כלור: היסטוריה, תכונות, מבנה, סיכונים, שימושים - כִּימִיָה - 2025

כלור הוא יסוד כימי אשר מיוצג על ידי סמל Cl. השני של הלוגנים, היותו ממוקם מתחת פלואור, והוא האלמנט אלקטרו ביותר משליש מכל. שמו נובע מצבעו הירוק הצהבהב, העז יותר מפלואוריד.

באופן פופולרי, כשמישהו שומע את שמך, הדבר הראשון שהוא חושב עליו הוא מוצרי הלבנת הבגדים והמים בבריכות שחייה. למרות שכלור אכן פועל ביעילות בדוגמאות כאלה, זה לא הגז שלו, אלא התרכובות שלו (במיוחד היפוכלוריט) שמפעילות את פעולת ההלבנה והחיטוי.

בקבוק עגול עם כלור גזי בפנים. מקור: Larenmclane

בתמונה העליונה נראה בקבוק עגול עם גז כלור. הצפיפות שלו גדולה מזו של האוויר, מה שמסביר מדוע הוא נשאר בבקבוק ואינו בורח לאטמוספירה; כפי שקורה עם גזים קלים אחרים, למשל הליום או חנקן. במצב זה זהו חומר רעיל ביותר, מכיוון שהוא מייצר חומצה הידרוכלורית בריאות.

זו הסיבה שלכלור אלמנטרי או גזי אין שימושים רבים למעט בכמה סינתזים. עם זאת, תרכובותיה, בין אם מדובר במלחים או במולקולות אורגניות עם כלור, מכסים רפרטואר שימושים טוב, מעבר לבריכות שחייה ולבוש לבן במיוחד.

באופן דומה, האטומים שלו בצורת אניוני כלוריד נמצאים בגופנו, מווסתים את רמות הנתרן, הסידן והאשלגן, כמו גם במיץ הקיבה. אחרת, בליעת נתרן כלוריד תהיה קטלנית עוד יותר.

כלור מיוצר על ידי אלקטרוליזה של מי מלח, עשירים בנתרן כלוריד, תהליך תעשייתי בו מתקבלים גם נתרן הידרוקסיד ומימן. ומכיוון שהים הם מקור כמעט בלתי נדלה למלח זה, המאגרים הפוטנציאליים של אלמנט זה בהידרוספרה גדולים מאוד.

הִיסטוֹרִיָה

גישות ראשונות

בגלל התגובה הגבוהה של גז כלור, תרבויות קדומות מעולם לא חשדו בקיומו. עם זאת, תרכובותיה היו חלק מתרבות האנושות מאז ימי קדם; ההיסטוריה שלה התחברה קשורה למלח נפוץ.

מצד שני, כלור נבע מהתפרצויות געשיות וכשמישהו המיס זהב ב אקווה רג'יה; אך אף אחת מאותן גישות ראשונות לא הספיקה אפילו כדי לנסח את הרעיון שאומר שהגז הצהבהב-ירקרק הוא יסוד או תרכובת.

תַגלִית

גילוי הכלור מיוחס לכימאי השוודי קרל וילהלם שלאלה, שבשנת 1774 ביצע את התגובה בין המינרל פירולוזיט לחומצה הידרוכלורית (אז נקראה אז חומצה מוריאטית).

שליי מקבל את הקרדיט כיוון שהיה המדען הראשון שבחן את תכונות הכלור; למרות שזה הוכר בעבר (1630) על ידי יאן הבפטיסט ואן הלמונט.

הניסויים איתם השיג של'ה את תצפיותיו מעניינים: הוא העריך את פעולת ההלבנה של כלור על עלי כותרת של פרחים אדמדמים וכחלחלים, כמו גם על עלי צמחים וחרקים שמתו מייד.

כמו כן, הוא דיווח על קצב תגובתו הגבוה למתכות, ריחו החונק והשפעתו הבלתי רצויה על הריאות, וכי כאשר הומס במים, חומציותו עלתה.

חומצה אוקסימורטית

עד אז, כימאים שקלו חומצה לכל תרכובת שיש בה חמצן; אז הם חשבו בטעות שכלור חייב להיות תחמוצת גזים. כך כינו אותה 'חומצת אוקסימוריאטיקו' (תחמוצת חומצה מוריאטית), שם שטבע הכימאי הצרפתי המפורסם אנטואן לבואהייה.

