APIBRĖŽIMAS
Chloras- septynioliktasis periodinės lentelės elementas. Pavadinimas – Cl iš lotyniško žodžio „chlorum“. Įsikūręs trečiajame periode, VIIA grupėje. Nurodo nemetalus. Branduolinis užtaisas yra 17.
Svarbiausias natūralus chloro junginys yra natrio chloridas (bendra druska) NaCl. Pagrindinė natrio chlorido masė randama jūrų ir vandenynų vandenyje. Daugelio ežerų vandenyse taip pat yra nemažai NaCl. Jis taip pat randamas kieto pavidalo, vietomis žemės plutoje sudarantis storus vadinamosios akmens druskos sluoksnius. Kiti chloro junginiai taip pat paplitę gamtoje, pavyzdžiui, kalio chloridas mineralų karnalito KCl × MgCl 2 × 6H 2 O ir silvitas KCl pavidalu.
Normaliomis sąlygomis chloras yra geltonai žalios dujos (1 pav.), kurios gerai tirpsta vandenyje. Atvėsus, iš vandeninių tirpalų išsiskiria kristaliniai hidratai, kurie yra apytikslės sudėties Cl 2 × 6H 2 O ir Cl 2 × 8H 2 O klaratai.
Ryžiai. 1. Chloras skystoje būsenoje. Išvaizda.
Chloro atominė ir molekulinė masė
Santykinė elemento atominė masė yra tam tikro elemento atomo masės ir 1/12 anglies atomo masės santykis. Santykinė atominė masė yra be matmenų ir žymima A r (indeksas „r“ yra anglų kalbos žodžio reliatyvioji raidė, kuri vertime reiškia „santykinė“). Santykinė atominio chloro masė yra 35,457 amu.
Molekulių masės, kaip ir atomų masės, išreiškiamos atominės masės vienetais. Medžiagos molekulinė masė yra molekulės masė, išreikšta atominės masės vienetais. Santykinė medžiagos molekulinė masė yra tam tikros medžiagos molekulės masės ir 1/12 anglies atomo masės santykis, kurio masė yra 12 amu. Yra žinoma, kad chloro molekulė yra dviatomė - Cl 2 . Santykinė chloro molekulės masė bus lygi:
M r (Cl 2) = 35,457 × 2 ≈ 71.
Chloro izotopai
Yra žinoma, kad gamtoje chloras gali būti dviejų stabilių izotopų 35 Cl (75,78 %) ir 37 Cl (24,22 %) pavidalu. Jų masės skaičiai yra atitinkamai 35 ir 37. Chloro izotopo 35 Cl atomo branduolyje yra septyniolika protonų ir aštuoniolika neutronų, o izotopas 37 Cl – tiek pat protonų ir dvidešimt neutronų.
Yra dirbtinių chloro izotopų, kurių masės skaičius yra nuo 35 iki 43, tarp kurių stabiliausias yra 36 Cl, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 301 tūkst.
Chloro jonai
Išoriniame chloro atomo energijos lygyje yra septyni elektronai, kurie yra valentiniai:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5.
Dėl cheminės sąveikos chloras gali prarasti valentinius elektronus, t.y. būti jų donoru, ir virsti teigiamai įkrautais jonais arba priimti elektronus iš kito atomo, t.y. būti jų akceptoriumi ir virsti neigiamo krūvio jonais:
Cl 0 -7e → Cl 7+;
Cl 0 -5e → Cl 5+;
Cl 0 -4e → Cl 4+;
Cl 0 -3e → Cl 3+;
Cl 0 -2e → Cl 2+;
Cl 0 -1e → Cl 1+;
Cl 0 +1e → Cl 1-.
Chloro molekulė ir atomas
Chloro molekulė susideda iš dviejų atomų – Cl 2 . Štai keletas savybių, apibūdinančių chloro atomą ir molekulę:
Problemų sprendimo pavyzdžiai
1 PAVYZDYS
| Pratimas | Kokį tūrį chloro reikia paimti, kad reaguotų su 10 litrų vandenilio? Dujos yra tomis pačiomis sąlygomis. |
| Sprendimas | Parašykime chloro sąveikos su vandeniliu reakcijos lygtį: Cl 2 + H 2 \u003d 2HCl. Apskaičiuokite sureagavusios vandenilio medžiagos kiekį: n (H2) = V (H2) / Vm; n (H 2) \u003d 10 / 22,4 \u003d 0,45 mol. Pagal lygtį n (H 2) \u003d n (Cl 2) \u003d 0,45 mol. Tada chloro, kuris pateko į sąveikos su vandeniliu reakciją, tūris yra: |
Kad ir kaip neigiamai vertintume viešuosius tualetus, gamta diktuoja savo taisykles, ir jūs turite juose lankytis. Be natūralių (šiai vietai) kvapų, dar vienas pažįstamas aromatas – patalpai dezinfekuoti naudojamas baliklis. Jis gavo savo pavadinimą dėl pagrindinės jame esančios veikliosios medžiagos - Cl. Sužinokime apie šį cheminį elementą ir jo savybes, taip pat apibūdinkime chlorą pagal vietą periodinėje sistemoje.
Kaip šis daiktas buvo atrastas
Pirmą kartą chloro turintį junginį (HCl) susintetino britų kunigas Josephas Priestley 1772 m.
Po 2 metų jo kolega švedas Karlas Scheele sugebėjo aprašyti Cl atskyrimo būdą naudojant druskos rūgšties ir mangano dioksido reakciją. Tačiau šis chemikas nesuprato, kad dėl to sintetinamas naujas cheminis elementas.
Mokslininkams prireikė beveik 40 metų, kad išmoktų praktiškai išgauti chlorą. Pirmą kartą tai padarė britas Humphrey Davy 1811 m. Tai darydamas jis panaudojo kitokią reakciją nei jo teoriniai pirmtakai. Davy suskaidė NaCl (dauguma žinomą kaip valgomoji druska) elektrolizės būdu.
Ištyręs gautą medžiagą britų chemikas suprato, kad tai elementarioji medžiaga. Po šio atradimo Davy ne tik pavadino jį - chloru (chloru), bet ir sugebėjo apibūdinti chlorą, nors jis buvo labai primityvus.
Chloras virto chloru (chloru) Joseph Gay-Lussac dėka ir šiuo metu egzistuoja prancūzų, vokiečių, rusų, baltarusių, ukrainiečių, čekų, bulgarų ir kai kuriomis kitomis kalbomis. Anglų kalboje iki šių dienų vartojamas pavadinimas „chlorin“, o italų ir ispanų kalboje „chloro“.
Nagrinėjamą elementą išsamiau aprašė Jensas Berzelius 1826 m. Būtent jis sugebėjo nustatyti jo atominę masę.
Kas yra chloras (Cl)
Įvertinus šio cheminio elemento atradimo istoriją, verta apie tai sužinoti daugiau.
Chloro pavadinimas kilo iš graikų kalbos žodžio χλωρός („žalia“). Jis buvo duotas dėl gelsvai žalsvos šios medžiagos spalvos.
Chloras egzistuoja kaip dviatomės dujos Cl 2, tačiau tokia forma gamtoje jo praktiškai nėra. Dažniau atsiranda įvairiuose junginiuose.
Be išskirtinio atspalvio, chlorui būdingas salsvai aitrus kvapas. Tai labai nuodinga medžiaga, todėl patekusi į orą ir įkvėpta žmogui ar gyvūnui, gali per kelias minutes (priklausomai nuo Cl koncentracijos) žūti.
Kadangi chloras yra beveik 2,5 karto sunkesnis už orą, jis visada bus žemiau jo, tai yra, šalia pačios žemės. Dėl šios priežasties, jei įtariate, kad yra Cl, turėtumėte pakilti kuo aukščiau, nes šių dujų koncentracija bus mažesnė.
Be to, skirtingai nuo kai kurių kitų toksiškų medžiagų, chloro turinčios medžiagos turi būdingą spalvą, kuri leidžia jas vizualiai atpažinti ir su jais veikti. Dauguma standartinių dujokaukių padeda apsaugoti kvėpavimo organus ir gleivines nuo Cl pažeidimų. Tačiau siekiant visiško saugumo, reikia imtis rimtesnių priemonių iki toksiškos medžiagos neutralizavimo.
Verta paminėti, kad cheminis ginklas pradėjo savo istoriją 1915 m., kai vokiečiai chlorą panaudojo kaip nuodingas dujas. Panaudojus beveik 200 tonų medžiagos, per kelias minutes apsinuodijo 15 tūkst. Trečdalis jų žuvo beveik akimirksniu, trečdaliui buvo padaryta nuolatinė žala, o pabėgti pavyko tik 5 tūkst.
Kodėl tokia pavojinga medžiaga vis dar nėra uždrausta ir kasmet išgaunama milijonai tonų? Viskas priklauso nuo jo ypatingų savybių, o norint jas suprasti, verta atsižvelgti į chloro savybes. Lengviausias būdas tai padaryti yra naudojant periodinę lentelę.
Chloro apibūdinimas periodinėje sistemoje
Chloras kaip halogenas
Be ypatingo toksiškumo ir aštraus kvapo (būdingo visiems šios grupės atstovams), Cl labai gerai tirpsta vandenyje. Praktinis to patvirtinimas yra chloro turinčių ploviklių įdėjimas į baseino vandenį.
Susilietus su drėgnu oru, nagrinėjama medžiaga pradeda rūkyti.
Cl, kaip nemetalo, savybės
Atsižvelgiant į chemines chloro savybes, verta atkreipti dėmesį į jo nemetalines savybes.
Jis turi galimybę sudaryti junginius su beveik visais metalais ir nemetalais. Pavyzdys yra reakcija su geležies atomais: 2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3.
Reakcijoms atlikti dažnai reikia naudoti katalizatorius. Šį vaidmenį gali atlikti H 2 O.
Dažnai reakcijos su Cl yra endoterminės (sugeria šilumą).
Reikėtų pažymėti, kad kristalinės formos (miltelių pavidalo) chloras sąveikauja su metalais tik kaitinamas iki aukštos temperatūros.
Reaguodamas su kitais nemetalais (išskyrus O 2, N, F, C ir inertines dujas), Cl susidaro junginiai – chloridai.
Reaguojant su O 2 susidaro oksidai, kurie yra itin nestabilūs ir linkę irti. Juose Cl oksidacijos būsena gali pasireikšti nuo +1 iki +7.
Sąveikaujant su F susidaro fluoridai. Jų oksidacijos laipsnis gali būti skirtingas.
Chloras: medžiagos charakteristika pagal jos fizines savybes
Be cheminių savybių, nagrinėjamas elementas turi ir fizinių savybių.
Temperatūros įtaka agreguotai Cl būklei
Atsižvelgdami į fizines chloro elemento savybes, suprantame, kad jis gali pereiti į skirtingas agregacijos būsenas. Viskas priklauso nuo temperatūros režimo.
