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同义词 Chlorine一般指氯
氯是一种非金属元素,属于卤族之一。氯气常温常压下为黄绿色气体,化学性质十分活泼,具有毒性。氯以化合态的形式广泛存在于自然界当中,对人体的生理活动也有重要意义。
中文名
外文名
Chlorine
元素符号
Cl
原子量
35.45
元素类型
活泼非金属单质
原子序数
17
发现人
卡尔·威尔海姆·舍勒

发现简史

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1774年,瑞典化学家舍勒在从事软锰矿的研究时发现:软锰矿与盐酸混合后加热就会生成一种令人窒息的黄绿色气体。当时,大化学家拉瓦锡认为氧是酸性的起源,一切酸中都含有氧。舍勒及许多化学家都坚信拉瓦锡的观点,认为这种黄绿色的气体是一种化合物,是由氧和另外一种未知的基所组成的,所以舍勒称它为“氧化盐酸”
元素性质数据 元素性质数据
。但英国化学家戴维却持有不同的观点,他想尽了一切办法也不能从氧化盐酸中把氧夺取出来,均告失败。他怀疑氧化盐酸中根本就没有氧存在。1810年,戴维以无可辩驳的事实证明了所谓的氧化盐酸不是一种化合物,而是一种化学元素的单质。他将这种元素命名为“Chlorine”。它的希腊文原意是“绿色”。中文译名为氯。[1] 

自然分布

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自然界中游离状态的氯存在于大气层中,是破坏臭氧层的主要单质之一。氯气受紫外线分解成两个氯原子(自由基)。大多数通常以氯化物(Cl-)的形式存在,常见的主要是氯化钠(食盐,NaCl)。

单质:Cl₂

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氯单质由两个氯原子构成,化学式为Cl₂。气态氯单质俗称氯气,液态氯单质俗称液氯。

名称由来

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英文名称chlorine来自于希腊文khlros(χλωρó',淡绿色),中文取该气体为绿色之意造了“氯”字,日文与韩文则因为氯是盐的主要成分之一而称为“盐素”(日本汉字写作“塩素”)。

化合物

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无机:氯化物、次氯酸、次氯酸盐、亚氯酸、亚氯酸盐、氯酸、氯酸盐、高氯酸、高氯酸盐
有机氯化合物。

同位素

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元素有35Cl和37Cl两种稳定同位素。核外电子构型都为3S23P5。相对原子质量分别为34.968 852和36.965 903。天然丰度分别为75.77%和24.23%。

氯离子的检验

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检验水中是否含有氯离子可以向其中加入硝酸酸化的银离子(如硝酸银)(加入酸性硝酸银可以排除其他离子干扰),银离子和氯离子反应会生成氯化银白色沉淀,反应式:
(Ag+)+(Cl-) → AgCl↓

操作处置与储存

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1、操作注意事项
严加密闭,提供充分的局部排风和全面通风。操作人员必须经过专门培训,严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴空气呼吸器,穿带面罩式胶布防毒衣,戴橡胶手套。远离火种、热源,工作场所严禁吸烟。远离易燃、可燃物。防止气体泄漏到工作场所空气中。避免与醇类接触。搬运时轻装轻卸,防止钢瓶及附件破损。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。
2、储存注意事项
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不超过30℃,相对湿度不超过80%。应与易燃物(可燃物)、醇类、食用化学品分开存放,切忌混储。储区应备有泄漏应急处理设备。应严格执行极毒物品“五双”管理制度。[2] 

物理性质

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氯气为黄绿色气体,密度比空气大(3.214g/L),熔点−101.0℃,沸点−34.4℃,有强烈的刺激性气味。
集气瓶中的氯气 集气瓶中的氯气
氯气分子由两个氯原子组成,微溶于水,易溶于碱液,易溶于四氯化碳、二硫化碳等有机溶剂
氯有26种同位素,其中只有35Cl和37Cl是稳定的,其余同位素均具有放射性。[3] 
原子半径:100 pm
核外电子排布: [Ne]3s23p5
化合价: ±1, 3, 5, 7
氯原子结构示意图 氯原子结构示意图
晶体结构: 斜方晶系
电负性: 3.16 (鲍林标度
第一电离能: 1251.2 kJ/mol

营养功能

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参与光合作用

光合作用中,氯作为锰的辅助因子参与水的光解反应。水光解反应是光合作用最初的光化学反应,氯的作用位点在光系统II。研究工作表明,在缺氯条件下,植物细胞的增殖速度降低,叶面积减少,生长量明显下降(大约60%),但氯并不影响植物体中光合速率。由此可见,氯对水光解放O2反应的影响不是直接作用,氯可能是锰的配合基,有助于稳定锰离子,使之处于较高的氧化状态。氯不仅为希尔反应放O2所必需,它还能促进光合磷酸化作用。