ואז, בשנת 1809 ניסו ג'וזף לואי גיי-לוסאק ולואי ז'אק ת'נארד להפחית חומצה זו באמצעות פחם; תגובה בה הם השיגו מתכות מתחמוצות שלהם. בדרך זו הם רצו לחלץ את היסוד הכימי של החומצה האוקסימורטית (שכינתה 'אוויר חומצי מוראטי').

עם זאת, גיי-לוסאק ות'נארד נכשלו בניסויים שלהם; אך הם צדקו בשקלול האפשרות שגז צהבהב-ירקרק חייב להיות יסוד כימי ולא תרכובת.

הכרה כאלמנט

ההכרה בכלור כאלמנט כימי הייתה בזכות סר האמפרי דייווי, שבשנת 1810 ביצע ניסויים משלו עם אלקטרודות פחמן והסיק כי תחמוצת חומצה מוריאטית כזו לא הייתה קיימת.

ויתרה מכך, דייווי היה זה שטבע את השם 'כלור' לאלמנט זה מהמילה היוונית 'כלורוס', שפירושה ירוק צהבהב.

כאשר חקרו את התכונות הכימיות של כלור, התברר כי רבים מתרכובותיו היו מלוחים באופיים; מכאן כינו את זה כ"הלוגן ", שפירושו מלח קודם. ואז המונח הלוגן שימש עם שאר האלמנטים מאותה קבוצה (F, Br ואני).

מייקל פאראדיי אפילו הצליח להמיס את הכלור לחומר מוצק אשר, עקב זיהום במים, יצר את ההידרט Cl ₂ · H ₂ O.

שאר ההיסטוריה של הכלור קשורה לתכונות החיטוי והלבנה שלה, עד להתפתחות התהליך התעשייתי של אלקטרוליזה של מי מלח כדי לייצר כמויות אדירות של כלור.

תכונות פיזיקליות וכימיות

מראה חיצוני

זהו גז צפוף-ירוק-צהוב צפוף עם ריח חריף מרגיז (גרסה סופר משופרת של כלור מסחרי) והוא גם רעיל ביותר.

מספר אטומי (Z)

17

משקל אטומי

35.45 u.

אלא אם כן צוין אחרת, שאר המאפיינים תואמים כמויות שנמדדו עבור כלור מולקולרי, Cl ₂ .

נקודת רתיחה

-34.04 ºC

נקודת המסה

-101.5 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-בתנאים רגילים, 3.2 גר '/ ל'

-ממש בנקודת הרתיחה, 1.5624 גרם / מ"ל

שימו לב שכלור נוזלי צפוף בערך פי חמישה מהגז שלו. כמו כן, צפיפות האדים שלו גדולה פי 2.49 מזו של האוויר. זו הסיבה שבתמונה הראשונה הכלור אינו נוטה לברוח מהבקבוק העגול, מכיוון שהוא צפוף יותר מאוויר הוא ממוקם בתחתית. מאפיין זה הופך אותו לגז מסוכן עוד יותר.

חום של היתוך

6.406 kJ / mol

חום האידוי

20.41 kJ / mol

קיבולת חום טוחנת

33.95 J / (mol K)

מסיסות במים

1.46 גרם / 100 מ"ל בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס

לחץ אדים

7.67 כספומט בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. לחץ זה נמוך יחסית בהשוואה לגזים אחרים.

אלקטרונגטיביות

3.16 בסולם פאולינג.

אנרגיות יינון

-ראשון: 1251.2 ק"ג / מול

-שנייה: 2298 ק"ג / מול

-שלישי: 3822 ק"ג / מול

מוליכות תרמית

8.9 10 ^-3 W / (m K)

איזוטופים

כלור מופיע בטבע בעיקר כשני איזוטופים: ³⁵ Cl, עם שפע של 76%, ו- ³⁷ Cl, עם שפע של 24%. לפיכך, המשקל האטומי (35.45 u) הוא ממוצע להמסת האטום של שני איזוטופים אלה, עם אחוזי השפע שלהם בהתאמה.