Įprastoje būsenoje Cl yra labai ėsdinančios dujos. Tačiau jis gali lengvai suskystėti. Tam įtakos turi temperatūra ir slėgis. Pavyzdžiui, jei jis lygus 8 atmosferoms, o temperatūra +20 laipsnių Celsijaus, Cl 2 yra rūgštus geltonas skystis. Jis gali išlaikyti šią agregacijos būseną iki +143 laipsnių, jei slėgis taip pat toliau kyla.
Pasiekus -32 °C, chloro būsena nustoja priklausyti nuo slėgio ir išlieka skysta.
Medžiagos kristalizacija (kieta būsena) vyksta -101 laipsnio temperatūroje.
Kur gamtoje egzistuoja Cl
Atsižvelgiant į bendras chloro savybes, verta išsiaiškinti, kur gamtoje galima rasti tokį sudėtingą elementą.
Dėl didelio reaktyvumo jis beveik niekada nerandamas gryna forma (todėl šio elemento tyrimo pradžioje mokslininkams prireikė metų, kol išmoko jį sintetinti). Dažniausiai Cl randama junginiuose įvairiuose mineraluose: halite, silvine, kainite, bischofite ir kt.
Daugiausia jo yra druskos, išgautos iš jūros ar vandenyno vandens.
Poveikis organizmui
Svarstant apie chloro savybes, jau ne kartą buvo pasakyta, kad jis itin nuodingas. Tuo pačiu metu medžiagos atomų yra ne tik mineraluose, bet ir beveik visuose organizmuose – nuo augalų iki žmonių.
Dėl savo ypatingų savybių Cl jonai geriau nei kiti prasiskverbia pro ląstelių membranas (todėl daugiau nei 80% viso žmogaus organizme esančio chloro yra tarpląstelinėje erdvėje).
Kartu su K Cl yra atsakingas už vandens ir druskos balanso reguliavimą ir dėl to už osmosinę lygybę.
Nepaisant tokio svarbaus vaidmens organizme, grynas Cl 2 žudo visus gyvus dalykus – nuo ląstelių iki ištisų organizmų. Tačiau kontroliuojamomis dozėmis ir trumpalaikiu poveikiu jis nespėja padaryti žalos.
Ryškus paskutinio teiginio pavyzdys yra bet koks baseinas. Kaip žinia, vanduo tokiose įstaigose dezinfekuojamas Cl. Tuo pačiu metu, jei žmogus retai lankosi tokioje įstaigoje (kartą per savaitę ar mėnesį), mažai tikėtina, kad jis nukentės nuo šios medžiagos buvimo vandenyje. Tačiau tokių įstaigų darbuotojai, ypač tie, kurie vandenyje būna beveik visą dieną (gelbėtojai, instruktoriai) dažnai serga odos ligomis arba turi nusilpusią imuninę sistemą.
Dėl viso to, apsilankius baseinuose, būtina nusiprausti po dušu – nuplauti nuo odos ir plaukų galimus chloro likučius.
Cl vartojimas žmonėms
Iš chloro apibūdinimo turint omenyje, kad jis yra „kaprizingas“ elementas (kai kalbama apie sąveiką su kitomis medžiagomis), bus įdomu žinoti, kad jis gana dažnai naudojamas pramonėje.
Visų pirma, jis naudojamas daugeliui medžiagų dezinfekuoti.
Cl taip pat naudojamas tam tikrų rūšių pesticidų gamyboje, o tai padeda apsaugoti pasėlius nuo kenkėjų.
Šios medžiagos gebėjimas sąveikauti su beveik visais periodinės lentelės elementais (būdinga chlorui kaip nemetalui) padeda išgauti tam tikrų rūšių metalus (Ti, Ta ir Nb), taip pat kalkes ir druskos rūgštį. padėti.
Be visų aukščiau išvardytų, Cl naudojamas pramoninių medžiagų (polivinilchlorido) ir vaistų (chlorheksidino) gamyboje.
Verta paminėti, kad šiandien rasta efektyvesnė ir saugesnė dezinfekavimo priemonė – ozonas (O 3 ). Tačiau jo gamyba brangesnė nei chloro, o šios dujos net nestabilesnės už chlorą (fizinių savybių trumpas aprašymas 6-7 p.). Todėl nedaugelis gali sau leisti vietoj chloravimo naudoti ozonavimą.
Kaip gaminamas chloras?
Šiandien yra žinoma daug šios medžiagos sintezės metodų. Visi jie skirstomi į dvi kategorijas:
- Cheminis.
- Elektrocheminė.
Pirmuoju atveju Cl gaunamas kaip cheminės reakcijos rezultatas. Tačiau praktiškai jie yra labai brangūs ir neveiksmingi.
Todėl pramonėje pirmenybė teikiama elektrocheminiams metodams (elektrolizei). Jų yra trys: diafragma, membrana ir gyvsidabrio elektrolizė.
· Biologinis vaidmuo · Toksiškumas · Literatūra · Susiję straipsniai · Komentarai · Pastabos · Oficiali svetainė ·
Cheminiai metodai
Cheminiai chloro gavimo būdai yra neefektyvūs ir brangūs. Šiandien jie daugiausia turi istorinę reikšmę. Jį galima gauti reaguojant kalio permanganatui su druskos rūgštimi:
Scheele metodas
Iš pradžių pramoninis chloro gamybos metodas buvo pagrįstas Scheele metodu, ty piroluzito reakcija su druskos rūgštimi:
Diakono metodas
1867 m. Deacon sukūrė chloro gamybos metodą, kataliziškai oksiduojant vandenilio chloridą atmosferos deguonimi. Deacon procesas šiandien naudojamas chlorui išgauti iš vandenilio chlorido, šalutinio pramoninio organinių junginių chlorinimo produkto.
Elektrocheminiai metodai
Šiandien chloras gaminamas pramoniniu mastu kartu su natrio hidroksidu ir vandeniliu elektrolizuojant natrio chlorido tirpalą, kurio pagrindinius procesus galima pavaizduoti apibendrinančia formule:
Naudojami trys elektrocheminio chloro gamybos metodo variantai. Dvi iš jų – elektrolizė kietuoju katodu: diafragmos ir membranos metodai, trečioji – elektrolizė skysto gyvsidabrio katodu (gyvsidabrio gamybos būdas). Elektrocheminiais metodais gauto chloro kokybė mažai skiriasi:
diafragmos metodas
Senos diafragmos elektrolitinio elemento, skirto chlorui ir šarmui gaminti, schema: A- anodas, IN- izoliatoriai, SU- katodas, D- erdvė užpildyta dujomis (virš anodo - chloras, virš katodo - vandenilis), M- diafragma
Paprasčiausias elektrocheminis metodas, kalbant apie elektrolizatoriaus proceso organizavimą ir konstrukcines medžiagas, yra chloro gamybos diafragmos metodas.
Druskos tirpalas diafragminėje kameroje nuolat tiekiamas į anodo erdvę ir teka per asbesto diafragmą, dažniausiai montuojamą ant plieninio katodo tinklelio, į kurį kai kuriais atvejais pridedamas nedidelis polimero pluošto kiekis.
Diafragminis siurbimas atliekamas per elektrolizatorių pumpuojant masę iš asbesto pluoštų, kurios, įstrigusios katodinėje tinklelyje, suformuoja asbesto sluoksnį, kuris atlieka diafragmos vaidmenį.
Daugelyje elektrolizatorių konstrukcijų katodas yra visiškai panardintas po anolito sluoksniu (elektrolitas iš anodo erdvės), o ant katodo tinklelio išsiskyręs vandenilis pašalinamas iš po katodo naudojant dujų vamzdžius, neprasiskverbiant per diafragmą į anodo erdvę. dėl priešpriešinės srovės.
Priešpriešinis srautas yra labai svarbi diafragmos elementų konstrukcijos savybė. Dėl priešpriešinės srovės srauto, nukreipto iš anodo erdvės į katodo erdvę per porėtą diafragmą, tampa įmanoma atskirai gauti skysčių ir chloro. Priešsrovinis srautas skirtas neutralizuoti OH - jonų difuziją ir migraciją į anodo erdvę. Jei priešpriešinės srovės nepakanka, tada anodo erdvėje dideliais kiekiais pradeda formuotis hipochlorito jonas (ClO -), kuris po to prie anodo gali oksiduotis iki chlorato jono ClO 3 - . Chlorato jonų susidarymas labai sumažina dabartinį chloro efektyvumą ir yra pagrindinis šio metodo šalutinis procesas. Deguonies išsiskyrimas taip pat yra kenksmingas, be to, sunaikinami anodai ir, jei jie pagaminti iš anglies medžiagų, į chlorą patenka fosgeno priemaišos.
Anodas: - pagrindinis procesas Katodas: - pagrindinis procesas
Grafito arba anglies elektrodai gali būti naudojami kaip anodas diafragminiuose elektrolizatoriuose. Iki šiol juos daugiausia pakeitė titano anodai su rutenio oksido-titano danga (ORTA anodai) arba kiti mažai suvartojantys anodai.
Valgomoji druska, natrio sulfatas ir kitos priemaišos, kai jų koncentracija tirpale padidėja virš jų tirpumo ribos, nusėda. Šarminis tirpalas nupilamas nuo nuosėdų ir kaip gatavas produktas perkeliamas į sandėlį arba tęsiamas išgarinimo etapas, kad gautųsi kietas produktas, po to lydomas, pleiskanoja arba granuliuojamas.
Reversas, ty valgomoji druska, susikristalizavusi į nuosėdas, grąžinama atgal į procesą, ruošiant iš jos vadinamąjį atvirkštinį sūrymą. Iš jo, siekiant išvengti priemaišų kaupimosi tirpaluose, prieš ruošiant grįžtamąjį sūrymą priemaišos yra atskiriamos.
Anolito nuostoliai papildomi įpylus šviežio sūrymo, gauto po žeme išplovus halito, bischofito ir kitų mineralų, turinčių natrio chlorido, druskų sluoksnius, be to, juos ištirpinant specialiuose induose gamybos vietoje. Prieš sumaišant su atvirkštiniu sūrymu, šviežias sūrymas išvalomas nuo mechaninių suspensijų ir nemažos dalies kalcio ir magnio jonų.
Susidaręs chloras atskiriamas nuo vandens garų, suspaudžiamas ir tiekiamas chloro turinčių produktų gamybai arba skystinimui.
Dėl savo santykinai paprastumo ir mažų sąnaudų chloro gamybos diafragmos metodas vis dar plačiai naudojamas pramonėje.
Diafragminio elektrolizatoriaus schema.Membraninis metodas
Membraninis chloro gamybos būdas yra energetiškai efektyviausias, tačiau tuo pat metu jį sunku organizuoti ir eksploatuoti.
Elektrocheminių procesų požiūriu membraninis metodas yra panašus į diafragmos metodą, tačiau anodo ir katodo erdvės yra visiškai atskirtos anijonams nepralaidžia katijonų mainų membrana. Todėl membraniniame elektrolizatoriuje, priešingai nei diafragmos elemente, yra ne vienas srautas, o du.
