y oxígeno, fórmula: ClO 2.
En condiciones normales, el ClO 2 es un gas de color amarillo rojizo con un olor característico. A temperaturas inferiores a 10 ° C, el ClO 2 es un líquido de color marrón rojizo. Inestable, explota a la luz, al contacto con oxidantes y al calentamiento. Disolvamos bien en agua. Debido a su naturaleza explosiva, el dióxido de cloro no se puede almacenar como líquido.
Óxido ácido. Cuando se disuelve en agua, se forman ácidos cloroso y clórico (reacción de desproporción). Las soluciones diluidas son estables en la oscuridad, se descomponen lentamente con la luz:
El ácido cloroso resultante es muy inestable y se degrada:
Muestra propiedades redox.
2ClO 2 + 5H 2 SO 4 (diluido) + 10FeSO 4 \u003d 5Fe 2 (SO 4) 3 + 2HCl + 4H 2 O
ClO 2 + 2NaOH frío. \u003d NaClO 2 + NaClO 3 + H 2 O
ClO 2 + O 3 \u003d ClO 3 + O 2
El ClO 2 reacciona con muchos compuestos orgánicos y actúa como un agente oxidante medio.
Ácido hipocloroso - HClO, un ácido monobásico muy débil en el que el cloro tiene un estado de oxidación de +1. Existe solo en soluciones.
En soluciones acuosas, el ácido hipocloroso se descompone parcialmente en un protón y un anión hipoclorito ClO -:
Inestable. Ácido hipocloroso y sus sales. hipocloritos - oxidantes fuertes. Reacciona con ácido clorhídrico HCl para formar cloro molecular:
HClO + NaOH (diluido) \u003d NaClO + H 2 O 
Ácido cloroso - HClO 2, un ácido monobásico de concentración media.
El ácido cloroso HClO 2 en forma libre es inestable, incluso en una solución acuosa diluida, se descompone rápidamente:
Neutralizado con álcalis.
HClO 2 + NaOH (diluido en frío) \u003d NaClO 2 + H 2 O
Se desconoce el anhídrido de este ácido.
Se obtiene una solución ácida de sus sales - cloritosformado como resultado de la interacción de ClO 2 con álcali:
Muestra propiedades redox.
5HClO 2 + 3H 2 SO 4 (diluido) + 2KMnO 4 \u003d 5HClO 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O
Ácido clórico - HClO 3, un ácido monobásico fuerte en el que el cloro tiene un estado de oxidación de +5. No recibido en forma gratuita; en soluciones acuosas a una concentración inferior al 30% en frío es bastante estable; en soluciones más concentradas se descompone:
El ácido clórico es un agente oxidante fuerte; La capacidad oxidativa aumenta al aumentar la concentración y la temperatura. El HClO 3 se reduce fácilmente a ácido clorhídrico:
HClO 3 + 5HCl (conc.) \u003d 3Cl 2 + 3H 2 O
HClO 3 + NaOH (diluido) \u003d NaClO 3 + H 2 O
Cuando se hace pasar una mezcla de SO 2 y aire a través de una solución fuertemente ácida, se forma dióxido de cloro:
En ácido clorhídrico al 40%, por ejemplo, el papel de filtro se enciende.
8. Estar en la naturaleza:
El cloro es el halógeno más abundante en la corteza terrestre. Dado que el cloro es muy activo, en la naturaleza se encuentra solo en forma de compuestos en la composición de minerales.
Cuadro 7. Estar en la naturaleza
Cuadro 7. Formas minerales
Las mayores reservas de cloro se encuentran en la composición de las sales de las aguas de los mares y océanos.
Recepción
Los métodos químicos para producir cloro son ineficaces y costosos. Hoy tienen principalmente significado histórico... Se puede obtener mediante la interacción del permanganato de potasio con el ácido clorhídrico:
Método de Scheele
Inicialmente, el método industrial para producir cloro se basaba en el método Scheele, es decir, la reacción de pirolusita con ácido clorhídrico:
El método del diácono
Método de obtención de cloro por oxidación catalítica de cloruro de hidrógeno con oxígeno atmosférico.
Métodos electroquímicos
Hoy en día, el cloro se produce a escala industrial junto con el hidróxido de sodio y el hidrógeno por electrólisis de una solución de cloruro de sodio, cuyos principales procesos se pueden representar mediante la fórmula resumida:
Solicitud
Perfil de ventana hecho de polímeros que contienen cloro
El componente principal de los blanqueadores es el agua de Labarrakova (hipoclorito de sodio).
· En la producción de cloruro de polivinilo, compuestos plásticos, caucho sintético.
· Producción de organoclorados. Una parte importante del cloro producido se consume para obtener productos fitosanitarios. Uno de los insecticidas más importantes es el hexaclorociclohexano (a menudo llamado hexaclorán).
· Utilizado como agente de guerra química, así como para la producción de otros agentes de guerra química: gas mostaza, fosgeno.
· Para desinfección de agua - "cloración".
· EN industria de alimentos registrado como aditivo alimentario E925.
· En la producción química de ácido clorhídrico, lejía, sal de berthollet, cloruros metálicos, venenos, medicinas, fertilizantes.
· En metalurgia para la producción de metales puros: titanio, estaño, tantalio, niobio.
· Como indicador de neutrinos solares en detectores de cloro-argón.
Muchos países desarrollados están tratando de limitar el uso de cloro en el hogar, incluso porque al quemar desechos que contienen cloro, se forma una cantidad significativa de dioxinas.
Propiedades físicas. En condiciones normales, el cloro es un gas de color amarillo verdoso con un olor acre y es venenoso. Es 2,5 veces más pesado que el aire. En 1 volumen de agua a 20 grados. Con disuelve aproximadamente 2 volúmenes de cloro. Esta solución se llama agua con cloro.
Cuando presión atmosférica cloro a -34 grados. C pasa a estado líquido y a -101 grados. C endurece. Cuando temperatura ambiente se vuelve líquido solo a una presión de 600 kPa (6 atm). El cloro es fácilmente soluble en muchos disolventes orgánicos, especialmente en tetracloruro de carbono, con el que no interactúa.
Propiedades químicas. En el nivel electrónico externo del átomo de cloro hay 7 electrones (s 2 p 5), por lo que fácilmente une un electrón para formar el anión Cl -. Debido a la presencia de un nivel d sin llenar en el átomo de cloro, pueden aparecer 1, 3, 5 y 7 electrones no apareados, por lo tanto, en compuestos que contienen oxígeno, puede tener un estado de oxidación de +1, +3, +5 y +7.
En ausencia de humedad, el cloro es bastante inerte, pero en presencia de incluso rastros de humedad, su actividad aumenta bruscamente. Interactúa bien con los metales:
2 Fe + 3 Cl 2 \u003d 2 FeCl 3 (cloruro de hierro (III));
Cu + Сl 2 \u003d СuСl 2 (cloruro de cobre (II))
y muchos no metales:
H2 + Cl2 \u003d 2 HCl (cloruro de hidrógeno);
2 S + Cl 2 \u003d S 2 Cl 2 (cloruro de azufre (1));
Si + 2 Cl 2 \u003d SiCl 4 (cloruro de silicio (IV));
2 Р + 5 Сl 2 \u003d 2 РСl 5 (cloruro de fósforo (V)).
El cloro no interactúa directamente con el oxígeno, el carbono y el nitrógeno.
Cuando el cloro se disuelve en agua, se forman 2 ácidos: clorhídrico o clorhídrico e hipocloroso:
Cl 2 + H 2 O \u003d HCl + HClO.
Cuando el cloro interactúa con las soluciones alcalinas frías, se forman las sales correspondientes de estos ácidos:
Cl 2 + 2 NaOH \u003d NaCl + NaClO + H 2 O.
Las soluciones resultantes se denominan agua de la cárcel, que, al igual que el agua con cloro, tiene fuertes propiedades oxidantes debido a la presencia del ion ClO y se utiliza para blanquear telas y papel. Con soluciones alcalinas calientes, el cloro forma las correspondientes sales de ácidos clorhídrico y clórico:
3 Cl 2 + 6 NaOH \u003d 5 NaCl + NaClO 3 + 3 H 2 O;
3 Сl 2 + 6 KOH \u003d 5 КСl + КСlO 3 + 3 Н 2 О.
El clorato de potasio resultante se llama sal de Berthollet.
Cuando se calienta, el cloro interactúa fácilmente con muchas sustancias orgánicas. En hidrocarburos saturados y aromáticos, reemplaza al hidrógeno, formando un compuesto organoclorado y cloruro de hidrógeno, y se agrega a los hidrocarburos insaturados en el sitio de un doble o triple enlace.
A temperaturas muy altas, el cloro elimina completamente el hidrógeno del carbono. Esto produce cloruro de hidrógeno y hollín. Por lo tanto, la cloración de hidrocarburos a alta temperatura siempre va acompañada de formación de hollín.
El cloro es un agente oxidante fuerte, por lo que interactúa fácilmente con sustancias complejas, que incluyen elementos que pueden oxidarse a un estado de valencia superior:
2 FeCl 2 + Cl 2 \u003d 2 FeCl 3;
H 2 SO 3 + Cl 2 + H 2 O \u003d H 2 SO 4 + 2 HCl.
Cloro (del griego χλωρ? ς - "verde") - un elemento del subgrupo principal del séptimo grupo, el tercer período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev, con número atómico 17. Está designado por el símbolo Cl (lat. Cloro). No metal reactivo. Se incluye en el grupo de halógenos (originalmente el químico alemán Schweiger usó el nombre "halógeno" para el cloro [literalmente "halógeno" se traduce como soleod], pero no echó raíces y más tarde se volvió común para el grupo VII de elementos, que incluye el cloro).
La sustancia simple cloro (número CAS: 7782-50-5) en condiciones normales es un gas venenoso de color verde amarillento, con un olor acre. La molécula de cloro es diatómica (fórmula Cl 2).
Historia del descubrimiento de cloro
Por primera vez, J. Prisley recolectó cloruro de hidrógeno anhidro gaseoso en 1772. (sobre mercurio líquido). El cloro fue obtenido por primera vez en 1774 por Scheele, quien describió su liberación durante la interacción de la pirolusita con el ácido clorhídrico en su tratado sobre pirolusita:
4HCl + MnO 2 \u003d Cl 2 + MnCl 2 + 2H 2 O
Scheele notó el olor a cloro, similar al olor del agua regia, su capacidad para interactuar con el oro y el cinabrio y sus propiedades blanqueadoras.
Sin embargo, Scheele, de acuerdo con la teoría del flogisto que prevalecía en la química en ese momento, sugirió que el cloro es ácido clorhídrico desflogistizado, es decir, óxido de ácido clorhídrico. Berthollet y Lavoisier sugirieron que el cloro es un óxido del elemento muriaSin embargo, los intentos de aislarlo no tuvieron éxito hasta el trabajo de Davy, quien pudo descomponer la sal de mesa en sodio y cloro por electrólisis.