כל הרדיואיזוטופים של הכלור הם מלאכותיים, ביניהם ³⁶ Cl בולטת כיציבה ביותר, עם אורך חיים של 300,000 שנה.

מספרי חמצון

לכלור יכולים להיות מספרים או מצבי חמצון שונים כאשר הוא חלק מתרכובת. בהיותו אחד האטומים האלקטרוניגטיביים בטבלה המחזורית, לרוב יש לו מספר חמצון שלילי; אלא כשזה נתקל בחמצן או בפלואור, שבתחמוצות שלהם ופלואוריד בהתאמה, הוא צריך "לאבד" אלקטרונים.

במספרי החמצון שלהם מניחים קיומם או נוכחותם של יונים באותו גודל מטען. לפיכך, יש לנו: -1 (Cl ^- , אניון הכלוריד המפורסם), +1 (Cl ⁺ ), +2 (Cl ²⁺ ), +3 (Cl ³⁺ ), +4 (Cl ⁴⁺ ), +5 ( Cl ⁵⁺ ), +6 (Cl ⁶⁺ ) ו- +7 (Cl ⁷⁺ ). מבין כולם, -1, +1, +3, +5 ו- +7 הם הנפוצים ביותר בתרכובות כלוריות.

לדוגמה, ב- ClF ו- ClF ₃ מספרי החמצון לכלור הם +1 (Cl ⁺ F ^- ) ו- +3 (Cl ³⁺ F ₃ ^- ). ב- Cl ₂ O, זהו +1 (Cl ₂ ⁺ O ^2- ); בעוד שב- ClO ₂ , Cl ₂ O ₃ ו- Cl ₂ O ₇ הם +4 (Cl ⁴⁺ O ₂ ^2- ), +3 (Cl ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ) ו- +7 (Cl ₂ ⁷⁺ או ₇ ^2- ).

בכל הכלורדים, לעומת זאת, לכלור יש מספר חמצון של -1; כמו במקרה של NaCl (Na ⁺ Cl ^- ), שבו הוא תקף לומר כי Cl ^- קיים בהתחשב באופי היוני של מלח זה.

מבנה ותצורה אלקטרונית

מולקולת כלור

מולקולת כלור דיאומטית המיוצגת במודל מילוי מרחבי. מקור: Benjah-bmm27 דרך Wikipedia.

אטומי כלור במצב האדמה שלהם הם בעלי התצורה האלקטרונית הבאה:

3s ² 3p ⁵

לכן לכל אחד מהם שבעה אלקטרונים בעלי ערך. אלא אם כן הם עמוסים באנרגיה, יהיו אטומי Cl אישיים בחלל, כאילו היו גולות ירוקות. עם זאת, הנטייה הטבעית שלהם היא ליצור קשרים קוולנטיים ביניהם, ובכך להשלים את שמיכות הערך שלהם.

שימו לב שהם פשוט צריכים אלקטרון אחד כדי שיהיו להם שמונה אלקטרונים של עריכה, כך שהם יוצרים קשר פשוט אחד; זהו זה שמצטרף לשני אטומי Cl ליצירת מולקולת Cl ₂ (תמונה עליונה), Cl-Cl. זו הסיבה שכלור בתנאים רגילים ו / או יבשתיים הוא גז מולקולרי; לא מונומטיים, כמו בגזים אצילים.

אינטראקציות בין מולקולריות

מולקולת Cl ₂ הומונו-גרענית ואפולירית, כך שהאינטראקציות הבין-מולקולריות שלה נשלטות על ידי כוחות הפיזור של לונדון והמוני המולקולריה שלה. בשלב הגז, המרחק Cl ₂ -Cl ₂ הוא קצר יחסית בהשוואה לגזים אחרים, אשר, הוסיף למסה שלו, הופך אותו לגז צפוף פי שלושה מהאוויר.

האור יכול לרגש ולקדם מעברים אלקטרוניים בתוך האורביטלים המולקולריים של Cl ₂ ; כתוצאה מכך, צבעו הצהוב-ירקרק האופייני מופיע. צבע זה מתעצם במצב הנוזלי, ואז נעלם חלקית כשהוא מתמצק.