Kaip ir diafragmos metodu, druskos tirpalo srautas patenka į anodo erdvę. O katode – dejonizuotas vanduo. Iš katodo erdvės teka išeikvoto anolito srautas, kuriame taip pat yra hipochlorito ir chlorato jonų priemaišų bei išeina chloras, o iš anodo erdvės - šarmo ir vandenilio, kurie praktiškai neturi priemaišų ir yra artimi komercinei koncentracijai, o tai sumažina energijos sąnaudos jų garinimui ir valymui.
Tuo pačiu metu tiekiamas druskos tirpalas (tiek šviežias, tiek perdirbtas) ir vanduo iš anksto išvalomi nuo bet kokių nešvarumų, kiek įmanoma. Tokį kruopštų valymą lemia didelė polimerinių katijonų mainų membranų kaina ir jų pažeidžiamumas tiekimo tirpalo priemaišoms.
Be to, ribota geometrinė forma ir, be to, mažas jonų mainų membranų mechaninis stiprumas ir terminis stabilumas iš esmės lemia santykinai sudėtingas membraninių elektrolizės įrenginių konstrukcijas. Dėl tos pačios priežasties membraninėms gamykloms reikalingos sudėtingiausios automatinės valdymo ir valdymo sistemos.
Membraninio elektrolizatoriaus schema.Gyvsidabrio metodas su skystu katodu
Daugelyje elektrocheminių chloro gavimo metodų gyvsidabrio metodas leidžia gauti gryniausią chlorą.
Gyvsidabrio elektrolizatoriaus schema.Gyvsidabrio elektrolizės įrenginį sudaro elektrolizatorius, amalgamos skaidytojas ir gyvsidabrio siurblys, sujungti gyvsidabriui laidžiomis komunikacijomis.
Elektrolizatoriaus katodas yra gyvsidabrio srautas, kurį siurbia siurblys. Anodai – grafitas, anglis arba mažai nusidėvi (ORTA, TDMA ar kt.). Kartu su gyvsidabriu per elektrolizatorių nuolat teka natrio chlorido tiekimo tirpalo srovė.
Anode iš elektrolito oksiduojasi chloro jonai ir išsiskiria chloras:
- pagrindinis procesasIš elektrolizatoriaus pašalinamas chloras ir anolitas. Iš elektrolizatoriaus išeinantis anolitas prisotinamas šviežiu halitu, su juo patekusios, taip pat iš anodų ir konstrukcinių medžiagų išplautos priemaišos iš jo pašalinamos ir grąžinamos į elektrolizę. Prieš prisotinimą jame ištirpęs chloras išgaunamas iš anolito.
Augantys aplinkosaugos reikalavimai gamybos saugumui ir didelės metalinio gyvsidabrio kainos lemia laipsnišką gyvsidabrio metodo pakeitimą chloro gavimo kietuoju katodu metodais.
Laboratoriniai metodai
Dėl chloro prieinamumo laboratorinėje praktikoje dažniausiai naudojamas suskystintas chloras buteliuose. Chloras gali būti gaunamas veikiant rūgštimi natrio hipochloritui:
Be to, išsiskiria ir deguonis. Jei naudojate druskos rūgštį, reakcija atrodo kitaip:
Norint gauti chloro nedideliais kiekiais, dažniausiai naudojami procesai, pagrįsti vandenilio chlorido oksidavimu stipriais oksidatoriais (pavyzdžiui, mangano (IV) oksidu, kalio permanganatu, kalio dichromatu, švino dioksidu, Bertolo druska ir kt.), mangano dioksidas. arba kalio permanganatas:
Jei nėra galimybės naudoti balionų, chlorui gaminti gali būti naudojami nedideli elektrolizatoriai su įprastiniu arba vožtuviniu elektrodu.
| Chloras | |
|---|---|
| atominis skaičius | 17 |
| Paprastos medžiagos išvaizda | Geltonai žalios aštraus kvapo dujos. nuodingas. |
| Atomo savybės | |
| Atominė masė (molinė masė) |
35,4527 amu (g/mol) |
| Atomo spindulys | 22 val |
| Jonizacijos energija (pirmasis elektronas) |
1254.9(13.01) kJ/mol (eV) |
| Elektroninė konfigūracija | 3s 2 3p 5 |
| Cheminės savybės | |
| kovalentinis spindulys | 99 val |
| Jonų spindulys | (+7e)27 (-1e)181 val |
| Elektronegatyvumas (pagal Paulingą) |
3.16 |
| Elektrodo potencialas | 0 |
| Oksidacijos būsenos | 7, 6, 5, 4, 3, 1, −1 |
| Paprastos medžiagos termodinaminės savybės | |
| Tankis | (esant -33,6 °C)1,56 g/cm³ |
| Molinė šiluminė talpa | 21,838 J/(K mol) |
| Šilumos laidumas | 0,009 W / (K) |
| Lydymosi temperatūra | 172.2 |
| Lydymosi karštis | 6,41 kJ / mol |
| Virimo temperatūra | 238.6 |
| Garavimo šiluma | 20,41 kJ/mol |
| Molinis tūris | 18,7 cm³/mol |
| Paprastos medžiagos kristalinė gardelė | |
| Grotelių struktūra | ortorombinis |
| Grotelių parametrai | a=6,29 b=4,50 c=8,21 Å |
| c/a santykis | — |
| Debye temperatūra | n/a K |
Chloras (χλωρός - žalia) - septintosios grupės pagrindinio pogrupio, trečiojo periodinės cheminių elementų sistemos periodo, elementas, kurio atominis skaičius yra 17.
Elementas Chloras pavaizduotas simboliu Cl(lot. Chloras). Reaktyvus nemetalas. Priklauso halogenų grupei (iš pradžių pavadinimą „halogenas“ vokiečių chemikas Schweigeris vartojo chlorui [pažodžiui „halogenas“ verčiamas kaip druska), tačiau neprigijo, o vėliau paplito VII a. elementų grupė, kuriai priklauso chloras).
paprasta medžiaga chloro(CAS numeris: 7782-50-5) Normaliomis sąlygomis gelsvai žalios nuodingos dujos, turinčios aštrų kvapą. Chloro molekulė yra dviatomė (formulė Cl 2).
Chloro atradimo istorija
Chloro atomo diagrama
Pirmą kartą chlorą 1772 m. gavo Scheele, kuris savo traktate apie piroliusitą aprašė jo išsiskyrimą piroliusitui sąveikaujant su druskos rūgštimi:
4HCl + MnO 2 \u003d Cl 2 + MnCl 2 + 2H 2 O
Scheele atkreipė dėmesį į chloro kvapą, panašų į Aqua Regia kvapą, jo gebėjimą sąveikauti su auksu ir cinaberu, taip pat balinančias savybes.
Scheele, remdamasis to meto chemijoje vyravusia flogistono teorija, pasiūlė, kad chloras yra deflogistinis. vandenilio chlorido rūgštis t.y. druskos rūgšties oksidas. Berthollet ir Lavoisier teigė, kad chloras yra elemento oksidas muria Tačiau bandymai jį izoliuoti buvo nesėkmingi iki Deivio darbo, kuriam pavyko suskaidyti valgomąją druską elektrolizės būdu į natrio Ir chloro.
Paplitimas gamtoje
Gamtoje yra du chloro izotopai 35 Cl ir 37 Cl. Chloras yra gausiausias halogenas žemės plutoje. Chloras yra labai aktyvus – jis tiesiogiai derinamas su beveik visais periodinės lentelės elementais.
Gamtoje jis randamas tik junginių pavidalu mineralų sudėtyje: halitas NaCI, silvinas KCl, silvinitas KCl NaCl, bischofitas MgCl 2 6H2O, karnalitas KCl MgCl 2 6H 2 O, kainitas KCl Mg2 O 4 3H. chloro atsargos yra jūrų ir vandenynų vandenų druskose.
Chloras sudaro 0,025% viso žemės plutoje esančių atomų skaičiaus, Klarko chloro skaičius yra 0,19%, o žmogaus kūne yra 0,25% chloro jonų masės. Žmonėms ir gyvūnams chloras daugiausia randamas tarpląsteliniuose skysčiuose (įskaitant kraują) ir atlieka svarbų vaidmenį reguliuojant osmosinius procesus, taip pat procesus, susijusius su nervinių ląstelių funkcionavimu.
Izotopinė sudėtis
Gamtoje yra 2 stabilūs chloro izotopai: kurių masės skaičius yra 35 ir 37. Jų kiekio proporcijos yra atitinkamai 75,78% ir 24,22%.
| Izotopas | Santykinė masė, a.m.u. | Pusė gyvenimo | Skilimo tipas | branduolinis sukinys |
|---|---|---|---|---|
| 35Cl | 34.968852721 | stabilus | — | 3/2 |
| 36Cl | 35.9683069 | 301 000 metų | β-skilimas 36 Ar | 0 |
| 37Cl | 36.96590262 | stabilus | — | 3/2 |
| 38Cl | 37.9680106 | 37,2 minutės | β-skilimas 38 Ar | 2 |
| 39Cl | 38.968009 | 55,6 minutės | β-skilimas 39 Ar | 3/2 |
| 40Cl | 39.97042 | 1,38 minutės | β-skilimas per 40 Ar | 2 |
| 41Cl | 40.9707 | 34 a | β-skilimas 41 Ar | |
| 42Cl | 41.9732 | 46,8 s | β-skilimas 42 Ar | |
| 43Cl | 42.9742 | 3,3 s | β-skilimas 43 Ar |
Fizinės ir fizikinės-cheminės savybės
Įprastomis sąlygomis chloras yra gelsvai žalios dujos, turinčios kvapą. Kai kurios jo fizinės savybės pateiktos lentelėje.
| Nuosavybė | Reikšmė |
|---|---|
| Virimo temperatūra | -34°C |
| Lydymosi temperatūra | -101°C |
| Skilimo temperatūra (disociacijos į atomus) |
~1400°С |
| Tankis (dujos, n.o.s.) | 3,214 g/l |
| Afinitetas atomo elektronui | 3,65 eV |
| Pirmoji jonizacijos energija | 12,97 eV |
| Šilumos talpa (298 K, dujos) | 34,94 (J/mol K) |
| Kritinė temperatūra | 144°C |
| kritinis spaudimas | 76 atm |
| Standartinė formavimosi entalpija (298 K, dujos) | 0 (kJ/mol) |
| Standartinė formavimosi entropija (298 K, dujos) | 222,9 (J/mol K) |
| Susiliejimo entalpija | 6,406 (kJ/mol) |
| Virimo entalpija | 20,41 (kJ/mol) |
Atvėsęs chloras maždaug 239 K temperatūroje virsta skysčiu, o žemiau 113 K kristalizuojasi į ortorombinę gardelę su erdvine grupe. cmca ir parametrai a=6,29 b=4,50, c=8,21. Žemesnėje nei 100 K temperatūroje ortorombinė kristalinio chloro modifikacija virsta tetragonine, kuri turi erdvės grupę P4 2 /ncm ir gardelės parametrai a=8,56 ir c=6,12 .