Distribución en la naturaleza
En la naturaleza, existen dos isótopos de cloro 35 Cl y 37 Cl. El cloro es el halógeno más abundante en la corteza terrestre. El cloro es muy activo: se combina directamente con casi todos los elementos de la tabla periódica. Por lo tanto, en la naturaleza, se presenta solo en forma de compuestos en la composición de minerales: halita NaCl, sylvin KCl, silvinita KCl NaCl, bischofita MgCl 2 6H2O, carnalita KCl MgCl 2 6H 2 O, kainita KCl MgSO 4 3H 2 O. Las mayores reservas de cloro están contenidas en la composición de las sales de las aguas de los mares y océanos (el contenido en agua de mar es de 19 g / l). El cloro representa el 0.025% del número total de átomos en la corteza terrestre, el número de cloro clarke es 0.017% y el cuerpo humano contiene 0.25% de iones de cloro en peso. En humanos y animales, el cloro se encuentra principalmente en los fluidos intercelulares (incluida la sangre) y juega un papel importante en la regulación de los procesos osmóticos, así como en los procesos asociados con el trabajo de las células nerviosas.
Propiedades físicas y físico-químicas
En condiciones normales, el cloro es un gas amarillo verdoso con un olor sofocante. Algunas de sus propiedades físicas se presentan en la tabla.
Algunas propiedades físicas del cloro
| Propiedad |
Valor |
|---|---|
| Color (gas) | Amarillo verde |
| Temperatura de ebullición | −34 ° C |
| La temperatura de fusión | −100 ° C |
| temperatura de descomposición (disociación en átomos) |
~ 1400 ° C |
| Densidad (gas, n.o.) | 3,214 g / l |
| Afinidad electrónica de un átomo | 3,65 eV |
| Primera energía de ionización | 12,97 eV |
| Calor específico (298 K, gas) | 34,94 (J / mol K) |
| Temperatura crítica | 144 ° C |
| Presión crítica | 76 cajeros automáticos |
| Entalpía estándar de formación (298 K, gas) | 0 (kJ / mol) |
| Entropía estándar de formación (298 K, gas) | 222,9 (J / mol K) |
| Entalpía de fusión | 6.406 (kJ / mol) |
| Entalpía de ebullición | 20,41 (kJ / mol) |
| Energía de escisión del enlace homolítico Х-Х | 243 (kJ / mol) |
| Energía de escisión del enlace heterolítico Х-Х | 1150 (kJ / mol) |
| Energía de ionización | 1255 (kJ / mol) |
| Energía de afinidad electrónica | 349 (kJ / mol) |
| Radio atómico | 0.073 (nanómetro) |
| Electronegatividad de Pauling | 3,20 |
| Electronegatividad Allred-Rohov | 2,83 |
| Estados de oxidación estables | -1, 0, +1, +3, (+4), +5, (+6), +7 |
El cloro gaseoso se licua con relativa facilidad. A partir de una presión de 0,8 MPa (8 atmósferas), el cloro será líquido ya a temperatura ambiente. El cloro también se vuelve líquido cuando se enfría a -34 ° C a presión atmosférica normal. El cloro líquido es un líquido de color amarillo verdoso con un efecto corrosivo muy alto (debido a la alta concentración de moléculas). Al aumentar la presión, es posible lograr la existencia de cloro líquido hasta una temperatura de +144 ° C (temperatura crítica) a una presión crítica de 7,6 MPa.
A temperaturas inferiores a −101 ° C, el cloro líquido cristaliza en una red ortorrómbica con un grupo espacial Cmca y parámetros a \u003d 6,29 Å b \u003d 4,50 Å, c \u003d 8,21 Å. Por debajo de 100 K, la modificación ortorrómbica del cloro cristalino se transforma en una tetragonal, que tiene un grupo espacial P4 2 / ncm y parámetros de red a \u003d 8,56 Å yc \u003d 6,12 Å.
Solubilidad
El grado de disociación de la molécula de cloro es Cl 2 → 2Cl. A 1000 K es 2,07 × 10 −4% y a 2500 K 0,909%.
El umbral de percepción del olor en el aire es 0,003 (mg / l).
En términos de conductividad eléctrica, el cloro líquido se encuentra entre los aislantes más fuertes: conduce la corriente casi mil millones de veces peor que el agua destilada y 10 22 veces peor que la plata. La velocidad del sonido en el cloro es aproximadamente una vez y media menor que en el aire.
Propiedades químicas
Estructura de carcasa electrónica
El nivel de valencia del átomo de cloro contiene 1 electrón desapareado: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5, por lo que la valencia igual a 1 para el átomo de cloro es muy estable. Debido a la presencia de un orbital de subnivel d desocupado en el átomo de cloro, el átomo de cloro puede exhibir otras valencias. Esquema de formación de estados excitados de un átomo:
También se conocen compuestos de cloro en los que el átomo de cloro presenta formalmente valencias de 4 y 6, por ejemplo ClO 2 y Cl 2 O 6. Sin embargo, estos compuestos son radicales, lo que significa que tienen un electrón desapareado.
Interacción con metales
El cloro reacciona directamente con casi todos los metales (con algunos solo en presencia de humedad o cuando se calienta):
Cl 2 + 2Na → 2NaCl 3Cl 2 + 2Sb → 2SbCl 3 3Cl 2 + 2Fe → 2FeCl 3
Interacción con no metales
Con los no metales (excepto carbono, nitrógeno, oxígeno y gases inertes), forma los correspondientes cloruros.
Cuando se expone a la luz o al calor, reacciona activamente (a veces con una explosión) con el hidrógeno mediante un mecanismo de radicales. Las mezclas de cloro-hidrógeno que contienen de 5,8 a 88,3% de hidrógeno explotan tras la irradiación con la formación de cloruro de hidrógeno. Una mezcla de cloro e hidrógeno en pequeñas concentraciones arde con una llama incolora o de color amarillo verdoso. Temperatura máxima de la llama de hidrógeno-cloro 2200 ° C.:
Cl 2 + H 2 → 2HCl 5Cl 2 + 2P → 2PCl 5 2S + Cl 2 → S 2 Cl 2
Con el oxígeno, el cloro forma óxidos en los que presenta un estado de oxidación de +1 a +7: Cl 2 O, ClO 2, Cl 2 O 6, Cl 2 O 7. Tienen un olor acre, son térmica y fotoquímicamente inestables y son propensos a la descomposición explosiva.
Al reaccionar con flúor, no se forma cloruro, sino fluoruro:
Cl 2 + 3F 2 (g) → 2ClF 3
Otras propiedades
El cloro desplaza el bromo y el yodo de sus compuestos con hidrógeno y metales:
Cl 2 + 2HBr → Br 2 + 2HCl Cl 2 + 2NaI → I 2 + 2NaCl
Al reaccionar con el monóxido de carbono, se forma fosgeno:
Cl 2 + CO → COCl 2
Cuando se disuelve en agua o álcalis, el cloro se dismuta, formando ácidos hipocloroso (y cuando se calienta, perclórico) y clorhídrico o sus sales:
Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO 3Cl 2 + 6NaOH → 5NaCl + NaClO 3 + 3H 2 O
La cloración de hidróxido de calcio seco produce lejía:
Cl 2 + Ca (OH) 2 → CaCl (OCl) + H 2 O
El efecto del cloro sobre el amoníaco puede producir tricloruro de nitrógeno:
4NH 3 + 3Cl 2 → NCl 3 + 3NH 4 Cl
Propiedades oxidantes del cloro
El cloro es un agente oxidante muy fuerte.
Cl 2 + H 2 S → 2HCl + S
Reacciones con sustancias orgánicas
Con compuestos saturados:
CH 3 -CH 3 + Cl 2 → C 2 H 5 Cl + HCl
Une compuestos insaturados en múltiples enlaces:
CH 2 \u003d CH 2 + Cl 2 → Cl-CH 2 -CH 2 -Cl
Los compuestos aromáticos reemplazan el átomo de hidrógeno con cloro en presencia de catalizadores (por ejemplo, AlCl 3 o FeCl 3):
C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl
Métodos de obtención
Métodos industriales
Inicialmente, el método industrial para producir cloro se basaba en el método Scheele, es decir, la reacción de pirolusita con ácido clorhídrico:
MnO 2 + 4HCl → MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O
En 1867, Deacon desarrolló un método para producir cloro por oxidación catalítica de cloruro de hidrógeno con oxígeno atmosférico. El proceso Deacon se usa actualmente para recuperar cloro del cloruro de hidrógeno, un subproducto de la cloración industrial de compuestos orgánicos.
4HCl + O 2 → 2H 2 O + 2Cl 2
Hoy en día, el cloro se produce a escala industrial junto con hidróxido de sodio e hidrógeno por electrólisis de una solución de cloruro de sodio:
2NaCl + 2H 2 О → H 2 + Cl 2 + 2NaOH Ánodo: 2Cl - - 2е - → Cl 2 0 Cátodo: 2H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH -
Dado que la electrólisis del agua tiene lugar en paralelo con la electrólisis del cloruro de sodio, la ecuación total se puede expresar de la siguiente manera:
1,80 NaCl + 0,50 H 2 O → 1,00 Cl 2 + 1,10 NaOH + 0,03 H 2
Se utilizan tres variantes del método electroquímico para la producción de cloro. Dos de ellos son electrólisis de cátodo sólido: métodos de diafragma y membrana, el tercero es electrólisis de cátodo de mercurio líquido (método de producción de mercurio). Entre los métodos de producción electroquímica, el método más fácil y conveniente es la electrólisis con un cátodo de mercurio, pero este método causa un daño significativo al medio ambiente a través de la evaporación y la fuga de mercurio metálico.
Método de diafragma de cátodo sólido
La cavidad del electrolizador está dividida por una partición de amianto porosa, un diafragma, en el espacio del cátodo y el ánodo, donde se encuentran respectivamente el cátodo y el ánodo del electrolizador. Por lo tanto, dicho electrolizador a menudo se llama electrólisis de diafragma y el método de producción se llama electrólisis de diafragma. Se alimenta continuamente una corriente de anolito saturado (solución de NaCl) al espacio anódico del electrolizador de diafragma. Como resultado del proceso electroquímico, se libera cloro en el ánodo debido a la descomposición de la halita, y se libera hidrógeno en el cátodo debido a la descomposición del agua. En este caso, la zona del cátodo se enriquece con hidróxido de sodio.
Método de membrana de cátodo sólido
El método de la membrana es esencialmente similar al método del diafragma, pero los espacios del ánodo y del cátodo están separados por una membrana de polímero de intercambio catiónico. La producción de membranas es más eficiente que el diafragma, pero más difícil de usar.