כמו טיפות טמפרטורה (-34 ºC), את Cl ₂ מולקולות לאבד אנרגיה קינטית ואת Cl ₂ -Cl ₂ מרחק פוחתת; לכן, אלה מתגבשים ובסופו של דבר מגדירים את הכלור הנוזלי. הדבר קורה כאשר המערכת מקוררת ביתר שאת (-101 מעלות צלזיוס), כעת כאשר מולקולות ה- Cl ₂ כל כך קרובות זו לזו, עד שהן מגדירות גביש אורתורומבי.

העובדה שקיימים גבישי כלור מעידה על כך שכוחות הפיזור שלהם כיווניים מספיק בכדי ליצור דפוס מבני; כלומר שכבות מולקולריות של Cl ₂ . ההפרדה של שכבות אלה היא כזו שהמבנה שלהם לא משתנה אפילו בלחץ של 64 גפ"ה, ואף לא מציג הולכה חשמלית.

היכן למצוא ולהשיג

מלחי כלוריד

גבישים חזקים של הליט, הידועים יותר כנפוצה או מלח שולחן. מקור: ההורה Gry

כלור במצבו הגזי לא ניתן למצוא בשום מקום על פני כדור הארץ, מכיוון שהוא מגיב מאוד ונוטה ליצור כלורידים. כלורידים אלה מפוזרים היטב בכל קרום כדור הארץ, ויתרה מכך, לאחר מיליוני שנים של שטיפה בגשמים, הם מעשירים את הימים והאוקיאנוסים.

מבין כל הכלורידים, ה- NaCl של ההלר המינרלי (תמונה עליונה) הוא הנפוץ ביותר ושופע; ואחריו המינרלים סילווין, KCl וקרנליט, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O. כאשר המוני המים מתאדים על ידי פעולת השמש, הם משאירים אחריהם אגמי מלח מדבריים, מהם ניתן להפיק ישירות NaCl כחומר גלם לייצור כלור.

אלקטרוליזה של מי מלח

ה- NaCl מתמוסס במים לייצור תמלחת מלח (26%), הנתונה לאלקטרוליזה בתא כלור-אלקלי. יש שתי מחצית התגובות שמתרחשות בתאי האנודה והקתודה:

2Cl ^- (aq) => Cl ₂ (g) + 2e ^- (Anode)

2H ₂ O (l) + 2e ^- => 2OH ^- (aq) + H ₂ (g) (קתודה)

והמשוואה העולמית לשתי התגובות היא:

2NaCl (aq) + 2H ₂ O (l) => 2NaOH (aq) + H ₂ (g) + Cl ₂ (g)

ככל שהתגובה מתקדמת, יוני Na ⁺ הנוצרים באנודה נודדים לתא הקתודה דרך קרום אסבסט חדיר. מסיבה זו NaOH נמצא בצד ימין של המשוואה העולמית. שני הגזים, Cl ₂ ו- H ₂ , נאספים מהאנודה והקטודה בהתאמה.

התמונה למטה ממחישה את מה שנכתב זה עתה:

תרשים לייצור כלור באמצעות אלקטרוליזה של מי מלח. מקור: Jkwchui

שימו לב כי ריכוז המלח עד הסוף יורד ב- 2% (מעבר 24 עד 26%), מה שאומר שחלק מהאניונים Cl ^- מולקולות מקוריות הפכו ל- Cl ₂ . בסופו של דבר, התיעוש של תהליך זה סיפק שיטה לייצור כלור, מימן ונתרן הידרוקסיד.

פירוק חומצה של פירולוזיט

כאמור בסעיף ההיסטוריה, ניתן לייצר גז כלור על ידי המסת דגימות מינרליות פירולוזיט בעזרת חומצה הידרוכלורית. המשוואה הכימית הבאה מציגה את המוצרים המתקבלים מהתגובה:

MnO ₂ (s) + 4HCl (aq) => MnCl ₂ (aq) + 2H ₂ O (l) + Cl ₂ (g)

סגסוגות

סגסוגות כלור לא קיימות משתי סיבות פשוטות: לא ניתן לכוד מולקולות הגזים שלהן בין גבישים מתכתיים, והן גם מגיבות מאוד, כך שהן יגיבו מייד עם מתכות כדי לייצר כלורידים בהתאמה שלהן.