Tirpumas
Chloro molekulės disociacijos laipsnis Cl 2 → 2Cl. 1000 K temperatūroje jis yra 2,07 * 10 -4%, o esant 2500 K - 0,909%.
Kvapo suvokimo slenkstis ore yra 0,003 (mg/l).
CAS registre - numeris 7782-50-5.
Pagal elektrinį laidumą skystasis chloras priskiriamas prie stipriausių izoliatorių: jis praleidžia srovę beveik milijardą kartų prasčiau nei distiliuotas vanduo ir 10 22 kartus prasčiau nei sidabras. Garso greitis chlore yra maždaug pusantro karto mažesnis nei ore.
Cheminės savybės
Elektronų apvalkalo sandara
Chloro atomo valentiniame lygyje yra 1 nesuporuotas elektronas: 1S² 2S² 2p 6 3S² 3p 5, todėl chloro atomo valentingumas 1 yra labai stabilus. Dėl to, kad chloro atome yra neužimtos d-polygio orbitalės, chloro atomas taip pat gali turėti kitų valentų. Atomo sužadintų būsenų susidarymo schema:
Taip pat žinomi chloro junginiai, kuriuose chloro atomas formaliai turi 4 ir 6 valentingumą, pavyzdžiui, ClO 2 ir Cl 2 O 6 . Tačiau šie junginiai yra radikalai, tai reiškia, kad jie turi vieną nesuporuotą elektroną.
Sąveika su metalais
Chloras tiesiogiai reaguoja su beveik visais metalais (kai kurie tik esant drėgmei arba kaitinant):
Cl 2 + 2Na → 2NaCl 3Cl 2 + 2Sb → 2SbCl 3 3Cl 2 + 2Fe → 2FeCl 3
Sąveika su nemetalais
Šviesoje arba kaitinamas jis radikaliu mechanizmu aktyviai (kartais sprogsta) reaguoja su vandeniliu. Chloro ir vandenilio mišiniai, kuriuose yra nuo 5,8 iki 88,3% vandenilio, apšvitinami sprogsta ir susidaro vandenilio chloridas. Chloro ir vandenilio mišinys mažomis koncentracijomis dega bespalve arba gelsvai žalia liepsna. Maksimali vandenilio-chloro liepsnos temperatūra yra 2200 °C.:
Cl 2 + H 2 → 2HCl 5Cl 2 + 2P → 2PCl 5 2S + Cl 2 → S 2 Cl 2 Cl 2 + 3F 2 (pvz.) → 2ClF 3
Kitos savybės
Cl 2 + CO → COCl 2Ištirpęs vandenyje arba šarmuose, chloras dismutuojasi, sudarydamas hipochlorinę (o kaitinant perchloro) ir druskos rūgštis arba jų druskas:
Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO 3Cl 2 + 6NaOH → 5NaCl + NaClO 3 + 3H 2 O Cl 2 + Ca(OH) 2 → CaCl(OCl) + H 2 O 4NH 3 + 3Cl 2 → NCl 3 + 3NH 4Cl
Oksidacinės chloro savybės
Cl 2 + H 2 S → 2HCl + SReakcijos su organinėmis medžiagomis
CH 3 -CH 3 + Cl 2 → C 2 H 6-x Cl x + HClPrisijungia prie nesočiųjų junginių keliais ryšiais:
CH 2 \u003d CH 2 + Cl 2 → Cl-CH 2 -CH 2 -Cl
Aromatiniai junginiai pakeičia vandenilio atomą chloru, esant katalizatoriams (pavyzdžiui, AlCl3 arba FeCl3):
C 6 H 6 + Cl 2 → C 6 H 5 Cl + HCl
Kaip gauti
Pramoniniai metodai
Iš pradžių pramoninis chloro gamybos metodas buvo pagrįstas Scheele metodu, ty piroluzito reakcija su druskos rūgštimi:
MnO 2 + 4HCl → MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O
1867 m. Deacon sukūrė chloro gamybos metodą, kataliziškai oksiduojant vandenilio chloridą atmosferos deguonimi. Deacon procesas šiuo metu naudojamas chlorui išgauti iš vandenilio chlorido, šalutinio pramoninio organinių junginių chlorinimo produkto.
4HCl + O 2 → 2H 2 O + 2Cl 2
Šiandien chloras gaminamas pramoniniu mastu kartu su natrio hidroksidu ir vandeniliu elektrolizės būdu natrio chlorido tirpale:
2NaCl + 2H 2O → H 2 + Cl 2 + 2NaOH Anodas: 2Cl - - 2e - → Cl 2 0 Katodas: 2H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH -
Kadangi vandens elektrolizė vyksta lygiagrečiai su natrio chlorido elektrolize, visa lygtis gali būti išreikšta taip:
1,80 NaCl + 0,50 H 2 O → 1,00 Cl 2 + 1,10 NaOH + 0,03 H 2
Naudojami trys elektrocheminio chloro gamybos metodo variantai. Dvi iš jų – elektrolizė kietuoju katodu: diafragmos ir membranos metodai, trečioji – elektrolizė skysto gyvsidabrio katodu (gyvsidabrio gamybos būdas). Iš elektrocheminių gamybos būdų gyvsidabrio katodo elektrolizė yra lengviausias ir patogiausias būdas, tačiau šis metodas daro didelę žalą aplinkai dėl metalinio gyvsidabrio išgaravimo ir nuotėkio.
Diafragmos metodas su kietuoju katodu
Ląstelės ertmė akyta asbesto pertvara – diafragma – padalinta į katodo ir anodo erdvę, kur atitinkamai yra elemento katodas ir anodas. Todėl toks elektrolizatorius dažnai vadinamas diafragmine elektrolize, o gamybos būdas – diafragminė elektrolizė. Prisotinto anolito (NaCl tirpalo) srautas nuolat patenka į diafragmos elemento anodo erdvę. Dėl elektrocheminio proceso anode išsiskiria chloras dėl halito irimo, o vandenilis – katode dėl vandens irimo. Šiuo atveju beveik katodo zona yra praturtinta natrio hidroksidu.
Membraninis metodas su kietu katodu
Membraninis metodas iš esmės panašus į diafragmos metodą, tačiau anodo ir katodo erdvės yra atskirtos katijonų mainų polimerine membrana. Membranos gamybos būdas yra efektyvesnis nei diafragmos metodas, tačiau jį naudoti sunkiau.
Gyvsidabrio metodas su skystu katodu
Procesas atliekamas elektrolitinėje vonioje, kurią sudaro elektrolizatorius, skaidytojas ir gyvsidabrio siurblys, sujungti ryšiais. Elektrolitinėje vonioje, veikiant gyvsidabrio siurbliui, gyvsidabris cirkuliuoja, eidamas per elektrolizatorių ir skaidiklį. Ląstelės katodas yra gyvsidabrio srovė. Anodai – grafitas arba mažas susidėvėjimas. Kartu su gyvsidabriu per elektrolizatorių nuolat teka anolito, natrio chlorido tirpalo, srovė. Dėl elektrocheminio chlorido skilimo prie anodo susidaro chloro molekulės, o išsiskyręs natris katode ištirpsta gyvsidabriu, sudarydamas amalgamą.
Laboratoriniai metodai
Laboratorijose chlorui gauti dažniausiai naudojami procesai, pagrįsti vandenilio chlorido oksidavimu stipriais oksidatoriais (pavyzdžiui, mangano (IV) oksidu, kalio permanganatu, kalio dichromatu):
2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 +8H 2O K 2Cr 2O 7 + 14HCl → 3Cl 2 + 2KCl + 2CrCl 3 + 7H 2 O
Chloro saugojimas
Pagamintas chloras laikomas specialiose „cisternose“ arba pumpuojamas į aukšto slėgio plieninius cilindrus. Cilindrai su slėgiu skystu chloru turi ypatingą spalvą - pelkės spalvą. Pažymėtina, kad ilgai naudojant chloro balionus, juose kaupiasi itin sprogus azoto trichloridas, todėl laikas nuo laiko chloro balionus reikia reguliariai praplauti ir išvalyti nuo azoto chlorido.
Chloro kokybės standartai
Pagal GOST 6718-93 „Skystas chloras. Specifikacijos“ gaminamas šių rūšių chloras
Taikymas
Chloras naudojamas daugelyje pramonės šakų, mokslo ir buities reikmėms:
Pagrindinis baliklio ingredientas yra chloro vanduo.
- Gaminant polivinilchloridą, plastiko mišinius, sintetinę kaučiuką, iš kurių gaminama: laidų izoliacija, langų profiliai, pakavimo medžiagos, drabužiai ir avalynė, linoleumo ir gramofono plokštelės, lakai, įranga ir putplastis, žaislai, instrumentų dalys, Statybinės medžiagos. Polivinilchloridas gaminamas polimerizuojant vinilchloridą, kuris šiandien dažniausiai gaunamas iš etileno chloro subalansuotu būdu per tarpinį 1,2-dichloretaną.
- Chloro balinimo savybės žinomos nuo senų senovės, nors „balina“ ne pats chloras, o atominis deguonis, kuris susidaro irstant hipochloro rūgščiai: Cl 2 + H 2 O → HCl + HClO → 2HCl + O .. Šis audinių, popieriaus, kartono balinimo būdas buvo naudojamas šimtmečius.
- Chlororganinių insekticidų gamyba – medžiagos, kurios naikina pasėliams kenksmingus vabzdžius, tačiau yra saugios augalams. Nemaža dalis pagaminamo chloro išleidžiama augalų apsaugos produktams gauti. Vienas iš svarbiausių insekticidų yra heksachlorcikloheksanas (dažnai vadinamas heksachloranu). Pirmą kartą šią medžiagą 1825 m. susintetino Faradėjus, tačiau praktiškai ji buvo pritaikyta tik po daugiau nei 100 metų – mūsų amžiaus 30-aisiais.