Método de cátodo líquido de mercurio
El proceso se realiza en un baño electrolítico, que consta de un electrolizador, un descomponedor y una bomba de mercurio, interconectados por comunicaciones. En el baño electrolítico, el mercurio circula bajo la acción de una bomba de mercurio, pasando por el electrolizador y el descomponedor. El cátodo del electrolizador es una corriente de mercurio. Ánodos: grafito o de bajo desgaste. Junto con el mercurio, una corriente de anolito, una solución de cloruro de sodio, fluye continuamente a través del electrolizador. Como resultado de la descomposición electroquímica del cloruro, se forman moléculas de cloro en el ánodo y, en el cátodo, el sodio liberado se disuelve en mercurio, formando una amalgama.
Métodos de laboratorio
En los laboratorios de producción de cloro, se suelen utilizar procesos basados \u200b\u200ben la oxidación del cloruro de hidrógeno con oxidantes fuertes (por ejemplo, óxido de manganeso (IV), permanganato de potasio, dicromato de potasio):
2KMnO 4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl 2 + 5Cl 2 + 8H 2 O K 2 Cr 2 O 7 + 14HCl → 3Cl 2 + 2KCl + 2CrCl 3 + 7H 2 O
Almacenamiento de cloro
El cloro producido se almacena en "tanques" especiales o se bombea a cilindros de acero de alta presión. Los cilindros con cloro líquido a presión tienen un color especial: el color del pantano. Cabe señalar que durante el funcionamiento a largo plazo de los cilindros de cloro, se acumula tricloruro de nitrógeno extremadamente explosivo en ellos y, por lo tanto, de vez en cuando, los cilindros de cloro deben someterse a un lavado y purificación de cloruro de nitrógeno de rutina.
Estándares de calidad del cloro
Según GOST 6718-93 “Cloro líquido. Especificaciones "se producen los siguientes grados de cloro
Solicitud
El cloro se utiliza en muchas industrias, la ciencia y las necesidades del hogar:
- En la producción de cloruro de polivinilo, compuestos plásticos, caucho sintético, de los que están hechos: aislamiento para cables, perfiles de ventanas, materiales de embalaje, ropa y zapatos, discos de linóleo y gramófono, barnices, equipos y poliestireno, juguetes, piezas de instrumentos, materiales de construcción. El cloruro de polivinilo se produce polimerizando cloruro de vinilo, que en la actualidad se obtiene con mayor frecuencia a partir de etileno mediante un método de cloro equilibrado a través de un intermedio 1,2-dicloroetano.
- Las propiedades blanqueadoras del cloro se conocen desde hace mucho tiempo, aunque no es el cloro en sí el que “blanquea”, sino el oxígeno atómico, que se forma durante la descomposición del ácido hipocloroso: Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO → 2HCl + O .. Este método de blanqueo de tejidos, papel, el cartón se ha utilizado durante varios siglos.
- Producción de insecticidas organoclorados: sustancias que matan insectos dañinos para los cultivos, pero que son seguras para las plantas. Una parte importante del cloro producido se consume para obtener productos fitosanitarios. Uno de los insecticidas más importantes es el hexaclorociclohexano (a menudo llamado hexaclorán). Esta sustancia fue sintetizada por primera vez en 1825 por Faraday, pero uso práctico encontrado solo después de más de 100 años, en los años 30 del siglo XX.
- Se utilizó como agente de guerra química, así como para la producción de otros agentes de guerra química: gas mostaza, fosgeno.
- Para desinfección de agua - "cloración". La forma más común de desinfectar el agua potable; basado en la capacidad del cloro libre y sus compuestos para inhibir los sistemas enzimáticos de los microorganismos que catalizan los procesos redox. Para desinfectar el agua potable, utilice: cloro, dióxido de cloro, cloramina y lejía. SanPiN 2.1.4.1074-01 establece los siguientes límites (corredor) del contenido permisible de cloro residual libre en el agua potable de suministro de agua centralizado 0.3 - 0.5 mg / l. Varios científicos e incluso políticos en Rusia critican el concepto mismo de cloración del agua del grifo, pero no pueden ofrecer una alternativa a las secuelas desinfectantes de los compuestos de cloro. Los materiales con los que se fabrican las tuberías de agua interactúan de diferentes formas con el agua del grifo clorada. El cloro libre en el agua del grifo reduce significativamente la vida útil de las tuberías a base de poliolefinas: varios tipos de tuberías de polietileno, incluido el polietileno reticulado, las grandes conocidas como PEX (PE-X). En los EE. UU., Para controlar la admisión de tuberías de materiales poliméricos para su uso en tuberías de agua con agua clorada, se vieron obligados a adoptar 3 normas: ASTM F2023 para tuberías de polietileno reticulado (PEX) y agua clorada caliente, ASTM F2263 para todas las tuberías de polietileno y agua clorada y ASTM F2330 para tuberías multicapa (metal-polímero) y agua clorada caliente. En términos de durabilidad al interactuar con agua clorada, las tuberías de agua de cobre muestran resultados positivos.
- Registrado como aditivo alimentario en la industria alimentaria E925.
- En la producción química de ácido clorhídrico, lejía, sal de berthollet, cloruros metálicos, venenos, medicamentos, fertilizantes.
- En metalurgia para la producción de metales puros: titanio, estaño, tantalio, niobio.
- Como indicador de neutrinos solares en detectores de cloro-argón.
Muchos países desarrollados están tratando de limitar el uso de cloro en el hogar, incluso porque al quemar desechos que contienen cloro, se forma una cantidad significativa de dioxinas.
Papel biológico
El cloro es uno de los elementos biogénicos más importantes y forma parte de todos los organismos vivos.
En animales y seres humanos, los iones de cloro participan en el mantenimiento del equilibrio osmótico; el ión de cloruro tiene un radio óptimo para penetrar a través de la membrana celular. Esto explica su participación conjunta con los iones de sodio y potasio en la creación de presión osmótica constante y la regulación del metabolismo agua-sal. Bajo la influencia de GABA (un neurotransmisor), los iones de cloro tienen un efecto inhibidor sobre las neuronas al reducir el potencial de acción. En el estómago, los iones de cloro crean un entorno favorable para la acción de las enzimas proteolíticas en el jugo gástrico. Los canales de cloro están presentes en muchos tipos de células, membranas mitocondriales y músculo esquelético. Estos canales funcionan funciones importantes En la regulación del volumen de líquido, el transporte transepitelial de iones y la estabilización de los potenciales de membrana intervienen en el mantenimiento del pH de las células. El cloro se acumula en el tejido visceral, la piel y los músculos esqueléticos. El cloro se absorbe principalmente en el intestino grueso. La absorción y excreción de cloro están estrechamente relacionadas con los iones y bicarbonatos de sodio, en menor medida con los mineralocorticoides y la actividad de Na + / K + - ATPasa. Las células acumulan el 10-15% de todo el cloro, de esta cantidad de 1/3 a 1/2 - en eritrocitos. Aproximadamente el 85% del cloro se encuentra en el espacio extracelular. El cloro se excreta del cuerpo principalmente con la orina (90-95%), las heces (4-8%) y a través de la piel (hasta un 2%). La excreción de cloro está asociada con iones de sodio y potasio, y recíprocamente con HCO 3 - (equilibrio ácido-base).
Una persona consume de 5 a 10 g de NaCl por día. El requerimiento humano mínimo de cloro es de aproximadamente 800 mg por día. El bebé recibe la cantidad necesaria de cloro a través de la leche materna, que contiene 11 mmol / L de cloro. El NaCl es necesario para la producción de ácido clorhídrico en el estómago, que ayuda en la digestión y la destrucción de las bacterias que causan enfermedades. Actualmente, la participación del cloro en la aparición de determinadas enfermedades en humanos no se comprende bien, principalmente debido al escaso número de estudios. Baste decir que ni siquiera se han desarrollado recomendaciones para el consumo diario de cloro. El tejido muscular humano contiene 0,20-0,52% de cloro, hueso - 0,09%; en sangre - 2,89 g / l. En el cuerpo de una persona promedio (peso corporal 70 kg) 95 g de cloro. Todos los días una persona recibe 3-6 g de cloro de los alimentos, que en exceso cubre la necesidad de este elemento.
Los iones de cloro son vitales para las plantas. El cloro participa en el metabolismo energético de las plantas, activando la fosforilación oxidativa. Es necesario para la formación de oxígeno en el proceso de fotosíntesis por cloroplastos aislados, estimula los procesos auxiliares de la fotosíntesis, principalmente los asociados con la acumulación de energía. El cloro tiene un efecto positivo en la absorción de oxígeno por las raíces, potasio, calcio, compuestos de magnesio. Una concentración excesiva de iones de cloro en las plantas también puede tener un lado negativo, por ejemplo, reducir el contenido de clorofila, reducir la actividad de la fotosíntesis y retardar el crecimiento y desarrollo de las plantas.
Pero hay plantas que, en el proceso de evolución, o bien se adaptaron a la salinidad del suelo o, en la lucha por el espacio, ocuparon marismas vacías en las que no hay competencia. Las plantas que crecen en suelos salinos se llaman halófitas, acumulan cloruros durante la temporada de crecimiento y luego eliminan el exceso a través de la caída de las hojas o liberan cloruros en la superficie de hojas y ramas y obtienen el doble beneficio de sombrear la superficie de la luz solar.
Entre los microorganismos, también se conocen los halófilos, halobacterias, que viven en aguas o suelos muy salinos.
Características del trabajo y precauciones.
El cloro es un gas asfixiante tóxico, cuando ingresa a los pulmones provoca quemaduras en el tejido pulmonar, asfixia. Tiene un efecto irritante en el tracto respiratorio a una concentración en el aire de aproximadamente 0,006 mg / l (es decir, el doble del umbral de olor a cloro). El cloro fue uno de los primeros agentes de guerra química utilizados por Alemania en la Primera Guerra Mundial. Cuando trabaje con cloro, debe usar ropa protectora, una máscara de gas, guantes. Por poco tiempo, puede proteger el sistema respiratorio de la entrada de cloro con un trapo humedecido con una solución de sulfito de sodio Na 2 SO 3 o tiosulfato de sodio Na 2 S 2 O 3.
Límite de concentración máxima de cloro aire atmosférico lo siguiente: promedio diario - 0.03 mg / m³; máximo una vez - 0,1 mg / m³; en las salas de trabajo de una empresa industrial - 1 mg / m³.
El cloro fue obtenido por primera vez en 1772 por Scheele, quien describió su liberación durante la interacción de pirolusita con ácido clorhídrico en su tratado sobre pirolusita: 4HCl + MnO 2 \u003d Cl 2 + MnCl 2 + 2H 2 O
Scheele notó el olor a cloro, similar al olor del agua regia, su capacidad para interactuar con el oro y el cinabrio y sus propiedades blanqueadoras. Sin embargo, Scheele, de acuerdo con la teoría del flogisto que prevalecía en la química en ese momento, sugirió que el cloro era ácido clorhídrico desflogistizado, es decir, óxido de ácido clorhídrico.