מצד שני, גם כלורידים אינם רצויים, מכיוון שמרגע שהם מומסים במים הם מפעילים השפעה מלוחה המעודדת קורוזיה בסגסוגות; ולכן המתכות מתמוססות ליצירת כלוריד מתכות. תהליך הקורוזיה עבור כל סגסוגת שונה; חלקם רגישים יותר מאחרים.

לכן כלור אינו תוסף טוב לסגסוגות כלל; לא כמו Cl ₂ ולא כמו Cl ^- (ו אטומים Cl יהיה תגובתי מדי להתקיים אפילו).

סיכונים

למרות שהמסיסות של כלור במים נמוכה, זה מספיק כדי לייצר חומצה הידרוכלורית בלחות העור והעיניים שלנו, מה שבסופו של דבר משחית את הרקמות הגורם לגירוי רציני ואפילו לאובדן הראייה.

חמור מכך הוא נשימה של אדי צהבהב-ירקרק שלה, מכיוון שפעם בריאות הוא מייצר שוב חומצות ופוגע ברקמת הריאה. בכך, האדם חווה כאב גרון, שיעול וקשיי נשימה עקב הנוזלים הנוצרים בריאות.

אם יש נזילת כלור, אתה נמצא במצב מסוכן במיוחד: האוויר לא יכול פשוט "לטאטא" את אדיו; הם נשארים שם עד שהם מגיבים או מתפזרים לאט.

בנוסף לכל זה מדובר בתרכובת מחמצנת מאוד, כך שחומרים שונים יכולים להגיב איתם בפיצוץ במגע הקל ביותר; בדיוק כמו צמר פלדה ואלומיניום. זו הסיבה שבמקום המאוחסן כלור, יש לקחת את כל השיקולים הנדרשים בכדי למנוע סיכוני שריפה.

באופן אירוני, בעוד גז כלור קטלני, אניון הכלוריד שלו אינו רעיל; ניתן לצרוך אותו (במתינות), הוא אינו נשרף, וגם אינו מגיב אלא עם פלואור ומגיבים אחרים.

יישומים

סִינתֶזָה

כ- 81% מגז הכלור המיוצר מדי שנה משמשים לסינתזה של כלורידים אורגניים ואורגניים. בהתאם למידת covalence של תרכובות אלה, ניתן למצוא כלור כמו אטומים Cl בלבד במולקולות אורגניות כלור (עם אג"ח C-Cl), או כפי Cl ^- יונים בתוך מלחי כלוריד כמה (NaCl, CaCl ₂ , MgCl ₂ , וכו.).

לכל אחד מהתרכובות הללו יישומים משלו. לדוגמה, כלורופורם (CHCl ₃ ) ואתיל כלוריד (CH ₃ CH ₂ Cl) הם ממסים שהגיעו לשימוש כחומרי הרדמה לשאיפה; דיכלורומתאן (CH ₂ Cl ₂ ) וטטרכלוריד פחמן (CCl ₄ ), מצדם, הם ממסים הנמצאים בשימוש נרחב במעבדות כימיה אורגנית.

כאשר תרכובות כלוריות אלו נוזליות, רוב הזמן הן משמשות כממסים לתקשורת תגובה אורגנית.

בתרכובות אחרות, נוכחות אטומי כלור מייצגת עלייה ברגע הדיפול, כך שהם יכולים לתקשר במידה רבה יותר עם מטריקס קוטבי; אחת המורכבת מחלבונים, חומצות אמינו, חומצות גרעין וכו ', ביומולקולות. כך, לכלור יש גם תפקיד בסינתזה של תרופות, חומרי הדברה, קוטלי חרקים, קוטלי פטריות וכו '.

לגבי כלורידים אורגניים, הם בדרך כלל משמשים כזרזים, חומר גלם עבור קבלת מתכות ידי אלקטרוליזה, או מקורות Cl ^- יונים .