- Jis buvo naudojamas kaip cheminė kovos priemonė, taip pat gaminant kitas chemines kovines medžiagas: vandenį iš čiaupo, tačiau jie negali pasiūlyti alternatyvos dezinfekciniam chloro junginių poveikiui. Medžiagos, iš kurių gaminami vandens vamzdžiai, skirtingai sąveikauja su chloruotu vandentiekio vandeniu. Vandenyje iš čiaupo esantis laisvas chloras žymiai sumažina vamzdynų, kurių pagrindą sudaro poliolefinai, eksploatavimo laiką: įvairių tipų polietileniniai vamzdžiai, įskaitant ir skersinį polietileną, plačiau žinomą kaip PEX (PEX, PE-X). JAV, siekdamos kontroliuoti vamzdynų, pagamintų iš polimerinių medžiagų, naudojamų vandens tiekimo sistemose su chloruotu vandeniu, įleidimą, jie buvo priversti priimti 3 standartus: ASTM F2023 vamzdžiams iš kryžminio polietileno (PEX) ir karšto chloruoto vandens, ASTM F2263 – visiems polietileniniams vamzdžiams ir chloruotam vandeniui, o ASTM F2330 – daugiasluoksniams (metalo polimerų) vamzdžiams ir karštam chloruotam vandeniui. Teigiamą reakciją patvarumo požiūriu sąveikaujant su chloruotu vandeniu rodo vario degimas (žarnyne. Chloro absorbcija ir išskyrimas yra glaudžiai susiję su natrio jonais ir bikarbonatais, kiek mažesniu mastu su mineralokortikoidais ir Na + / K + - aktyvumu). ATP-azė.10-15% viso chloro, iš šio kiekio, nuo 1/3 iki 1/2 - eritrocituose... Apie 85% chloro yra tarpląstelinėje erdvėje.Chloras iš organizmo išsiskiria daugiausia su šlapimu (90-95%), išmatomis (4-8%) ir per odą (iki 2%) Chloro išsiskyrimas yra susijęs su natrio ir kalio jonais, o kartu su HCO 3 - (rūgščių-šarmų balansas).
Žmogus per dieną suvartoja 5-10 g NaCl. Minimalus žmogaus poreikis chlorui yra apie 800 mg per dieną. Kūdikis reikiamą chloro kiekį gauna per motinos pieną, kuriame yra 11 mmol/l chloro. NaCl būtinas druskos rūgšties gamybai skrandyje, kuri skatina virškinimą ir patogeninių bakterijų naikinimą. Šiuo metu chloro vaidmuo sergant tam tikromis žmonių ligomis nėra gerai suprantamas, daugiausia dėl nedidelio tyrimų skaičiaus. Pakanka pasakyti, kad net rekomendacijos dėl chloro paros normos nebuvo parengtos. Žmogaus raumenų audinyje yra 0,20-0,52% chloro, kauluose - 0,09%; kraujyje – 2,89 g/l. Vidutinio žmogaus (kūno svoris 70 kg) organizme 95 g chloro. Kasdien su maistu žmogus gauna 3-6 g chloro, kurio perteklius padengia šio elemento poreikį.
Chloro jonai yra gyvybiškai svarbūs augalams. Chloras dalyvauja energijos apykaitoje augaluose, aktyvindamas oksidacinį fosforilinimą. Jis būtinas deguonies susidarymui fotosintezės procese iš izoliuotų chloroplastų, stimuliuoja pagalbinius fotosintezės procesus, pirmiausia susijusius su energijos kaupimu. Chloras teigiamai veikia deguonies, kalio, kalcio ir magnio junginių įsisavinimą iš šaknų. Per didelė chloro jonų koncentracija augaluose taip pat gali turėti neigiamą pusę, pavyzdžiui, sumažinti chlorofilo kiekį, fotosintezės aktyvumą, sulėtinti augalų augimą ir vystymąsi. Tačiau yra augalų, kurie evoliucijos procese arba prisitaikė prie dirvožemio druskingumo, arba, kovodami dėl vietos, užėmė tuščias druskingąsias pelkes, kuriose nėra konkurencijos. Augalai, augantys druskingame dirvožemyje, vadinami halofitais, jie kaupia chloridą auginimo sezono metu, o vėliau pašalina jo perteklių per lapų kritimą arba išskiria chloridą ant lapų ir šakų paviršiaus ir gauna dvigubą naudą – paviršių užtemdo nuo saulės spindulių. Rusijoje halofitai auga ant druskos kupolų, druskos telkinių atodangų ir druskingų įdubų aplink Baskunčako ir Eltono druskos ežerus.
Tarp mikroorganizmų taip pat žinomi halofilai – halobakterijos – gyvenančios labai druskinguose vandenyse arba dirvožemyje.
Veikimo ypatybės ir atsargumo priemonės
Chloras yra nuodingos dusinančios dujos, kurios, patekusios į plaučius, sukelia plaučių audinio nudegimus, uždusimą. Jis turi dirginantį poveikį kvėpavimo takams, kai koncentracija ore yra apie 0,006 mg / l (t. y. dvigubai didesnė už chloro kvapo slenkstį). Chloras buvo viena iš pirmųjų cheminių karinių medžiagų, kurias Vokietija naudojo Pirmajame pasauliniame kare. Dirbant su chloru, reikia dėvėti apsauginius drabužius, dujokaukes ir pirštines. Trumpą laiką kvėpavimo organus nuo chloro patekimo galima apsaugoti skuduriniu tvarsčiu, sudrėkintu natrio sulfito Na 2 SO 3 arba natrio tiosulfato Na 2 S 2 O 3 tirpalu.
Chloro MPC atmosferos ore yra toks: vidutinis paros kiekis - 0,03 mg/m³; didžiausias vienkartinis - 0,1 mg / m³; pramonės įmonės darbo patalpose - 1 mg / m³.
Papildoma informacija
Chloro gamyba Rusijoje
aukso chloridas
Chloro vanduo
Balinimo milteliai
Pirmasis Reize bazinis chloridas
Antrasis Reize bazinis chloridasChloro junginiai
Hipochloritai
Perchloratai
Rūgščių chloridai
Chloratai
chloridai
Organiniai chloro junginiaiAnalizuojama
— Etaloninių elektrodų ESr-10101 pagalba analizuojant Cl- ir K+ kiekį.
RUSIJOS FEDERACIJOS Švietimo ir mokslo ministerija
Federalinė VALSTYBĖ AUKŠTOJO PROFESINIO MOKYMO INSTITUCIJA
IVANOVSK VALSTYBINIS CHEMIJOS IR TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS
TP ir MET departamentas
Esė
Chloras: savybės, pritaikymas, gamyba
Vadovas: Efremov A.M.
Ivanovas 2015 m
Įvadas
Bendra informacija apie chlorą
Chloro taikymas
Cheminiai chloro gamybos metodai
Elektrolizė. Proceso samprata ir esmė
Pramoninė chloro gamyba
Chloro gamybos saugumas ir aplinkos apsauga
Išvada
Įvadas
chloro cheminio elemento elektrolizė
Dėl chloro naudojimo įvairiose mokslo, pramonės, medicinos ir kasdieniame gyvenime masto pastaruoju metu jo paklausa smarkiai išaugo. Yra daug būdų chlorui gauti laboratoriniais ir pramoniniais metodais, tačiau visi jie turi daugiau trūkumų nei privalumų. Chloro gamyba, pavyzdžiui, iš druskos rūgšties, kuri yra daugelio chemijos ir kitų pramonės šakų šalutinis produktas ir atliekos, arba druskos telkiniuose kasamos valgomosios druskos, yra gana daug energijos reikalaujantis procesas, žalingas aplinkai ir labai pavojingas gyvybei. ir sveikata.
Šiuo metu labai aktuali problema sukurti chloro gamybos technologiją, kuri pašalintų visus minėtus trūkumus, o taip pat būtų didelė chloro išeiga.
.Bendra informacija apie chlorą
Pirmą kartą chlorą 1774 m. gavo K. Scheele, sąveikaujant druskos rūgščiai su piroliusitu MnO2. Tačiau tik 1810 metais G. Davy nustatė, kad chloras yra elementas ir pavadino jį chloru (iš graikų chloros – geltonai žalia). 1813 metais J. L. Gay-Lussac pasiūlė šiam elementui pavadinti „Chloras“.
Chloras yra D. I. Mendelejevo periodinės elementų lentelės VII grupės elementas. Molekulinė masė 70,906, atominė masė 35,453, atominis skaičius 17, priklauso halogenų šeimai. Įprastomis sąlygomis laisvasis chloras, susidedantis iš dviatominių molekulių, yra žalsvai gelsvos nedegios dujos, turinčios būdingą aštrų ir dirginantį kvapą. Jis yra nuodingas ir sukelia uždusimą. Suslėgtos chloro dujos esant atmosferos slėgiui -34,05 ° C temperatūroje virsta gintaro skysčiu, kietėja esant -101,6 ° C ir 1 atm slėgiui. Paprastai chloras yra 75,53% 35Cl ir 24,47% 37Cl mišinys. Normaliomis sąlygomis chloro dujų tankis yra 3,214 kg/m3, tai yra apie 2,5 karto sunkesnis už orą.
Chemiškai chloras yra labai aktyvus, jis tiesiogiai jungiasi su beveik visais metalais (su kai kuriais tik esant drėgmei arba kaitinamas) ir su nemetalais (išskyrus anglį, azotą, deguonį, inertines dujas), sudarydamas atitinkamus chloridus, reaguoja. su daugeliu junginių, pakeičia vandenilį sočiųjų angliavandenilių ir prisijungia prie nesočiųjų junginių. Taip yra dėl plataus jo taikymo įvairovės. Chloras išstumia bromą ir jodą iš jų junginių su vandeniliu ir metalais. Šarminiai metalai, esant drėgmės pėdsakams, sąveikauja su chloru užsidegdami, dauguma metalų su sausu chloru reaguoja tik kaitinant. Plienas, kaip ir kai kurie metalai, yra atsparus sausam chlorui esant žemai temperatūrai, todėl jie naudojami įrangai gaminti ir sauso chloro sandėliavimui. Fosforas užsidega chloro atmosferoje, sudarydamas РCl3, o toliau chloruojant - РCl5. Kaitinant siera su chloru, susidaro S2Cl2, SCl2 ir kiti SnClm. Arsenas, stibis, bismutas, stroncis, telūras energingai sąveikauja su chloru. Chloro ir vandenilio mišinys dega bespalve arba gelsvai žalia liepsna ir susidaro vandenilio chloridas (tai grandininė reakcija). Maksimali vandenilio-chloro liepsnos temperatūra yra 2200°C. Chloro ir vandenilio mišiniai, kuriuose yra nuo 5,8 iki 88,5% H2, yra sprogūs ir gali sprogti nuo šviesos, elektros kibirkšties, šildymo, nuo tam tikrų medžiagų, tokių kaip geležies oksidai, buvimo.