调节气孔运动

氯对气孔的开张和关闭有调节作用。当某些植物叶片气孔开张时,K+流入是由有机酸阴离子(主要是苹果酸根)作为陪伴离子,这些离子在代谢过程中是靠消耗淀粉产生的;但是对某些淀粉含量不多的作物(如洋葱),当K+流入保卫细胞时,由于缺少苹果酸根则需由Cl-作为陪伴离子。缺氯时,洋葱的气孔就不能自如地开关,而导致水分过多地损失。由于氯在维持细胞膨压、调节气孔运动方面的明显作用,从而能增强植物的抗旱能力。

激活H+-泵ATP酶

以往人们了解较多的是原生质上的H+-ATP酶,它受K+的激活。而在液泡膜上也存在有H+-ATP酶。与原生质上的H+-ATP酶不同,这种酶不受一价阳离子的影响,而专靠氯化物激活。该酶可以把原生质中的H+转运到液泡内,使液泡膜内外产生pH梯度(胞液,pH>7;液泡,pH<<6)。缺氯时,植物根的伸长严重受阻,这可能和氯的上述功能有关。因为缺氯时,影响活性溶质渗入液泡内,从而使根的伸长受到抑制(Hagerh和Helrnle,1981)。

抑制病害发生

施用含氯肥料对抑制病害的发生有明显作用。据报道,2013以前年至少有10种作物的15个品种,其叶、根病害可通过增施含氯肥料而明显减轻。例如冬小麦的全蚀病、条锈病,春小麦的叶锈病、枯斑病,大麦的根腐病,玉米的茎枯病,马铃薯的空心病、褐心病等。根据研究者的推论,氯能抑制土壤中铵态氮的硝化作用。当施入铵态氮肥时,氯使大多数铵态氮不能被转化,而迫使作物吸收更多的铵态氮;在作物吸收铵态氮肥的同时,根系释放出H+离子,使根际酸度增加。许多土壤微生物由于适宜在酸度较大的环境中大量繁衍,从而抑制了病菌的滋生,如小麦因施用含氯肥料而减轻了全蚀病病害的发生。还有一些研究者从C1-和NO3-存在吸收上的竞争性来解释。施含氯肥料可降低作物体内NO3-的浓度,一般认为NO3-含量低的作物很少发生严重的根腐病。

其他作用

在许多阴离子中,Cl-是生物化学性质最稳定的离子,它能与阳离子保持电荷平衡,维持细胞内的渗透压。植物体内氯的流动性很强,输送速度较快,能迅速进入细胞内,提高细胞的渗透压和膨压。渗透压的提高可增强细胞吸水,并提高植物细胞和组织束缚水分的能力。这就有利于促进植物从外界吸收更多的水分。在干旱条件下,也能减少植物丢失水分。提高膨压后可使叶片直立,延长功能期。作物缺氯时,叶片往往失去膨压而萎蔫。氯对细胞液缓冲体系也有一定的影响。氯在离子平衡方面的作用,可能有特殊的意义。
氯对酶活性也有影响。氯化物能激活利用谷氨酰胺为底物的天冬酰胺合成酶,促进天冬酰胺和谷氨酸的合成。氯在氮素代谢过程中有重要作用。
适量的氯有利于碳水化合物的合成和转化。

化学性质

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原子的最外电子层有7个电子,在化学反应中容易结合一个电子,使最外电子层达到8个电子的稳定状态,因此氯具有强氧化性,能与大多数金属和非金属发生化合反应。
氯气遇水歧化为盐酸和次氯酸,次氯酸不稳定易分解放出游离氧,所以氯气具有漂白性(比SO2强且加热不恢复原色)。
氯气也能和很多有机物发生加成或取代反应,在生活中有广泛应用。
氯气具有较大的毒性,曾被用作军用毒气。[3] 

Cl-检验

检验水中是否含有氯离子可以向其中加入可溶的银离子(硝酸银)(加入酸性硝酸银可以排除其他离子干扰),银离子和氯离子反应会生成氯化银白色沉淀。再取白色沉淀,加入稀硝酸,沉淀不溶解,则说明含氯离子。[4] 