בִּיוֹלוֹגִי

לכלור הגזי או היסודי אין שום תפקיד בקרב יצורים חיים פרט להרס הרקמות שלהם. עם זאת, אין זה אומר שלא ניתן למצוא את האטומים שלו בגוף. לדוגמה, יוני Cl ^- נמצאים בשפע מאוד בסביבה התאית והתאית, ועוזרים לשלוט ברמות יוני Na ⁺ ו- Ca ²⁺ , לרוב.

באופן דומה, חומצה הידרוכלורית היא חלק ממיץ הקיבה שאיתו מתעכל מזון בבטן; יוני Cl ^- שלהם , בחברת H ₃ O ⁺ , מגדירים את ה- pH קרוב ל -1 מהפרשות אלה.

נשק כימי

הצפיפות של גז כלור הופכת אותו לחומר קטלני כשנשפך או מוזג לחללים סגורים או פתוחים. בהיותו צפוף יותר מאוויר, הזרם שלו אינו נושא כלור בקלות, כך שהוא נשאר זמן רב לפני שהוא מתפזר סופית.

במלחמת העולם הראשונה, למשל, נעשה שימוש בכלור זה בשדות קרב. לאחר שחרורו, הוא יתגנב בשוחות כדי לחנוק את החיילים ולאלץ אותם לעלות לפני השטח.

מְחַטֵא

הבריכות כלולות למניעת התרבות והתפשטות של מיקרואורגניזמים. מקור: Pixabay.

תמיסות כלוריות, אלו בהן גזים בכלור מומס במים ואז נוצרו אלקליין בעזרת חיץ, הן בעלות תכונות חיטוי מעולות, כמו גם מעכבות את סתימת הרקמות. הם שימשו לחיטוי פצעים פתוחים בכדי לחסל חיידקים פתוגניים.

מי בריכת השחייה מוחלשים באופן מדויק בכדי לחסל חיידקים, חיידקים וטפילים שעלולים להכיל בהם. בעבר שימש גז כלור למטרה זו, אולם פעולתו די אגרסיבית. במקום זאת, משתמשים בתמיסות של נתרן היפוכלוריט (אקונומיקה) או טבליות חומצה Trichloroisocyanuric (TCA).

מהאמור לעיל עולה כי לא Cl _{2 הוא} שמפעיל את פעולת החיטוי אלא HClO, חומצה היפוכלוריט, המייצרת רדיקלים O המשמידים מיקרואורגניזמים.

לְהַלבִּין

דומה מאוד לפעולת החיטוי שלה, כלור מלבין גם חומרים מכיוון שהצבעים האחראים לצבעים מושבעים על ידי HClO. לפיכך, פתרונותיו הכלוריים הם אידיאליים להסרת כתמים מבגדים לבנים או להלבנת עיסת נייר.

פוליוויניל כלוריד

תרכובת הכלור החשובה מכולן, המהווה כ -19% מייצור הגז הכלורי שנותר, היא פוליוויניל כלוריד (PVC). לפלסטיק זה שימושים רבים. בעזרתו מיוצרים צינורות מים, מסגרות חלונות, חיפוי קיר ורצפה, חיווט חשמלי, שקיות IV, מעילים וכו '.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2019). כְּלוֹר. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. לורה ח 'ואח'. (2018). מבנה של כלור מוצק ב -1.45 GPaZeitschrift für Kristallographie. חומרים גבישיים, כרך 234, גיליון 4, עמודים 277–280, ISSN (באינטרנט) 2196-7105, ISSN (הדפס) 2194-4946, DOI: doi.org/10.1515/zkri-2018-2145
4. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2019). כְּלוֹר. מאגר PubChem. CID = 24526. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. מרקס מיגל. (sf). כְּלוֹר. התאושש מ: nautilus.fis.uc.pt
6. מועצת הכימיה האמריקאית. (2019). כימיה של כלור: מבוא לכלור. התאושש מ: chlorine.americanchemistry.com
7. מונג פונג-יואן (נ '). השפעות קורוזיביות של כלורידים על מתכות. המחלקה להנדסה ימית, NTOU הרפובליקה של סין (טייוואן).
8. מדינת ניו יורק. (2019). העובדות על כלור. התאושש מ: health.ny.gov
9. ד"ר דאג סטיוארט. (2019). עובדות על כלור כלור. כימיקול. התאושש מ: chemicool.com