Berthollet y Lavoisier sugirieron que el cloro es un óxido del elemento murio, pero los intentos de aislarlo no tuvieron éxito hasta el trabajo de Davy, quien, mediante electrólisis, logró descomponer la sal de mesa en sodio y cloro.
El nombre del elemento proviene del griego clwroz - "verde".
Estar en la naturaleza, conseguir:
El cloro natural es una mezcla de dos isótopos, 35 Cl y 37 Cl. El cloro es el halógeno más abundante en la corteza terrestre. Dado que el cloro es muy activo, en la naturaleza solo se presenta en forma de compuestos en la composición de minerales: halita NaCl, silvinita KCl, silvinita KCl NaCl, bischofita MgCl 2 6H 2 O, carnalita KCl MgCl 2 6H 2 O, kainita KCl MgSO 4 · 3H 2 O. Las mayores reservas de cloro están contenidas en la composición de las sales de las aguas de los mares y océanos.
A escala industrial, el cloro se obtiene junto con hidróxido de sodio e hidrógeno durante la electrólisis de una solución de cloruro de sodio:
2NaCl + 2H 2 O \u003d\u003e H 2 + Cl 2 + 2NaOH
Para la recuperación de cloro a partir del cloruro de hidrógeno, que es un subproducto de la cloración industrial de compuestos orgánicos, se utiliza el proceso Deacon (oxidación catalítica del cloruro de hidrógeno con oxígeno atmosférico):
4HCl + O 2 \u003d 2H 2 O + 2Cl 2
En los laboratorios se suelen utilizar procesos basados \u200b\u200ben la oxidación del cloruro de hidrógeno con oxidantes fuertes (por ejemplo, óxido de manganeso (IV), permanganato de potasio, dicromato de potasio):
2KMnO 4 + 16HCl \u003d 5Cl 2 + 2MnCl 2 + 2KCl + 8H 2 O
K 2 Cr 2 O 7 + 14HCl \u003d 3Cl 2 + 2CrCl 3 + 2KCl + 7H 2 O
Propiedades físicas:
En condiciones normales, el cloro es un gas amarillo verdoso con un olor sofocante. El cloro se disuelve notablemente en agua ("agua con cloro"). A 20 ° C, se disuelven 2,3 volúmenes de cloro en un volumen de agua. Punto de ebullición \u003d -34 ° C; punto de fusión \u003d -101 ° C, densidad (gas, n.o.) \u003d 3.214 g / l.
Propiedades químicas:
El cloro es muy activo: se combina directamente con casi todos los elementos de la tabla periódica, metales y no metales (excepto carbono, nitrógeno, oxígeno y gases inertes). El cloro es un agente oxidante muy fuerte, que desplaza los no metales menos activos (bromo, yodo) de sus compuestos con hidrógeno y metales:
Cl2 + 2HBr \u003d Br2 + 2HCl; Cl 2 + 2NaI \u003d I 2 + 2NaCl
Cuando se disuelve en agua o álcalis, el cloro se dismuta, formando ácidos hipocloroso (y cuando se calienta, perclórico) y clorhídrico, o sus sales.
Cl _ {2} + H _ {2} O HClO + HCl;
El cloro interactúa con muchos compuestos orgánicos, entrando en reacciones de sustitución o adición:
CH 3 -CH 3 + xCl 2 \u003d\u003e C 2 H 6-x Cl x + xHCl
CH 2 \u003d CH 2 + Cl 2 \u003d\u003e Cl-CH 2 -CH 2 -Cl
C 6 H 6 + Cl 2 \u003d\u003e C 6 H 6 Cl + HCl
El cloro tiene siete estados de oxidación: -1, 0, +1, +3, +4, +5, +7.
Las conexiones más importantes:
Cloruro de hidrógeno HCl - un gas incoloro, humea en el aire debido a la formación de gotitas de niebla con vapor de agua. Tiene un olor acre, muy irritante para el tracto respiratorio. Contenido en gases y aguas volcánicas, en jugo gástrico. Las propiedades químicas dependen del estado en que se encuentre (puede estar en estado gaseoso, líquido o en solución). La solución de HCl se llama ácido clorhídrico (clorhídrico)... Es un ácido fuerte que desplaza a los ácidos más débiles de sus sales. Sales - cloruros - Sustancias sólidas cristalinas con altos puntos de fusión.
Cloruros covalentes - compuestos de cloro con no metales, gases, líquidos o sólidos de bajo punto de fusión con propiedades ácidas características, por regla general, fácilmente hidrolizados con agua para formar ácido clorhídrico:
PCl5 + 4H2O \u003d H3PO4 + 5HCl;
Óxido de cloro (I) Cl 2 O., el gas es de color amarillo parduzco con un olor acre. Afecta los órganos respiratorios. Fácilmente soluble en agua, formando ácido hipocloroso.
Ácido hipocloroso HClO... Existe solo en soluciones. Es un ácido débil e inestable. Se descompone fácilmente en ácido clorhídrico y oxígeno. Agente oxidante fuerte. Se forma cuando el cloro se disuelve en agua. Sales - hipocloritos, inestable (NaClO * H 2 O se descompone con una explosión a 70 ° C), agentes oxidantes fuertes. Ampliamente utilizado para blanquear y desinfectar. polvo de blanquear, sal mixta Ca (Cl) OCl
Ácido cloroso HClO 2, en forma libre es inestable, incluso en una solución acuosa diluida, se descompone rápidamente. Ácido de concentración media, sales - cloritossuelen ser incoloras y fácilmente solubles en agua. En contraste con los hipocloritos, los cloritos exhiben propiedades oxidantes pronunciadas solo en un ambiente ácido. La mayor aplicación (para blanquear tejidos y pulpa de papel) es el clorito de sodio NaClO 2.
Óxido de cloro (IV) ClO 2, - gas amarillo verdoso con un olor desagradable (acre), ...
Ácido clórico, HClO 3 - inestable en forma libre: desproporcionado a ClO 2 y HClO 4. Sales - cloratos; de ellos mayor valor tienen cloratos de sodio, potasio, calcio y magnesio. Estos son oxidantes fuertes, explosivos cuando se mezclan con agentes reductores. Cloruro de potasio ( sal de berthollet) - KClO 3, se utilizó para obtener oxígeno en el laboratorio, pero debido al alto peligro se dejó de utilizar. Las soluciones de clorato de potasio se han utilizado como medicina externa antiséptica suave para hacer gárgaras.
Ácido perclórico HClO 4, en soluciones acuosas, el ácido perclórico es el más estable de todos los ácidos clorados que contienen oxígeno. El ácido perclórico anhidro, que se obtiene con ácido sulfúrico concentrado a partir de HClO 4 al 72%, no es muy estable. Es el ácido monobásico más fuerte (en solución acuosa). Sales - percloratos, se utilizan como oxidantes (motores de cohetes de propulsante sólido).
Solicitud:
El cloro se utiliza en muchas industrias, la ciencia y las necesidades del hogar:
- En la producción de cloruro de polivinilo, compuestos plásticos, caucho sintético;
- Para blanquear tejidos y papeles;
- Producción de insecticidas organoclorados: sustancias que matan insectos dañinos para los cultivos, pero seguros para las plantas;
- Para la desinfección del agua - "cloración";
- En la industria alimentaria está registrado como aditivo alimentario E925;
- En la producción química de ácido clorhídrico, lejía, sal de berthollet, cloruros metálicos, venenos, medicinas, fertilizantes;
- En metalurgia para la producción de metales puros: titanio, estaño, tantalio, niobio.
Papel biológico y toxicidad:
El cloro es uno de los elementos biogénicos más importantes y forma parte de todos los organismos vivos. En animales y seres humanos, los iones de cloro participan en el mantenimiento del equilibrio osmótico; el ión de cloruro tiene un radio óptimo para penetrar en la membrana celular. Los iones de cloro son vitales para las plantas, participan en el metabolismo energético de las plantas, activando la fosforilación oxidativa.
El cloro en forma de sustancia simple es venenoso, cuando ingresa a los pulmones provoca una quemadura del tejido pulmonar, asfixia. Tiene un efecto irritante en el tracto respiratorio a una concentración en el aire de aproximadamente 0,006 mg / l (es decir, el doble del umbral de olor a cloro). El cloro fue uno de los primeros agentes de guerra química utilizados por Alemania en la Primera Guerra Mundial.
Korotkova Y., Shvetsova I.
Universidad Estatal KhF Tyumen, grupo 571.
Fuentes: Wikipedia: http://ru.wikipedia.org/wiki/Cl et al.,
El sitio de la RCTU que lleva el nombre D. I. Mendeleeva:
Ministerio de Educación y Ciencia de la FEDERACIÓN RUSA
ESTADO FEDERAL presupuestario INSTITUCIÓN EDUCATIVA DE EDUCACIÓN PROFESIONAL SUPERIOR
UNIVERSIDAD ESTATAL QUÍMICO-TECNOLÓGICA DE IVANOVSK
Departamento de TP y MET
resumen
Cloro: propiedades, aplicación, producción
Jefe: A. M. Efremov
Ivanovo 2015
Introducción
Información general sobre el cloro
Aplicación de cloro
Métodos químicos para producir cloro.
Electrólisis. El concepto y esencia del proceso
Producción de cloro
Seguridad en la producción y protección de cloro medio ambiente
Conclusión
Introducción
electrólisis de elementos químicos de cloro
Debido a la escala del uso de cloro en varios campos de la ciencia, la industria, la medicina y la vida cotidiana, la demanda en tiempos recientes aumentó dramaticamente. Existen muchos métodos para producir cloro por laboratorio y métodos industrialessin embargo, todos tienen más desventajas que ventajas. La producción de cloro, por ejemplo, a partir del ácido clorhídrico, que es un subproducto y desperdicio de muchas industrias químicas y de otro tipo, o la sal de mesa producida en depósitos de sal, es un proceso que consume bastante energía, dañino desde el punto de vista del medio ambiente y muy peligroso para la vida y la salud.
En la actualidad, el problema de desarrollar una tecnología de producción de cloro que elimine todas las desventajas anteriores y también tenga un alto rendimiento de cloro es muy urgente.
.Información general sobre el cloro
El cloro fue obtenido por primera vez en 1774 por K. Scheele mediante la interacción del ácido clorhídrico con pirolusita MnO2. Sin embargo, solo en 1810 G. Davy estableció que el cloro es un elemento y lo llamó cloro (del griego cloros - amarillo-verde). En 1813, J.L. Gay-Lussac propuso el nombre "Cloro" para este elemento.