Su deguonimi chloras sudaro oksidus: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, Cl2O8, taip pat hipochloritus (hipochlorido rūgšties druskas), chloritus, chloratus ir perchloratus. Visi chloro deguonies junginiai sudaro sprogius mišinius su lengvai oksiduojamomis medžiagomis. Chloro oksidai yra nestabilūs ir gali savaime sprogti, hipochloritai lėtai skyla sandėliavimo metu, chloratai ir perchloratai gali sprogti veikiami iniciatorių. Vandenyje esantis chloras hidrolizuojamas, susidaro hipochloro ir druskos rūgštys: Cl2 + H2O? HClO + HCl. Gautas gelsvas tirpalas dažnai vadinamas chloro vandeniu. Chloruojant vandeninius šarmų tirpalus šaltyje, susidaro hipochloritai ir chloridai: 2NaOH + Cl2 \u003d NaClO + NaCl + H2O, o kaitinant - chloratai. Chloruojant sausą kalcio hidroksidą gaunamas baliklis. Kai amoniakas reaguoja su chloru, susidaro azoto trichloridas. Chloruojant organinius junginius, chloras arba pakeičia vandenilį, arba prideda per daugybinius ryšius, sudarydamas įvairius chloro turinčius organinius junginius. Chloras sudaro tarphalogeninius junginius su kitais halogenais. Chloro fluoridai ClF, ClF3, ClF3 yra labai reaktyvūs; pavyzdžiui, ClF3 atmosferoje stiklo vata užsidega savaime. Žinomi chloro junginiai su deguonimi ir fluoru – chloro oksifluoridai: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 ir fluoro perchloratas FClO4.
Chloras gamtoje randamas tik junginių pavidalu. Jo vidutinis kiekis žemės plutoje yra 1,7 10-2 % masės. Vandens migracija vaidina svarbų vaidmenį chloro istorijoje žemės plutoje. Cliono pavidalu jis randamas Pasaulio vandenyne (1,93%), požeminiuose sūrymuose ir druskos ežeruose. Savų mineralų (daugiausia natūralių chloridų) skaičius yra 97, iš kurių pagrindinis yra halitas NaCl (akmens druska). Taip pat yra didelių kalio ir magnio chloridų bei mišrių chloridų telkinių: silvino KCl, silvinito (Na,K)Cl, karnalito KCl MgCl2 6H2O, kainito KCl MgSO4 3H2O, bischofito MgCl2 6H2O. Žemės istorijoje didelę reikšmę turėjo vulkaninėse dujose esančio HCl tiekimas į viršutines žemės plutos dalis.
Chloro kokybės standartai
Rodyklės pavadinimas GOST 6718-93Aukšta klasėPirmoji klasė Chloro tūrinė dalis, ne mažesnė kaip, % 99,899,6 vandens masės dalis, ne daugiau, % 0,010,04 azoto trichlorido masės dalis, ne daugiau kaip, % 0,0020,004 nelakioji frakcija likutis, ne daugiau,%0 .0150.10
Chloro laikymas ir transportavimas
Įvairiais būdais pagamintas chloras yra laikomas specialiose „cisternose“ arba pumpuojamas į plieninius cilindrinius (tūris 10-250 m3) ir sferinius (tūris 600-2000 m3) cilindrus, esant 18 kgf/cm2 savų garų slėgiui. Didžiausias sandėliavimo tūris – 150 tonų. Balionai su slėgiu skystu chloru turi ypatingą spalvą – apsauginę spalvą. Sumažėjus chloro baliono slėgiui, staigiai išsiskiria dujos, kurių koncentracija kelis kartus didesnė nei mirtina. Pažymėtina, kad ilgai naudojant chloro balionus, juose kaupiasi itin sprogus azoto trichloridas, todėl laikas nuo laiko chloro balionus reikia reguliariai praplauti ir išvalyti nuo azoto chlorido. Chloras gabenamas konteineriuose, geležinkelio cisternose, balionuose, kurie yra jo laikinas sandėlis.
2.Chloro taikymas
Chlorą pirmiausia sunaudoja chemijos pramonė, gamindama įvairius organinius chloro darinius, naudojamus plastikams, sintetiniams kaučiukams, cheminiams pluoštams, tirpikliams, insekticidams ir kt. Šiuo metu daugiau nei 60 % pasaulyje pagaminamo chloro sunaudojama organinei sintezei. Be to, iš chloro gaminama druskos rūgštis, baliklis, chloratai ir kiti produktai. Didelis chloro kiekis naudojamas metalurgijoje chloravimui perdirbant polimetalines rūdas, iš rūdų išgaunant auksą, taip pat jis naudojamas naftos perdirbimo pramonėje, žemės ūkyje, medicinoje ir sanitarijoje, geriamojo ir nuotekų neutralizavimui, pirotechnikoje ir daugelyje kitų šalies ūkio sričių . Dėl chloro naudojimo plėtros, daugiausia dėl sėkmingos organinės sintezės, pasaulinė chloro gamyba yra daugiau nei 20 milijonų tonų per metus.
Pagrindiniai chloro panaudojimo ir panaudojimo įvairiose mokslo srityse, pramonės ir buities reikmėms pavyzdžiai:
1.gaminant polivinilchloridą, plastiko mišinius, sintetinę kaučiuką, iš kurių gaminama: laidų izoliacija, langų profiliai, pakavimo medžiagos, drabužiai ir avalynė, linoleumo ir gramofono plokštelės, lakai, įranga ir putplastis, žaislai, instrumentų dalys, Statybinės medžiagos. Polivinilchloridas gaunamas polimerizuojant vinilchloridą, kuris šiandien dažniausiai gaunamas iš etileno chloro subalansuotu būdu naudojant tarpinį 1,2-dichloretaną.
CH2=CH2+Cl2=>CH2Cl-CH2ClCl-CH2Cl=> CH2=CHCl+HCl
1)kaip balinimo priemonė (nors „balina“ ne pats chloras, o atominis deguonis, kuris susidaro hipochloro rūgščiai irstant pagal reakciją: Cl2 + H2O ? HCl + HClO ? 2HCl + O*).
2)gaminant organinius chloro insekticidus – medžiagas, kurios naikina pasėliams kenksmingus vabzdžius, tačiau yra saugios augalams (aldrinas, DDT, heksachloranas). Vienas iš svarbiausių insekticidų yra heksachlorcikloheksanas (C6H6Cl6).
)naudojama kaip cheminė kovos priemonė, taip pat kitų cheminių kovinių medžiagų gamybai: garstyčių dujoms (C4H8Cl2S), fosgenui (CCl2O).
)vandens dezinfekcijai – „chloravimas“. Labiausiai paplitęs geriamojo vandens dezinfekavimo būdas pagrįstas laisvojo chloro ir jo junginių gebėjimu slopinti redokso procesus katalizuojančias mikroorganizmų fermentines sistemas. Geriamojo vandens dezinfekcijai naudojamas chloras (Cl2), chloro dioksidas (ClO2), chloraminas (NH2Cl) ir baliklis (Ca(Cl)OCl).
)registruotas maisto pramonėje kaip maisto priedas E925.
)chemiškai gaminant kaustinę sodą (NaOH) (naudojama viskozės gamyboje, muilo pramonėje), druskos rūgštį (HCl), baliklį, chloro chloridą (KClO3), metalų chloridus, nuodus, vaistus, trąšas.
)metalurgijoje grynų metalų: titano, alavo, tantalo, niobio gamybai.
TiO2 + 2C + 2Cl2 => TiCl4 + 2CO;
TiCl4 + 2Mg => 2MgCl2 + Ti (esant Т=850°С)
)kaip saulės neutrinų indikatorius chloro-argono detektoriuose ("chloro detektoriaus" saulės neutrinams aptikti idėją pasiūlė garsus sovietų fizikas akademikas B. Pontecorvo, o įgyvendino amerikiečių fizikas R. Davisas ir jo kolegos. Sugavęs chloro izotopo, kurio atominė masė 37, neutrino branduolį, virsta argono-37 izotopo branduoliu, susidarant vienam elektronui, kurį galima registruoti.).
Daugelis išsivysčiusių šalių siekia apriboti chloro naudojimą kasdieniame gyvenime, be kita ko, todėl, kad deginant chloro turinčias šiukšles susidaro didelis kiekis dioksinų (pasaulinių ekotoksinių medžiagų, turinčių galingą mutageninį poveikį).
3. Cheminiai chloro gamybos metodai
Anksčiau chloro gamyba cheminėmis priemonėmis pagal Weldon ir Deacon metodus buvo plačiai paplitusi. Šiuose procesuose chloras buvo gaminamas oksiduojant vandenilio chloridą, susidarantį kaip šalutinis produktas gaminant natrio sulfatą iš natrio chlorido, veikiant sieros rūgštimi.
reakcija, vykstanti naudojant Weldon metodą:
4HCl + MnO2 => MnCl2 + 2H2O + Cl2
reakcija, vykstanti naudojant Deacon metodą:
HCl + O2 => 2H2O + 2Cl2
Deacon procese kaip katalizatorius buvo naudojamas vario chloridas, kurio 50% tirpalas (kartais pridedant NaCl) buvo impregnuojamas į porėtą keraminį nešiklį. Optimali tokio katalizatoriaus reakcijos temperatūra paprastai buvo 430490°. Šis katalizatorius lengvai apsinuodija arseno junginiais, su kuriais susidaro neaktyvus vario arsenatas, taip pat sieros dioksidu ir trioksidu. Net nedideli sieros rūgšties garų kiekiai dujose smarkiai sumažina chloro išeigą dėl nuoseklių reakcijų:
H2SO4 => SO2 + 1/2O2 + H2O+ С12 + 2Н2O => 2НCl + H2SO4
С12 + Н2O => 1/2O2 + 2НCl
Taigi, sieros rūgštis yra katalizatorius, skatinantis atvirkštinį Cl2 pavertimą HCl. Todėl prieš oksiduojant ant vario katalizatoriaus druskos chlorido dujos turi būti kruopščiai išvalytos nuo priemaišų, mažinančių chloro išeigą.
Diakono instaliaciją sudarė dujinis šildytuvas, dujų filtras ir plieninio cilindrinio korpuso kontaktinis aparatas, kurio viduje buvo du koncentriškai išdėstyti keraminiai cilindrai su skylutėmis; žiedinė erdvė tarp jų užpildyta katalizatoriumi. Vandenilio chloridas buvo oksiduojamas oru, todėl chloras buvo skiedžiamas. Į kontaktinį aparatą buvo tiekiamas mišinys, kuriame yra 25 tūrio % HCl ir 75 tūrio % oro (~16 % O2), o iš aparato išeinančiose dujose buvo apie 8 % C12, 9 % HCl, 8 % vandens garų ir 75 %. oras . Tokios dujos, išplovus jas HCl ir išdžiovinus sieros rūgštimi, dažniausiai buvo naudojamos balikliui gauti.
Deacon proceso atkūrimas šiuo metu pagrįstas vandenilio chlorido oksidavimu ne oru, o deguonimi, todėl naudojant labai aktyvius katalizatorius galima gauti koncentruotą chlorą. Gautas chloro ir deguonies mišinys plaunamas iš HC1 likučių paeiliui 36% ir 20% druskos rūgštimi ir džiovinamas sieros rūgštimi. Tada chloras suskystinamas ir deguonis grąžinamas į procesą. Chloras taip pat atskiriamas nuo deguonies, absorbuojant chlorą esant 8 atm slėgiui sieros chloridu, kuris vėliau regeneruojamas, kad gautų 100% chloro:
Сl2 + S2CI2
Naudojami žemos temperatūros katalizatoriai, pavyzdžiui, vario dichloridas, aktyvuotas retųjų žemių metalų druskomis, todėl procesą galima atlikti net 100°C temperatūroje ir dėl to smarkiai padidinti HCl konversijos į Cl2 laipsnį. Chromo oksido katalizatoriuje HCl deginimas deguonimi vykdomas 340480°C temperatūroje. Aprašytas katalizatoriaus iš V2O5 mišinio su šarminių metalų pirosulfatais ir aktyvatoriais panaudojimas ant silikagelio. Ištirtas šio proceso mechanizmas ir kinetika bei nustatytos optimalios jo įgyvendinimo sąlygos, ypač verdančiojo sluoksnio sistemoje.