含氧酸

1. 次氯酸(HClO)及其盐
(1) 制备
①通氯气于冰水中:Cl₂ + H₂O = HClO + HCl
②通氯于碱液中可得次氯酸盐:Cl₂+ 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O
③工业上用电解冷浓食盐水并剧烈搅拌来制备NaClO
(2)性质
①是弱酸,但为很强的氧化剂,且具有漂白性
②受热易发生氧化还原反应 3ClO→ ClO₃ + 2Cl
(3) 用途
制造漂白粉Ca(ClO)₂
漂白粉:Cl₂与Ca(OH)₂反应 2Cl₂ + 2Ca(OH)₂ = Ca(ClO)₂+ +CaCl₂ +2H₂O
2. 亚氯酸(HClO₂)及其盐
亚氯酸是唯一的亚卤酸,非常不稳定。
(1) 制备
①ClO₂在水中分解:2ClO₂ + H₂O = HClO₂ + HClO₃
②通ClO₂于Na₂O₂或NaOH与H₂O₂可得亚氯酸盐  2ClO₂ + Na₂O₂ =2NaClO₂ + O₂;2ClO₂ + H₂O₂ + OH 2ClO= 2- +O₂ + H₂O
(2) 性质与用途
①非常不稳定的化合物,但亚氯酸盐较稳定。
②具有漂白性[3] 
3.氯酸(HClO₃)及其盐
浓度高于40%则不稳定
(1) 制备
①次氯酸根水溶液加热,产生自身氧化还原反应歧化反应):3ClO→ ClO₃ + 2Cl
②电解热氯化钠水溶液并加以搅拌:3Cl₂ + 6OH → ClO₃ + 5Cl + 3H₂O
(2) 性质及用途
①氯酸和氯酸盐皆为强氧化剂
氯酸钾用于制造炸药
③KClO₃受热反应
A.无催化剂,微热:4KClO₃ =3KClO₄ + KCl (约100℃)
B.催化剂(MnO₂):2KClO₃ =2KCl + 3O₂↑ (约300℃)
4. 高氯酸(HClO₄)及其盐
(1) 制备
①低压蒸馏KClO₄与H₂SO₄的混合液:KClO₄ + H₂SO₄ = HClO₄ + KHSO₄
电解食盐水时,阳极产生的氯气被氧化:1/2Cl₂ + 4H₂O =ClO₄+ 8H+ + 7e
氯酸盐受热分解:4KClO₃ = 3KClO₄ + KCl
(2) 性质与用途
①氯最稳定的含氧酸,不易分解
②非常强的酸(高中范围内最强的酸,强于100%硫酸,但弱于氟锑酸超强酸[1] 

主要用途

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工业

氯主要用于化学工业尤其是有机合成工业上,以生产塑料、合成橡胶、染料及其他化学制品或中间体,还用于漂白剂消毒剂合成药物等。氯气亦用作制造漂白粉、漂白纸浆和布匹、合成盐酸、制造氯化物、饮水消毒、合成塑料和农药等。提炼稀有金属等方面也需要许多氯气。

生理

氯是人体必需常量元素之一,是维持体液和电解质平衡中所必需的,也是胃液的一种必需成分。自然界中常以氯化物形式存在,最普通形式是食盐。氯在人体含量平均为1.17g/kg,总量约为82~100g,占体重的0.15%,广泛分布于全身。主要一氯离子形式与钠、钾化合存在。其中氯化钾主要在细胞内液,而氯化钠主要在细胞外中。
膳食氯几乎完全来源于氯化钠,仅少量来自氯化钾。因此食盐及其加工食品酱油、腌制肉或烟熏食品、酱菜类以及咸味食品等都富含氯化物。一般天然食品中氯的含量差异较大;天然水中也几乎都含有氯。[3] 
主要生理功能:
1.维持体液酸碱平衡
氯离子分析仪 氯离子分析仪
2.氯离子与钠离子是细胞外液中维持渗透压的主要离子,二者约占总离子数的80%左右,调节与控制着细胞外液的容量和渗透压。
3.参与血液CO二价离子运输。
4.氯离子还参与胃液中胃酸形成,胃酸促进维生素B12和铁的吸收;激活唾液淀粉酶分解淀粉,促进食物消化;刺激肝脏功能,促使肝中代谢废物排出;氯还有稳定神经细胞膜电位的作用等。

安全防护

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氯气对眼、呼吸道粘膜有刺激作用,能引起流泪、咳嗽、咳少量痰、胸闷、气管炎支气管炎肺水肿等呼吸道症状,严重的会导致休克、死亡。一战时曾经被用作化学武器(窒息性毒剂)
氯气对环境有严重危害,对水体可造成污染。
同时,氯气可助燃,湿润的氯气具有强腐蚀性。
所以接触氯气时,需注意全身严格防护,严禁直接嗅闻、接触氯气,不得将含氯气的废气直接排放到大气中。[5] 
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参考资料
  • 1.    氯的发现简史  .元素发现简史[引用日期2013-08-19]
  • 2.    氯的分布由来  .硅藻泥[引用日期2013-10-18]
  • 3.    北京师范大学,华中师范大学,南京师范大学.无机化学(第四版):高等教育出版社,2003:453-480
  • 4.    化学课程教材研就开发中心.九年下化学教科书:上海教育出版社,2012
  • 5.    化学课程教材研就开发中心.必修一化学教科书:人民教育出版社,2004
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