El cloro es un elemento del grupo VII de la tabla periódica de elementos de D. I. Mendeleev. El peso molecular 70.906, el peso atómico 35.453, el número atómico 17, pertenece a la familia de los halógenos. En condiciones normales, el cloro libre, compuesto de moléculas diatómicas, es un gas incombustible de color amarillo verdoso con un olor acre e irritante característico. Es venenoso y sofocante. El cloro gaseoso comprimido a presión atmosférica se convierte en un líquido ámbar a -34,05 ° C, solidifica a -101,6 ° C y una presión de 1 atm. El cloro suele ser una mezcla de 75,53% de 35Cl y 24,47% de 37Cl. En condiciones normales, la densidad del cloro gaseoso es de 3,214 kg / m3, que es aproximadamente 2,5 veces más pesado que el aire.
Químicamente, el cloro es muy activo, se combina directamente con casi todos los metales (con algunos solo en presencia de humedad o cuando se calienta) y con no metales (excepto carbono, nitrógeno, oxígeno, gases inertes), formando los cloruros correspondientes, reacciona con muchos compuestos, reemplaza al hidrógeno en hidrocarburos saturados y se une a compuestos insaturados. Esto se debe a la amplia variedad de aplicaciones. El cloro desplaza el bromo y el yodo de sus compuestos con hidrógeno y metales. Los metales alcalinos, en presencia de trazas de humedad, interactúan con el cloro con inflamación, la mayoría de los metales reaccionan con el cloro seco solo cuando se calientan. El acero, así como algunos metales, son resistentes al cloro seco a bajas temperaturas, por lo que se utilizan para la fabricación de equipos y almacenamiento de cloro seco. El fósforo se enciende en una atmósfera de cloro, formando РCl3, y luego de cloración adicional - РСl5. El azufre con cloro cuando se calienta da S2Cl2, SCl2 y otros SnClm. El arsénico, el antimonio, el bismuto, el estroncio y el telurio interactúan vigorosamente con el cloro. Una mezcla de cloro e hidrógeno se quema con una llama incolora o de color amarillo verdoso para formar cloruro de hidrógeno (esta es una reacción en cadena). La temperatura máxima de la llama de hidrógeno-cloro es de 2200 ° C. Las mezclas de cloro-hidrógeno que contienen de 5,8 a 88,5% de H2 son explosivas y pueden explotar por la acción de la luz, chispas eléctricas, calentamiento, por la presencia de ciertas sustancias, por ejemplo, óxidos de hierro.
Con el oxígeno, el cloro forma óxidos: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, Cl2O8, así como hipocloritos (sales de ácido hipocloroso), cloritos, cloratos y percloratos. Todos los compuestos de cloro oxigenado forman mezclas explosivas con sustancias fácilmente oxidables. Los óxidos de cloro son inestables y pueden explotar espontáneamente, los hipocloritos se descomponen lentamente durante el almacenamiento, los cloratos y percloratos pueden explotar bajo la influencia de iniciadores. El cloro en el agua se hidroliza, formando ácidos hipocloroso y clorhídrico: Cl2 + H2O? HClO + HCl. La solución amarillenta resultante a menudo se llama agua con cloro. Cuando se cloran soluciones acuosas de álcalis en frío, se forman hipocloritos y cloruros: 2NaOH + Cl2 \u003d NaClO + NaCl + H2O, y cuando se calienta, cloratos. La cloración de hidróxido de calcio seco produce lejía. Cuando el amoníaco reacciona con el cloro, se forma tricloruro de nitrógeno. En la cloración de compuestos orgánicos, el cloro reemplaza al hidrógeno o se une a múltiples enlaces, formando varios compuestos orgánicos que contienen cloro. El cloro forma compuestos interhalógenos con otros halógenos. Los fluoruros de cloro ClF, ClF3, ClF3 son muy reactivos; por ejemplo, la lana de vidrio se enciende espontáneamente en una atmósfera de ClF3. Compuestos conocidos de cloro con oxígeno y flúor - oxifluoruros de cloro: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 y perclorato de flúor FC104.
El cloro se encuentra en la naturaleza solo en forma de compuestos. Su contenido medio en la corteza terrestre es de 1,7 · 10-2% en peso. La migración del agua juega un papel importante en la historia del cloro en la corteza terrestre. En forma de ion Cl-, está contenido en el Océano Mundial (1,93%), salmueras subterráneas y lagos salados. El número de sus propios minerales (principalmente cloruros naturales) es 97, el principal de los cuales es halita NaCl (sal de roca). También se conocen grandes depósitos de cloruros de potasio y magnesio y cloruros mixtos: silvinita KCl, silvinita (Na, K) Cl, carnalita KCl MgCl2 6H2O, kainita KCl MgSO4 3H2O, bischofita MgCl2 6H2O. En la historia de la Tierra, la afluencia de HCl contenido en gases volcánicos hacia las partes superiores de la corteza terrestre fue de gran importancia.
Estándares de calidad del cloro
Nombre del indicador GOST 6718-93 Grado más alto Primer grado Fracción de volumen de cloro, no menos,% 99.899.6 Fracción de masa de agua, no más,% 0.010.04 Fracción de masa de tricloruro de nitrógeno, no más,% 0.0020.004 Fracción de masa de residuo no volátil, no más,% 0 , 0150.10
Almacenamiento y transporte de cloro
El cloro producido por diversos métodos se almacena en "tanques" especiales o se bombea a cilindros de acero cilíndricos (10-250 m3) y esféricos (600-2000 m3) bajo una presión de vapor de 18 kgf / cm2. La capacidad máxima de almacenamiento es de 150 toneladas. Los cilindros con cloro líquido a presión tienen un color especial: un color protector. En el caso de una despresurización del cilindro de cloro, se produce una fuerte liberación de gas con una concentración que excede la concentración letal varias veces. Cabe señalar que, durante el funcionamiento a largo plazo de los cilindros de cloro, se acumula tricloruro de nitrógeno extremadamente explosivo en ellos y, por lo tanto, de vez en cuando los cilindros de cloro deben someterse a un lavado y purificación de cloruro de nitrógeno de rutina. El cloro se transporta en contenedores, cisternas ferroviarias, cilindros, que son su almacenamiento temporal.
2.Aplicación de cloro
El cloro es consumido principalmente por la industria química para la producción de diversos derivados orgánicos del cloro utilizados para la producción de plásticos, cauchos sintéticos, fibras químicas, solventes, insecticidas, etc. Actualmente, más del 60% de la producción mundial de cloro se utiliza para síntesis orgánica. Además, el cloro se utiliza para la producción de ácido clorhídrico, lejía, cloratos y otros productos. Cantidades significativas de cloro se destinan a la metalurgia para la cloración en el procesamiento de minerales polimetálicos, la extracción de oro de los minerales, y también se utiliza en la industria de refinación de petróleo, en la agricultura, en la medicina y el saneamiento, para la neutralización de las aguas potables y residuales, en la pirotecnia y en otras áreas de la economía nacional. ... Como resultado del desarrollo del uso del cloro, principalmente debido al éxito de la síntesis orgánica, la producción mundial de cloro supera los 20 millones de toneladas / año.
Los principales ejemplos de la aplicación y uso del cloro en todo tipo de ramas de la ciencia, industria y necesidades domésticas:
1.en la producción de cloruro de polivinilo, compuestos plásticos, caucho sintético, de los que están hechos: aislamiento para cables, perfiles de ventanas, materiales de embalaje, ropa y calzado, discos de linóleo y gramófono, barnices, equipos y poliestireno, juguetes, piezas de instrumentos, materiales de construcción. El cloruro de polivinilo se produce polimerizando cloruro de vinilo, que en la actualidad se obtiene con mayor frecuencia a partir de etileno mediante un método de cloro equilibrado a través de un intermedio 1,2-dicloroetano.
CH2 \u003d CH2 + Cl2 \u003d\u003e CH2Cl-CH2ClCl-CH2Cl \u003d\u003e CH2 \u003d CHCl + HCl
1)como agente blanqueador (aunque no el cloro en sí "blanquea", sino el oxígeno atómico, que se forma durante la descomposición del ácido hipocloroso mediante la reacción: Cl2 + H2O \\ Delta HCl + HClO \\ Delta 2HCl + O *).
2)en la producción de insecticidas organoclorados: sustancias que matan insectos dañinos para los cultivos, pero seguros para las plantas (aldrin, DDT, hexaclorán). Uno de los insecticidas más importantes es el hexaclorociclohexano (C6H6Cl6).
)se utiliza como agente de guerra química, así como para la producción de otros agentes de guerra química: gas mostaza (C4H8Cl2S), fosgeno (CCl2O).
)para la desinfección del agua - "cloración". El método más común para desinfectar el agua potable se basa en la capacidad del cloro libre y sus compuestos para inhibir los sistemas enzimáticos de los microorganismos que catalizan los procesos redox. Para desinfectar el agua potable, utilice: cloro (Cl2), dióxido de cloro (ClO2), cloramina (NH2Cl) y lejía (Ca (Cl) OCl).
)en la industria alimentaria está registrado como aditivo alimentario E925.
)en la producción química de sosa cáustica (NaOH) (utilizada en la producción de rayón, en la industria del jabón), ácido clorhídrico (HCl), lejía, sal de berthollet (KClO3), cloruros metálicos, venenos, medicamentos, fertilizantes.
)en metalurgia para la producción de metales puros: titanio, estaño, tantalio, niobio.
TiO2 + 2C + 2Cl2 \u003d\u003e TiCl4 + 2CO;
TiCl4 + 2Mg \u003d\u003e 2MgCl2 + Ti (a T \u003d 850 ° C)
)como indicador de neutrinos solares en detectores de cloro-argón (La idea de un "detector de cloro" para registrar neutrinos solares fue propuesta por el famoso físico soviético Académico B. Pontecorvo e implementada por el físico estadounidense R. Davis y sus colaboradores. Habiendo captado el núcleo de neutrinos del isótopo de cloro con un peso atómico de 37, se convierte en el núcleo del isótopo argón-37, con la formación de un electrón que se puede registrar).
Muchos países desarrollados están tratando de limitar el uso de cloro en la vida cotidiana, incluso porque al quemar basura que contiene cloro, una cantidad significativa de dioxinas (ecotoxicantes globales con un poderoso mutágeno
3.Métodos químicos de producción de cloro.