Vandenilio chlorido oksidavimas deguonimi taip pat atliekamas naudojant išlydytą FeCl3 + KCl mišinį dviem etapais, atliekamais atskiruose reaktoriuose. Pirmajame reaktoriuje geležies chloridas oksiduojamas ir susidaro chloras:
2FeCl3 + 1
Antrajame reaktoriuje geležies chloridas regeneruojamas iš geležies oksido vandenilio chloridu:
O3 + 6HCI = 2FeCl3 + 3H20
Norint sumažinti geležies chlorido garų slėgį, pridedama kalio chlorido. Šį procesą taip pat siūloma atlikti viename aparate, kuriame kontaktinė masė, susidedanti iš Fe2O3, KC1 ir ant inertinio nešiklio nusodinto vario, kobalto ar nikelio chlorido, juda iš aparato viršaus į apačią. Aparato viršuje jis praeina karšto chlorinimo zoną, kur Fe2Oz paverčiamas FeCl3, sąveikaudamas su HCl, kuris yra dujų sraute, einančioje iš apačios į viršų. Tada kontaktinė masė nusileidžia į aušinimo zoną, kur, veikiant deguoniui, susidaro elementinis chloras, o FeCl3 pereina į Fe2O3. Oksiduota kontaktinė masė vėl grįžta į chloravimo zoną.
Panašus netiesioginis HCl oksidavimas į Cl2 atliekamas pagal schemą:
2HC1 + MgO = MgCl2 + H2O
Siūloma vienu metu gauti chlorą ir sieros rūgštį, leidžiant per vanadžio katalizatorių 400-600°C temperatūroje dujas, kuriose yra HCl, O2 ir didelio SO2 pertekliaus. Tada iš dujų kondensuojasi H2SO4 ir HSO3Cl, o SO3 sugeria sieros rūgštis, o chloras lieka dujų fazėje. HSO3Cl hidrolizuojamas, o išsiskyręs HC1 grąžinamas į procesą.
Dar efektyvesnę oksidaciją atlieka tokie oksidatoriai kaip PbO2, KMnO4, KClO3, K2Cr2O7:
2KMnO4 + 16HCl => 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2^ +8H2O
Chloras taip pat gali būti gaunamas oksiduojant chloridus. Pavyzdžiui, kai NaCl ir SO3 sąveikauja, vyksta reakcijos:
NaCl + 2SO3 = 2NaSO3Cl
NaSO3Cl = Cl2 + SO2 + Na2SO4
NaSO3Cl skilimas vyksta 275°C temperatūroje. SO2 ir C12 dujų mišinys gali būti atskirtas absorbuojant chlorą SO2Cl2 arba CCl4 arba jį rektifikuojant, todėl susidaro azeotropinis mišinys, kuriame yra 88 mol. % Cl2 ir 12 mol. %SO2. Azeotropinį mišinį galima toliau atskirti paverčiant SO2 į SO2C12 ir atskiriant chloro perteklių, o SO2Cl2 skaidant 200° temperatūroje į SO2 ir Cl2, kurie dedami į mišinį, siunčiamą rektifikuoti.
Chlorą galima gauti oksiduojant chloridą arba vandenilio chloridą azoto rūgštimi, taip pat azoto dioksidu:
ZHCl + HNO3 => Сl2 + NOCl + 2Н2O
Kitas būdas gauti chlorą yra nitrozilo chlorido skaidymas, kurį galima pasiekti oksiduojant:
NOCl + O2 = 2NO2 + Сl2
Be to, norint gauti chlorą, siūloma, pavyzdžiui, oksiduoti NOCl 75% azoto rūgštimi:
2NOCl + 4HNO3 = Сl2 + 6NO2 + 2Н2O
Chloro ir azoto dioksido mišinys atskiriamas paverčiant NO2 į silpną azoto rūgštį, kuri vėliau naudojama HCl oksidavimui pirmajame proceso etape, kad susidarytų Cl2 ir NOCl. Pagrindinis sunkumas įgyvendinant šį procesą pramoniniu mastu yra korozijos pašalinimas. Keramika, stiklas, švinas, nikelis ir plastikai naudojami kaip medžiagos įrangai gaminti. Pagal šį metodą JAV 1952-1953 m. gamykla veikė 75 tonų chloro per parą pajėgumu.
Sukurtas ciklinis chloro gamybos būdas, oksiduojant vandenilio chloridą azoto rūgštimi, nesudarant nitrozilchlorido pagal reakciją:
2НCl + 2HNO3 = Сl2 + 2NO2 + 2Н2O
Procesas vyksta skystoje fazėje 80°C temperatūroje, chloro išeiga siekia 100%, NO2 gaunamas skystas.
Vėliau šie metodai buvo visiškai pakeisti elektrocheminiais, tačiau šiuo metu cheminiai chloro gamybos metodai vėl atgaivinami naujais techniniais pagrindais. Visi jie yra pagrįsti tiesiogine arba netiesiogine HCl (arba chloridų) oksidacija, o labiausiai paplitęs oksidatorius yra atmosferos deguonis.
Elektrolizė. Proceso samprata ir esmė
Elektrolizė yra elektrocheminių redokso procesų rinkinys, vykstantis ant elektrodų, kai nuolatinė elektros srovė teka per lydalą ar tirpalą su į jį panardintais elektrodais.
Ryžiai. 4.1. Elektrolizės metu vykstantys procesai. Elektrolizės vonios schema: 1 - vonia, 2 - elektrolitas, 3 - anodas, 4 - katodas, 5 - maitinimo šaltinis
Elektrodai gali būti bet kokios medžiagos, laidžios elektrai. Daugiausia naudojami metalai ir lydiniai, iš nemetalų, pavyzdžiui, grafito strypai (arba anglis) gali tarnauti kaip elektrodai. Rečiau skysčiai naudojami kaip elektrodas. Teigiamo krūvio elektrodas yra anodas. Neigiamą krūvį turintis elektrodas yra katodas. Elektrolizės metu anodas oksiduojamas (tirpsta), katodas redukuojamas. Štai kodėl anodas turi būti paimtas taip, kad jo ištirpimas neturėtų įtakos tirpale ar lydyme vykstančiam cheminiam procesui. Toks anodas vadinamas inertiniu elektrodu. Kaip inertinį anodą galite paimti grafitą (anglį) arba platiną. Kaip katodą galite paimti metalinę plokštę (ji neištirps). Tinka varis, žalvaris, anglis (arba grafitas), cinkas, geležis, aliuminis, nerūdijantis plienas.
Lydalų elektrolizės pavyzdžiai:
Druskų tirpalų elektrolizės pavyzdžiai:
(Anode oksiduojasi chloro anijonai, o ne vandens molekulių deguonis O, II, nes chloro elektronegatyvumas yra mažesnis nei deguonies, todėl chloras lengviau išskiria elektronus nei deguonis)
Vandens elektrolizė visada atliekama esant inertiniam elektrolitui (siekiant padidinti labai silpno elektrolito - vandens) elektrinį laidumą:
Priklausomai nuo inertinio elektrolito, elektrolizė atliekama neutralioje, rūgštinėje arba šarminėje aplinkoje. Renkantis inertinį elektrolitą, būtina atsižvelgti į tai, kad metalų katijonai, kurie yra tipiški reduktorius (pavyzdžiui, Li +, Cs +, K +, Ca2 +, Na +, Mg2 +, Al3 +), niekada nėra redukuojami esant katodas vandeniniame tirpale ir okso rūgščių anijonų deguonies O2 II niekada neoksiduoja prie anodo su aukščiausios oksidacijos laipsnio elementu (pavyzdžiui, ClO4?, SO42?, NO3?, PO43?, CO32?, SiO44? , MnO4?), vietoj to oksiduojamas vanduo.
Elektrolizė apima du procesus: reaguojančių dalelių migraciją veikiant elektriniam laukui į elektrodo paviršių ir krūvio perkėlimą iš dalelės į elektrodą arba iš elektrodo į dalelę. Jonų migraciją lemia jų judrumas ir perdavimo skaičius. Kelių elektros krūvių perdavimo procesas paprastai vyksta vieno elektrono reakcijų seka, tai yra etapais, susidarant tarpinėms dalelėms (jonams ar radikalams), kurios kartais egzistuoja kurį laiką ant elektrodo adsorbuotos būsenos.
Elektrodų reakcijų greitis priklauso nuo:
elektrolitų sudėtis
elektrolitų koncentracija
elektrodo medžiaga
elektrodo potencialas
temperatūros
hidrodinamines sąlygas.
Reakcijos greičio matas yra srovės tankis. Tai vektorinis fizikinis, kurio modulis nustatomas pagal srovės stiprio (perduotų elektros krūvių skaičius per laiko vienetą) laidininke ir skerspjūvio ploto santykį.
Faradėjaus elektrolizės dėsniai yra kiekybiniai ryšiai, pagrįsti elektrocheminiais tyrimais ir padeda nustatyti elektrolizės metu susidariusių produktų masę. Bendriausia forma dėsniai formuluojami taip:
)Pirmasis Faradėjaus elektrolizės dėsnis: elektrolizės metu ant elektrodo nusėdusios medžiagos masė yra tiesiogiai proporcinga į tą elektrodą perduotos elektros kiekiui. Elektros kiekis reiškia elektros krūvį, paprastai matuojamą kulonais.
2)Antrasis Faradėjaus elektrolizės dėsnis: esant tam tikram elektros kiekiui (elektros krūviui), ant elektrodo nusodinto cheminio elemento masė yra tiesiogiai proporcinga ekvivalentinei elemento masei. Medžiagos ekvivalentinė masė yra jos molinė masė, padalyta iš sveikojo skaičiaus, priklausomai nuo cheminės reakcijos, kurioje medžiaga dalyvauja.
Matematinė forma Faradėjaus dėsniai gali būti pavaizduoti taip:
čia m yra ant elektrodo nusėdusios medžiagos masė gramais, visas elektros krūvis, praėjęs per medžiagą, = 96 485,33 (83) C mol 1 yra Faradėjaus konstanta, yra medžiagos molinė masė ( Pavyzdžiui, vandens molinė masė H2O = 18 g / mol), - medžiagos jonų valentinis skaičius (elektronų skaičius viename jone).
Atkreipkite dėmesį, kad M/z yra lygiavertė nusėdusios medžiagos masė.