Anteriormente, la producción de cloro por medios químicos estaba muy extendida por los métodos de Weldon y Deacon. En estos procesos, el cloro se obtenía oxidando el cloruro de hidrógeno, que se forma como subproducto en la producción de sulfato de sodio a partir del cloruro de sodio por la acción del ácido sulfúrico.
el proceso de reacción cuando se utiliza el método Weldon:
4HCl + MnO2 \u003d\u003e MnCl2 + 2H2O + Cl2
el proceso de reacción cuando se utiliza el método Deacon:
НСl + O2 \u003d\u003e 2Н2O + 2Сl2
En el proceso Dikon, se utilizó como catalizador cloro cobre, con una solución al 50% del cual (a veces con la adición de NaCl) se impregna en un soporte cerámico poroso. La temperatura de reacción óptima para tal catalizador estaba normalmente en el intervalo de 430490 °. Este catalizador se envenena fácilmente con compuestos de arsénico, con los que forma arseniato de cobre inactivo, así como dióxido y trióxido de azufre. La presencia de incluso pequeñas cantidades de vapores de ácido sulfúrico en el gas provoca una fuerte disminución en el rendimiento de cloro como resultado de reacciones sucesivas:
H2SO4 \u003d\u003e SO2 + 1 / 2O2 + H2O + С12 + 2Н2O \u003d\u003e 2НCl + H2SO4
С12 + Н2O \u003d\u003e 1 / 2O2 + 2HCl
Por tanto, el ácido sulfúrico es un catalizador que promueve la conversión inversa de Cl2 en HCl. Por lo tanto, antes de la oxidación en un catalizador de cobre, el gas clorhídrico debe limpiarse a fondo de las impurezas que reducen el rendimiento de cloro.
La configuración de Deacon consistía en un calentador de gas, un filtro de gas y un aparato de contacto de carcasa cilíndrica de acero, dentro del cual había dos cilindros de cerámica dispuestos concéntricamente con agujeros; el espacio anular entre ellos está lleno de catalizador. El cloruro de hidrógeno se oxidó con aire, por lo que el cloro se diluyó. Se alimentó al aparato de contacto una mezcla que contenía 25% en volumen de HCl y 75% en volumen de aire (~ 16% O2), y el gas que salía del aparato contenía aproximadamente 8% de C12, 9% de HCl, 8% de vapor de agua y 75% de aire. ... Este gas, después de lavar con HCl y secar con ácido sulfúrico, se usó habitualmente para obtener lejía.
Actualmente, la restauración del proceso Deacon se basa en la oxidación del cloruro de hidrógeno no con aire, sino con oxígeno, lo que permite obtener cloro concentrado mediante catalizadores de gran actividad. La mezcla de cloro-oxígeno resultante se lava de los residuos de HCl sucesivamente con ácido clorhídrico al 36 y 20% y se seca con ácido sulfúrico. Luego, el cloro se licúa y el oxígeno se devuelve al proceso. La separación del cloro del oxígeno también se realiza absorbiendo el cloro a una presión de 8 atm con cloruro de azufre, que luego se regenera para obtener cloro al 100%:
Сl2 + S2CI2
Se utilizan catalizadores de baja temperatura, por ejemplo, dicloruro de cobre activado con sales de metales de tierras raras, lo que permite llevar a cabo el proceso incluso a 100 ° C y, por lo tanto, aumentar drásticamente el grado de conversión de HCl en Cl2. Sobre un catalizador de óxido de cromo, la combustión de HCl en oxígeno se lleva a cabo a 340480 ° C. Se describe el uso de un catalizador hecho de una mezcla de V2O5 con pirosulfatos de metales alcalinos y activadores sobre gel de sílice. Se ha estudiado el mecanismo y la cinética de este proceso y se han establecido las condiciones óptimas para su implementación, en particular, en un lecho fluidizado.
La oxidación del cloruro de hidrógeno con oxígeno también se lleva a cabo utilizando una mezcla fundida de FeCl3 + KCl en dos etapas, llevadas a cabo en reactores separados. En el primer reactor, el cloruro férrico se oxida para formar cloro:
2FeCl3 + 1
En el segundo reactor, el cloruro férrico se regenera a partir de óxido férrico con cloruro de hidrógeno:
O3 + 6HCI \u003d 2FeCl3 + 3H20
Para reducir la presión de vapor del cloruro férrico, se agrega cloruro de potasio. Se propone llevar a cabo este proceso también en un aparato, en el que la masa de contacto, que consiste en Fe2O3, KC1 y cloruro de cobre, cobalto o níquel, depositado sobre un soporte inerte, se mueve de arriba a abajo del aparato. En la parte superior del aparato, pasa a través de la zona de cloración caliente, donde el Fe2O3 se convierte en FeCl3, interactuando con el HCl, que se encuentra en el gas que fluye de abajo hacia arriba. Luego, la masa de contacto se baja a la zona de enfriamiento, donde, bajo la acción del oxígeno, se forma cloro elemental y el FeCl3 pasa a Fe2O3. La masa de contacto oxidada se devuelve a la zona de cloración.
Se lleva a cabo una oxidación indirecta similar de HCl a Cl2 de acuerdo con el esquema:
2HC1 + MgO \u003d MgCl2 + H2O
Se propuso obtener simultáneamente cloro y ácido sulfúrico pasando un gas que contiene HCl, O2 y un gran exceso de SO2 a través de un catalizador de vanadio a 400-600 ° C. Luego, el H2SO4 y el HSO3Cl se condensan del gas y el SO3 se absorbe con ácido sulfúrico; el cloro permanece en la fase gaseosa. El HSO3Cl se hidroliza y el HC1 liberado se devuelve al proceso.
La oxidación se lleva a cabo de forma aún más eficaz con oxidantes como PbO2, KMnO4, KClO3, K2Cr2O7:
2KMnO4 + 16HCl \u003d\u003e 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 ^ + 8H2O
El cloro también se puede obtener oxidando cloruros. Por ejemplo, cuando el NaCl y el SO3 interactúan, hay reacciones:
NaCl + 2SO3 \u003d 2NaSO3Cl
NaSO3Cl \u003d Cl2 + SO2 + Na2SO4
La descomposición de NaSO3Cl ocurre a 275 ° C. La mezcla de gases SO2 y C12 se puede separar absorbiendo cloro SO2Cl2 o CCl4 o sometiéndolo a rectificación, lo que da como resultado una mezcla azeotrópica que contiene 88 moles. % Cl2 y 12 mol. % SO2. La mezcla azeotrópica se puede separar adicionalmente convirtiendo SO2 en SO2C12 y separando el exceso de cloro, y descomponiendo SO2Cl2 a 200 ° en SO2 y Cl2, que se agregan a la mezcla enviada para rectificación.
El cloro se puede obtener oxidando cloruro o cloruro de hidrógeno con ácido nítrico, así como dióxido de nitrógeno:
ZNSl + HNO3 \u003d\u003e Сl2 + NOCl + 2Н2O
Otra forma de obtener cloro es la descomposición del cloruro de nitrosilo, que se puede lograr mediante su oxidación:
NOCl + O2 \u003d 2NO2 + Сl2
También se propone obtener cloro, por ejemplo, para oxidar NOCl con ácido nítrico al 75%:
2NOCl + 4HNO3 \u003d Сl2 + 6NO2 + 2Н2O
La mezcla de cloro y dióxido de nitrógeno se separa convirtiendo NO2 en ácido nítrico débil, que luego se usa para oxidar HCl en la primera etapa del proceso para formar Cl2 y NOCl. La principal dificultad para llevar a cabo este proceso a escala industrial es la eliminación de la corrosión. La cerámica, el vidrio, el plomo, el níquel y los plásticos se utilizan como materiales para los equipos. Según este método en los EE. UU. En 1952-1953. se encontraba en funcionamiento una unidad con una capacidad de 75 toneladas de cloro por día.
Un método cíclico para la producción de cloro por oxidación de cloruro de hidrógeno con ácido nítrico sin la formación de cloruro de nitrosilo por la reacción:
2HCl + 2HNO3 \u003d Сl2 + 2NO2 + 2H2O
El proceso se realiza en fase líquida a 80 ° C, el rendimiento de cloro alcanza el 100%, se obtiene NO2 en forma líquida.
Posteriormente, estos métodos fueron completamente reemplazados por métodos electroquímicos, pero en la actualidad, los métodos químicos para producir cloro están reviviendo nuevamente sobre una nueva base técnica. Todos ellos se basan en la oxidación directa o indirecta de HCl (o cloruros), siendo el oxidante más común el oxígeno atmosférico.
Electrólisis. El concepto y esencia del proceso
La electrólisis es un conjunto de procesos electroquímicos redox que se producen en los electrodos durante el paso de una corriente eléctrica directa a través de una masa fundida o solución con electrodos sumergidos en ella.
Figura: 4.1. Procesos de electrólisis. Circuito de baño de electrólisis: 1 - baño, 2 - electrolito, 3 - ánodo, 4 - cátodo, 5 - fuente de alimentación
Cualquier material que conduzca corriente eléctrica puede servir como electrodos. Los electrodos de metales y aleaciones más utilizados, de no metales, pueden ser, por ejemplo, varillas de grafito (o carbono). Con menos frecuencia, los líquidos se utilizan como electrodo. El electrodo cargado positivamente es el ánodo. El electrodo cargado negativamente es el cátodo. Durante la electrólisis, el ánodo se oxida (se disuelve) y el cátodo se reduce. Es por eso que el ánodo debe tomarse de tal manera que su disolución no afecte al proceso químico que tiene lugar en solución o fundido. Este ánodo se llama electrodo inerte. El grafito (carbono) o el platino se pueden tomar como ánodo inerte. Puede tomar una placa de metal como cátodo (no se disolverá). Cobre, latón, carbono (o grafito), zinc, hierro, aluminio, acero inoxidable servirán.
Ejemplos de electrólisis de fundidos:
Ejemplos de electrólisis de soluciones salinas:
(Los aniones Cl? Se oxidan en el ánodo, y no el oxígeno O? II de las moléculas de agua, ya que la electronegatividad del cloro es menor que la del oxígeno y, por lo tanto, el cloro cede electrones más fácilmente que el oxígeno)
La electrólisis del agua siempre se lleva a cabo en presencia de un electrolito inerte (para aumentar la conductividad eléctrica de un electrolito muy débil: el agua):
Dependiendo del electrolito inerte, la electrólisis se lleva a cabo en un ambiente neutro, ácido o alcalino. Al elegir un electrolito inerte, es necesario tener en cuenta que los cationes metálicos, que son agentes reductores típicos (por ejemplo, Li +, Cs +, K +, Ca2 +, Na +, Mg2 +, Al3 +) nunca se reducen en el cátodo en una solución acuosa, y el oxígeno O? II de los aniones oxoácidos nunca se oxida en el ánodo. con un elemento en el estado de oxidación más alto (por ejemplo, ClO4?, SO42?, NO3?, PO43?, CO32?, SiO44?, MnO4?), el agua se oxida en su lugar.
La electrólisis incluye dos procesos: la migración de partículas que reaccionan bajo la acción de un campo eléctrico a la superficie del electrodo y la transferencia de carga de partícula a electrodo o de electrodo a partícula. La migración de iones está determinada por su movilidad y número de transferencia. El proceso de transferencia de varias cargas eléctricas se lleva a cabo, por regla general, en forma de una secuencia de reacciones de un electrón, es decir, paso a paso, con la formación de partículas intermedias (iones o radicales), que a veces existen durante algún tiempo en el electrodo en un estado adsorbido.
Las velocidades de las reacciones de los electrodos dependen de:
composición de electrolitos
concentración de electrolitos
material del electrodo
potencial de electrodo
temperatura
condiciones hidrodinámicas.
La velocidad de las reacciones se mide por la densidad de corriente. Este es un vector físico, cuyo módulo está determinado por la relación entre la intensidad de la corriente (la cantidad de cargas eléctricas transferidas por unidad de tiempo) en el conductor y el área de la sección transversal.
Las leyes de la electrólisis de Faraday son relaciones cuantitativas basadas en la investigación electroquímica y ayudan a determinar la masa de productos formados durante la electrólisis. En la forma más general, las leyes se formulan de la siguiente manera:
)Primera ley de electrólisis de Faraday: la masa de una sustancia depositada en un electrodo durante la electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad transferida a este electrodo. La cantidad de electricidad es una carga eléctrica, generalmente medida en colgantes.
2)Segunda ley de la electrólisis de Faraday: para una determinada cantidad de electricidad (carga eléctrica), la masa de un elemento químico depositada sobre un electrodo es directamente proporcional a la masa equivalente del elemento. La masa equivalente de una sustancia es su masa molar dividida por un número entero, según la reacción química en la que interviene la sustancia.
En forma matemática, las leyes de Faraday se pueden representar de la siguiente manera:
donde m es la masa de la sustancia depositada en el electrodo en gramos, es la carga eléctrica total que pasa a través de la sustancia, \u003d 96 485,33 (83) C mol? 1 es la constante de Faraday, es la masa molar de la sustancia (Por ejemplo, la masa molar del agua H2O \u003d 18 g / mol), es el número de valencia de iones de la sustancia (el número de electrones por ion).
Tenga en cuenta que M / z es la masa equivalente de la sustancia depositada.
Para la primera ley de Faraday, M, F yz son constantes, por lo que cuanto mayor es el valor de Q, mayor es el valor de m.
Para la segunda ley de Faraday, Q, F yz son constantes, por lo que cuanto mayor es el valor de M / z (masa equivalente), mayor es el valor de m.
En el caso más simple, la electrólisis de corriente continua conduce a:
En el caso más complicado de una corriente eléctrica alterna, la carga total Q de la corriente I ( ?) se resume en el tiempo? :
donde t es el tiempo total de electrólisis.
En la industria, el proceso de electrólisis se realiza en dispositivos especiales - electrolizadores.
Producción de cloro
En la actualidad, el cloro se produce principalmente por electrólisis de soluciones acuosas, a saber, una de las
La materia prima para la producción electrolítica de cloro son principalmente soluciones de cloruro de sodio obtenidas disolviendo sal sólida o salmueras naturales. Hay tres tipos de depósitos de sal: sal fósil (alrededor del 99% de las reservas); lagos de sal con sedimentos de fondo de sal autodepositada (0,77%); el resto son divisiones subterráneas. Las soluciones salinas, independientemente de su forma de obtención, contienen impurezas que perjudican el proceso de electrólisis. En la electrólisis con un cátodo sólido, los cationes de calcio Ca2 +, Mg2 + y los aniones SO42- tienen un efecto particularmente desfavorable, y en la electrólisis con un cátodo líquido, impurezas de compuestos que contienen metales pesados, como cromo, vanadio, germanio y molibdeno.
La sal cristalina para electrólisis de cloro debe tener la siguiente composición (%): cloruro de sodio no menos de 97,5; Mg2 + no más de 0.05; asedio insoluble no más de 0,5; Ca2 + no más de 0,4; K + no más de 0,02; SO42 - no más de 0,84; humedad no más de 5; impureza de metales pesados \u200b\u200b(determinada por la muestra de amalgama cm3 H2) no más de 0,3. Las salmueras se limpian con una solución de sosa (Na2CO3) y lechada de cal (una suspensión de Ca (OH) 2 suspensión en agua). Además de la limpieza química, las soluciones se liberan de las impurezas mecánicas por sedimentación y filtración.
La electrólisis de las soluciones de cloruro de sodio se realiza en baños con cátodo sólido de hierro (o acero) y con diafragmas y membranas, en baños con cátodo de mercurio líquido. Los electrolizadores industriales utilizados para los equipos de los grandes talleres de cloro modernos deben tener una alta productividad, un diseño simple, ser compactos, operar de manera confiable y estable.
La electrólisis procede de acuerdo con el siguiente esquema:
MeCl + H2O \u003d\u003e MeOH + Cl2 + H2,
donde Me es un metal alcalino.
Durante la descomposición electroquímica de la sal común en electrolizadores con electrodos sólidos, ocurren las siguientes reacciones iónicas básicas, reversibles e irreversibles:
disociación de moléculas de sal y agua (entra en el electrolito)
NaCl-Na ++ Cl-
Oxidación de iones de cloro (en el ánodo)
C1- - 2- \u003d\u003e C12
reducción de iones de hidrógeno y moléculas de agua (en el cátodo)
H + - 2- \u003d\u003e H2
H2O - 2e - \u003d\u003e H2 + 2OH-
Asociación de iones en la molécula de hidróxido de sodio (en el electrolito)
Na + + OH- - NaOH
Productos útiles son hidróxido de sodio, cloro e hidrógeno. Todos ellos se retiran del electrolizador por separado.
Figura: 5.1. Diafragma electrolizador diagrama
La cavidad de un electrolizador con un cátodo sólido (Fig.3) está dividida por un
Los primeros electrolizadores industriales funcionaron en modo discontinuo. Los productos de electrólisis en ellos fueron separados por un diafragma de cemento. Posteriormente, se crearon electrolizadores, en los que particiones en forma de campana servían para separar los productos de electrólisis. En la siguiente etapa, aparecieron electrolizadores con un diafragma de flujo. Combinaron el principio de contraflujo con el uso de un diafragma de separación, que estaba hecho de cartón de amianto. Además, se descubrió un método para obtener un diafragma a partir de pulpa de amianto, tomado de la tecnología de la industria del papel. Este método permitió desarrollar diseños de electrolizadores para alta carga de corriente con un cátodo de dedo compacto no separable. Para aumentar la vida útil del diafragma de amianto, se propone introducir en su composición algunos materiales sintéticos como revestimiento o unión. También se ha propuesto que los diafragmas estén hechos completamente de nuevos materiales sintéticos. Existe evidencia de que tales diafragmas sintéticos combinados o asbosintéticos especialmente fabricados tienen una vida útil de hasta 500 días. También se están desarrollando diafragmas especiales de intercambio iónico, que permiten obtener sosa cáustica pura con un contenido muy bajo de cloruro de sodio. La acción de tales diafragmas se basa en el uso de sus propiedades selectivas para el paso de varios iones.
Los lugares de los contactos de los cables de corriente a los ánodos de grafito en los primeros diseños se tomaron de la cavidad del electrolizador. Posteriormente, se desarrollaron métodos para proteger las partes de contacto de los ánodos sumergidos en el electrolito. Usando estas técnicas, se crearon electrolizadores industriales con un cable de corriente más bajo, en los que los contactos del ánodo se ubican en la cavidad del electrolizador. Hoy en día se utilizan ampliamente para la producción de cloro y sosa cáustica en un cátodo sólido.
Se suministra continuamente una corriente de solución saturada de cloruro de sodio (salmuera purificada) al espacio del ánodo del electrolizador de diafragma. Como resultado del proceso electroquímico, se libera cloro en el ánodo debido a la descomposición de la sal común, y se libera hidrógeno en el cátodo debido a la descomposición del agua. El cloro y el hidrógeno se eliminan del electrolizador sin mezclarlos por separado. En este caso, la zona del cátodo está enriquecida con hidróxido de sodio. Una solución de la zona del cátodo, llamada licor electrolítico, que contiene sal de mesa sin descomponer (aproximadamente la mitad de la cantidad suministrada con la salmuera) e hidróxido de sodio, se extrae continuamente de la celda. En la siguiente etapa, el licor electrolítico se evapora y su contenido de NaOH se lleva al 42-50% de acuerdo con el estándar. La sal de mesa y el sulfato de sodio precipitan con una concentración creciente de hidróxido de sodio.
La solución de NaOH se decanta de los cristales y se transfiere como producto terminado a un depósito o a la etapa de fundición cáustica para obtener un producto sólido. La sal de mesa cristalina (sal inversa) se devuelve a la electrólisis, lo que genera la llamada salmuera inversa. Se extrae el sulfato para evitar la acumulación de sulfato en las soluciones antes de preparar la salmuera inversa. La pérdida de cloruro de sodio se compensa agregando salmuera fresca obtenida por lixiviación subterránea de capas de sal o disolviendo sal de mesa sólida. La salmuera fresca, antes de mezclarla con la salmuera inversa, se limpia de suspensiones mecánicas y una parte significativa de iones de calcio y magnesio. El cloro obtenido se separa del vapor de agua, se comprime y se transfiere directamente a los consumidores o para la licuefacción del cloro. El hidrógeno se separa del agua, se comprime y se transfiere a los consumidores.
En el electrolizador de membrana, el mismo reacciones químicascomo en el electrolizador de diafragma. En lugar de un diafragma poroso, se utiliza una membrana catiónica (Fig. 5).
Figura: 5.2. Diagrama de electrolizador de membrana
La membrana evita la penetración de iones de cloro en el catolito (electrolito en el espacio del cátodo), por lo que se puede obtener sosa cáustica directamente en el electrolizador casi sin sal, con una concentración del 30 al 35%. Al eliminar la necesidad de separar la sal, la evaporación hace que sea mucho más fácil producir sosa cáustica comercial al 50% y con una inversión y un costo de energía más bajos. Dado que la concentración de sosa cáustica en el proceso de la membrana es mucho mayor, se utiliza níquel caro como cátodo.
Figura: 5.3. Circuito de celdas de mercurio
La reacción de descomposición total de la sal de mesa en los electrolizadores de mercurio es la misma que en los de diafragma:
NaCl + Н2O \u003d\u003e NaOH + 1 / 2Сl2 + 1 / 2Н2
Sin embargo, aquí tiene lugar en dos etapas y cada una en un aparato separado: un electrolizador y un descomponedor. Se combinan estructuralmente entre sí y se denominan baño electrolítico y, a veces, electrolizador de mercurio.
En la primera etapa del proceso, en el electrolizador, tiene lugar la descomposición electrolítica de la sal común (su solución saturada se alimenta al electrolizador) con la producción de cloro en el ánodo y amalgama de sodio en el cátodo de mercurio, según la siguiente reacción:
NaCl + nHg \u003d\u003e l / 2Cl2 + NaHgn
En el descomponedor tiene lugar la segunda etapa del proceso, en la que, bajo la acción del agua, la amalgama de sodio se convierte en hidróxido de sodio y mercurio:
NaHgn + H2O \u003d\u003e NaOH + 1 / 2H2 + nHg
De toda la sal suministrada al electrolizador con salmuera, solo el 15-20% de la cantidad suministrada entra en la reacción (2), y el resto de la sal, junto con el agua, sale del electrolizador en forma de cloranolita, una solución de sal de mesa en agua que contiene 250-270 kg / m3 NaCl saturado con cloro. Una "amalgama fuerte" que sale del electrolizador y el agua se introducen en el descomponedor.
El electrolizador en todos los diseños disponibles tiene la forma de una cubeta de acero larga y relativamente estrecha, ligeramente inclinada, a lo largo de la parte inferior de la cual fluye por gravedad una fina capa de amalgama, que es el cátodo, y anolito en la parte superior. La salmuera y la amalgama ligera se alimentan desde el borde elevado superior de la celda a través del "bolsillo de entrada".
La amalgama fuerte fluye desde el extremo inferior de la celda a través del "bolsillo de salida". El cloro y la cloranolita salen juntos a través de una tubería de ramificación también ubicada en el extremo inferior de la celda. Los ánodos están suspendidos sobre todo el espejo del flujo de amalgama o el cátodo a una distancia de 3-5 mm del cátodo. La parte superior de la celda está cubierta con una cubierta.
Hay dos tipos de descomponedores muy extendidos: horizontales y verticales. Los primeros están realizados en forma de artesa inclinada de acero de la misma longitud que la celda. Un chorro de amalgama fluye a lo largo del fondo del descomponedor, que está instalado en una ligera pendiente. En esta corriente se sumerge una boquilla de descomposición hecha de grafito. El agua fluye en contracorriente. Como resultado de la descomposición de la amalgama, el agua está saturada de cáustico. La solución cáustica junto con el hidrógeno sale del descomponedor a través de una tubería de ramificación en el fondo, y la amalgama pobre o el mercurio se bombea al bolsillo del electrolizador mediante una bomba.
El conjunto del baño de electrólisis, además del electrolizador, descomponedor, bolsillos y tuberías de desbordamiento, incluye una bomba de mercurio. Se utilizan dos tipos de bombas. En los casos en que las cubas están equipadas con un descomponedor vertical o cuando el descomponedor está instalado debajo del electrolizador, se utilizan bombas centrífugas sumergibles de tipo convencional, que se bajan al descomponedor. En los baños, en los que se instala el descomponedor junto al electrolizador, se bombea la amalgama con una bomba de cono de tipo original.
Todas las partes de acero del electrolizador que entran en contacto con cloro o cloranolita están protegidas por un recubrimiento de caucho vulcanizado de grado especial (engomado). La capa protectora de goma no es completamente resistente. Con el tiempo, se clora, se vuelve quebradizo y se agrieta por la acción de la temperatura. La capa protectora se renueva periódicamente. Todas las demás partes del baño de electrólisis: descomponedor, bomba, rebosaderos están hechos de acero sin protección, ya que ni el hidrógeno ni la solución cáustica lo corroen.
En la actualidad, los ánodos de grafito son los más comunes en una celda de mercurio. Sin embargo, son reemplazados por ORTA.
6.Seguridad en la producción de cloro
y protección del medio ambiente
El peligro para el personal en la producción de cloro está determinado por la alta toxicidad del cloro y el mercurio, la posibilidad de formación de mezclas gaseosas explosivas de cloro e hidrógeno, hidrógeno y aire en el equipo, así como soluciones de nitrógeno tricloruro en cloro líquido, el uso en la producción de electrolizadores - dispositivos que están relativamente bajo potencial eléctrico aumentado tierra, las propiedades del álcali cáustico producido en esta producción.
La inhalación de aire que contiene 0,1 mg / l de cloro durante 30 a 60 minutos es potencialmente mortal. La inhalación de aire que contenga más de 0,001 mg / l de cloro irrita el tracto respiratorio. La concentración máxima permisible (MPC) de cloro en el aire de los asentamientos: el promedio diario de 0.03 mg / m3, el máximo de una sola vez 0.1 mg / m3, en el aire del área de trabajo de las instalaciones industriales es de 1 mg / m3, el umbral de olor es de 2 mg / m3. A una concentración de 3-6 mg / m3, se siente un olor distintivo, se produce irritación (enrojecimiento) de los ojos y las membranas mucosas de la nariz, a 15 mg / m3 - irritación de la nasofaringe, a 90 mg / m3 - ataques de tos intensos. La exposición a 120-180 mg / m3 durante 30-60 minutos es potencialmente mortal, a 300 mg / m3 es posible la muerte, una concentración de 2500 mg / m3 conduce a la muerte en 5 minutos, a una concentración de 3000 mg / m3, la muerte ocurre después de varias respiraciones ... La concentración máxima permitida de cloro para filtrar máscaras de gas industriales y civiles es de 2500 mg / m3.
La presencia de cloro en el aire se determina mediante dispositivos de reconocimiento químico: VPKhR, PPKhR, PCR-MV utilizando tubos indicadores IT-44 (color rosa, umbral de sensibilidad 5 mg / m3), IT-45 (color naranja), aspiradores AM-5, AM- 0055, AM-0059, NP-3M con tubos indicadores de cloro, un analizador de gas universal UG-2 con un rango de medición de 0-80 mg / m3, un detector de gas "Colion-701" en un rango de 0-20 mg / m3. En el espacio abierto - por medio de dispositivos SIP "KORSAR-X". En interiores: con dispositivos SIP VEGA-M. Para protegerse contra el cloro en caso de mal funcionamiento o emergencias, todas las personas en los talleres deben llevar consigo y en el momento oportuno utilizar máscaras antigás de las marcas "B" o "BKF" (excepto los talleres de electrólisis de mercurio), así como ropa protectora: trajes de tela o engomados, botas de goma, etc. mitones. Las cajas de máscara de gas de cloro deben pintarse de amarillo.
El mercurio es más tóxico que el cloro. La concentración máxima permitida de sus vapores en el aire es de 0,00001 mg / l. Daña el cuerpo humano por inhalación y en contacto con la piel, así como en contacto con objetos amalgamados. Los vapores y las salpicaduras son adsorbidos (absorbidos) por la ropa, la piel y los dientes. Al mismo tiempo, el mercurio se evapora fácilmente a temperaturas; disponible en el taller de electrólisis, y la concentración de sus vapores en el aire es mucho mayor que el máximo permitido. Por lo tanto, los talleres de electrólisis con cátodo líquido están equipados con una ventilación potente que, durante el funcionamiento normal, proporciona un nivel aceptable de concentración de vapor de mercurio en la atmósfera del taller. Sin embargo, esto no es suficiente para un funcionamiento seguro. También es necesario observar la llamada disciplina del mercurio: seguir las reglas para el manejo del mercurio. Siguiéndoles, el personal, antes de comenzar a trabajar, pasa por la inspección sanitaria, en la sección limpia de la cual dejan su ropa de hogar y se ponen ropa de cama recién lavada, que es una prenda de trabajo. Al final del turno, la ropa de abrigo y la ropa sucia se dejan en la sección sucia del puesto de inspección sanitaria, mientras los trabajadores se bañan, se cepillan los dientes y se colocan los enseres domésticos en la sección limpia del puesto de inspección sanitaria.
En los talleres en los que se trabaje con cloro y mercurio, se debe utilizar una máscara antigás de la marca "G" (la caja de la máscara antigás está pintada en negro y amarillo) y guantes de goma. Las reglas de "disciplina del mercurio" estipulan que el trabajo con mercurio y superficies amalgamadas solo debe bajo una capa de agua; El mercurio derramado debe tirarse inmediatamente por el desagüe donde hay trampas de mercurio.
Son peligrosas para el medio ambiente las emisiones de cloro y vapores de mercurio a la atmósfera, descargas en aguas residuales sales de mercurio y gotitas de mercurio, compuestos que contienen cloro activo y envenenamiento del suelo con lodos de mercurio. El cloro ingresa a la atmósfera durante los accidentes, con emisiones de ventilación y gases de escape de varios dispositivos. Los vapores de mercurio se llevan a cabo con aire de los sistemas de ventilación. La norma de contenido de cloro en el aire cuando se emite a la atmósfera es de 0,03 mg / m3. Esta concentración se puede lograr si se utiliza un lavado alcalino de múltiples etapas de los gases de escape. La norma para el contenido de mercurio en el aire cuando se emite a la atmósfera es de 0,0003 mg / m3, y en los efluentes cuando se vierten en cuerpos de agua es de 4 mg / m3.
El cloro se neutraliza con las siguientes soluciones:
leche de cal, para la cual se vierte 1 parte en peso de cal apagada con 3 partes de agua, se mezcla bien, luego se vierte una solución de cal desde arriba (por ejemplo, 10 kg de cal apagada + 30 litros de agua);
Solución acuosa al 5% de carbonato de sodio, para la cual se disuelven 2 partes en peso de carbonato de sodio con agitación con 18 partes de agua (por ejemplo, 5 kg de carbonato de sodio + 95 litros de agua);
Solución acuosa al 5% de hidróxido de sodio, para la cual se disuelven 2 partes en peso de hidróxido de sodio con agitación con 18 partes de agua (por ejemplo, 5 kg. Hidróxido de sodio + 95 litros de agua).
Cuando el gas de cloro se escapa, se rocía agua para extinguir los vapores. La tasa de consumo de agua no está estandarizada.
Cuando se derrama cloro líquido, el lugar del derrame se valla con una muralla de tierra, se vierte con lechada de cal, una solución de carbonato de sodio, sosa cáustica o agua. Para neutralizar 1 tonelada de cloro líquido, se necesitan 0,6-0,9 toneladas de agua o 0,5-0,8 toneladas de soluciones. Para neutralizar 1 tonelada de cloro líquido, se necesitan 22-25 toneladas de soluciones o 333-500 toneladas de agua.
Para la pulverización de agua o soluciones, se utilizan vehículos de riego y bomberos, estaciones de llenado automático (AC, PM-130, ARS-14, ARS-15), así como hidrantes y sistemas especiales disponibles en instalaciones químicamente peligrosas.
Conclusión
Dado que los volúmenes de cloro obtenidos por métodos de laboratorio son insignificantes en comparación con la demanda en constante crecimiento de este producto, no tiene sentido realizar un análisis comparativo sobre ellos.
De los métodos de producción electroquímica, el más fácil y conveniente es la electrólisis con un cátodo líquido (mercurio), pero este método no está exento de inconvenientes. Provoca daños medioambientales importantes por evaporación y fuga de mercurio metálico y cloro gaseoso.
Los electrolizadores de cátodo sólido eliminan el riesgo de contaminación del medio ambiente por mercurio. A la hora de elegir entre celdas de membrana y membrana para nuevas instalaciones de producción, es preferible utilizar estas últimas, ya que son más económicas y permiten obtener un producto final de mayor calidad.
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