Pagal pirmąjį Faradėjaus dėsnį M, F ir z yra konstantos, todėl kuo didesnė Q reikšmė, tuo didesnė m reikšmė.
Pagal antrąjį Faradėjaus dėsnį Q, F ir z yra konstantos, todėl kuo didesnė M/z reikšmė (ekvivalentinė masė), tuo didesnė m reikšmė.
Paprasčiausiu atveju nuolatinės srovės elektrolizė sukelia:
Sudėtingesniu kintamosios elektros srovės atveju bendras srovės krūvis Q I( ?) yra sumuojamas laikui bėgant? :
kur t yra bendra elektrolizės trukmė.
Pramonėje elektrolizės procesas vykdomas specialiuose įrenginiuose – elektrolizatoriuose.
Pramoninė chloro gamyba
Šiuo metu chloras daugiausia gaminamas elektrolizuojant vandeninius tirpalus, būtent vieną iš
Žaliavos elektrolitinei chloro gamybai daugiausia yra NaCl tirpalai, gaunami ištirpinant kietą druską, arba natūralūs sūrymai. Yra trys druskos telkinių tipai: iškastinė druska (apie 99 % atsargų); druskingi ežerai su dugno nuosėdomis savaiminio balno druskos (0,77%); likusi dalis yra požeminiai skilimai. Druskos tirpaluose, nepaisant jų gavimo būdo, yra priemaišų, kurios pablogina elektrolizės procesą. Ypač nepalankiai veikia kalcio katijonai Ca2+, Mg2+ ir SO42- elektrolizės su kietu katodu metu, o junginių, turinčių sunkiųjų metalų, tokių kaip chromas, vanadis, germanis ir molibdenas, priemaišos – elektrolizės skystuoju katodu metu.
Kristalinė druska chloro elektrolizei turi būti tokios sudėties (%): natrio chlorido ne mažiau kaip 97,5; Mg2+ ne daugiau 0,05; netirpių nuosėdų ne daugiau kaip 0,5; Ca2+ ne daugiau 0,4; K+ ne daugiau 0,02; SO42 - ne daugiau kaip 0,84; drėgnumas ne didesnis kaip 5; sunkiųjų metalų priemaiša (nustatyta amalgamos mėginiu cm3 H2) ne daugiau kaip 0,3. Sūrymų valymas atliekamas sodos (Na2CO3) ir kalkių pieno tirpalu (Ca (OH) 2 suspensijos vandenyje suspensija). Be cheminio valymo, tirpalai išvalomi nuo mechaninių priemaišų nusodinant ir filtruojant.
Paprastosios druskos tirpalų elektrolizė atliekama voniose su kietu geležies (arba plieno) katodu ir su diafragmomis bei membranomis, voniose su skysto gyvsidabrio katodu. Šiuolaikinių didelių chloro gamyklų įrangai naudojami pramoniniai elektrolizatoriai turi būti didelio našumo, paprastos konstrukcijos, kompaktiški, veikti patikimai ir stabiliai.
Elektrolizė vyksta pagal schemą:
MeCl + H2O => MeOH + Cl2 + H2,
kur Me yra šarminis metalas.
Elektrochemiškai skaidant valgomąją druską elektrolizatoriuose su kietaisiais elektrodais, vyksta šios pagrindinės, grįžtamosios ir negrįžtamos joninės reakcijos:
druskos ir vandens molekulių disociacija (eina į elektrolitą)
NaCl-Na++Cl-
Chloro jonų oksidacija (prie anodo)
C1- - 2e- => C12
vandenilio jonų ir vandens molekulių redukcija (prie katodo)
H+ - 2e- => H2
H2O - 2e - \u003d\u003e H2 + 2OH-
Jonų susiejimas į natrio hidroksido molekulę (elektrolite)
Na+ + OH- - NaOH
Naudingi produktai yra natrio hidroksidas, chloras ir vandenilis. Visi jie atskirai pašalinami iš elektrolizatoriaus.
Ryžiai. 5.1. Diafragminio elektrolizatoriaus schema
Celės ertmė su kietu katodu (3 pav.) yra padalinta iš porėtos
Pirmieji pramoniniai elektrolizatoriai veikė paketiniu režimu. Juose esantys elektrolizės produktai buvo atskirti cementine diafragma. Vėliau buvo sukurti elektrolizatoriai, kuriuose varpelio formos pertvaros buvo skirtos elektrolizės produktams atskirti. Kitame etape pasirodė elektrolizatoriai su srauto diafragma. Juose priešpriešinio srauto principas buvo derinamas su skiriamąja diafragma, kuri buvo pagaminta iš asbestinio kartono. Be to, buvo atrastas būdas gauti diafragmą iš asbesto masės, pasiskolintos iš popieriaus pramonės technologijos. Šis metodas leido sukurti elektrolizatorių, skirtų didelės srovės apkrovai, konstrukcijas su neatskiriamu kompaktišku piršto katodu. Siekiant padidinti asbesto diafragmos tarnavimo laiką, siūloma į jos sudėtį įtraukti kai kurias sintetines medžiagas kaip dangą arba jungtį. Taip pat siūloma diafragmas gaminti tik iš naujų sintetinių medžiagų. Yra duomenų, kad tokių kombinuotų asbesto sintetinių arba specialiai pagamintų sintetinių diafragmų tarnavimo laikas siekia iki 500 dienų. Taip pat kuriamos specialios jonų mainų diafragmos, kurios leidžia gauti grynos kaustinės sodos su labai mažu natrio chlorido kiekiu. Tokių diafragmų veikimas pagrįstas jų selektyvių savybių panaudojimu įvairiems jonams praeiti.
Ankstyvosiose konstrukcijose srovės laidų kontaktų su grafito anodais vietos buvo išimtos iš ląstelės ertmės. Vėliau buvo sukurti metodai, kaip apsaugoti kontaktines anodo dalis, panardintas į elektrolitą. Taikant šiuos metodus buvo sukurti pramoniniai mažesnės srovės elektrolizatoriai, kuriuose anodo kontaktai yra elektrolizatoriaus ertmėje. Šiuo metu jie visur naudojami gaminant chlorą ir šarmą ant kieto katodo.
Prisotinto natrio chlorido tirpalo (išgryninto sūrymo) srautas nuolat teka į diafragmos elemento anodo erdvę. Dėl elektrocheminio proceso prie anodo išsiskiria chloras, skylant valgomajai druskai, o katode – vandenilis dėl vandens irimo. Chloras ir vandenilis pašalinami iš elektrolizatoriaus, nemaišant, atskirai. Šiuo atveju beveik katodo zona yra praturtinta natrio hidroksidu. Tirpalas iš katodo zonos, vadinamas elektrolitiniu tirpalu, kuriame yra nesuirusios valgomosios druskos (maždaug pusė kiekio, tiekiamo su sūrymu) ir natrio hidroksido, nuolat šalinamas iš elektrolizatoriaus. Kitame etape elektrolitinis tirpalas išgarinamas, o NaOH kiekis jame pagal standartą sureguliuojamas iki 42-50%. Didėjant natrio hidroksido koncentracijai, nusėda valgomoji druska ir natrio sulfatas.
NaOH tirpalas nupilamas nuo kristalų ir kaip gatavas produktas perkeliamas į sandėlį arba kaustinio lydymo etapą, kad būtų gautas kietas produktas. Kristalinė valgomoji druska (atvirkštinė druska) grąžinama į elektrolizę, ruošiant iš jos vadinamąjį atvirkštinį sūrymą. Iš jo, siekiant išvengti sulfato kaupimosi tirpaluose, prieš ruošiant grįžtamąjį sūrymą išgaunamas sulfatas. Valgomosios druskos nuostoliai kompensuojami įpylus šviežio sūrymo, gauto po žeme išplovus druskos sluoksnius arba ištirpinant kietą valgomąją druską. Prieš sumaišant su atvirkštiniu sūrymu, šviežias sūrymas išvalomas nuo mechaninių suspensijų ir nemažos dalies kalcio ir magnio jonų. Susidaręs chloras atskiriamas nuo vandens garų, suspaudžiamas ir perduodamas arba tiesiogiai vartotojams, arba chlorui suskystinti. Vandenilis atskiriamas nuo vandens, suspaudžiamas ir perduodamas vartotojams.
Membraniniame elektrolizatoriuje vyksta tos pačios cheminės reakcijos kaip ir diafragminiame elektrolizatoriuje. Vietoj porėtos diafragmos naudojama katijoninė membrana (5 pav.).
Ryžiai. 5.2. Membraninio elektrolizatoriaus schema
Membrana neleidžia chloro jonams prasiskverbti į katolitą (elektrolitą katodo erdvėje), todėl kaustinę sodą galima gauti tiesiai į elektrolizatorių beveik be druskos, kurios koncentracija yra nuo 30 iki 35%. Kadangi nereikia atskirti druskos, išgarinant daug lengviau pagaminti 50 % komercinės kaustinės sodos su mažesnėmis investicijomis ir mažesnėmis energijos sąnaudomis. Kadangi kaustinės sodos koncentracija membranos procese yra daug didesnė, kaip katodas naudojamas brangus nikelis.
Ryžiai. 5.3. Gyvsidabrio elektrolizatoriaus schema
Bendra paprastosios druskos skilimo reakcija gyvsidabrio elektrolizatoriuose yra tokia pati kaip diafragmos elementuose:
NaCl + H2O => NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2
Tačiau čia tai vyksta dviem etapais, kiekvienas atskirame aparate: elektrolizatoriuje ir skaidytuve. Jie yra struktūriškai tarpusavyje sujungti ir vadinami elektrolitine vonia, o kartais ir gyvsidabrio elektrolizatoriumi.
Pirmajame proceso etape - elektrolizatoriuje - vyksta valgomosios druskos elektrolitinis skilimas (jos prisotintas tirpalas tiekiamas į elektrolizatorių), kai anode susidaro chloras, o gyvsidabrio katode - natrio amalgama. tokia reakcija:
NaCl + nHg => l/2Cl2 + NaHgn
Skaidytuve vyksta antrasis proceso etapas, kuriame, veikiant vandeniui, natrio amalgama pereina į natrio hidroksidą ir gyvsidabrį:
NaHgn + H2O => NaOH + 1/2H2 + nHg
Iš visos druskos, tiekiamos į elektrolizatorių su sūrymu, tik 15-20% tiekiamo kiekio patenka į reakciją (2), o likusi druskos dalis kartu su vandeniu palieka elektrolizatorių chloranolito - tirpalo pavidalu. valgomosios druskos vandenyje, kuriame yra 250–270 kg/m3 NaCl, prisotinto chloro. Iš elektrolizatoriaus išeinanti „stipri amalgama“ ir vanduo tiekiami skaidytojui.
Visų galimų konstrukcijų elektrolizatorius yra pagamintas iš ilgo ir palyginti siauro, šiek tiek pasvirusio plieninio lovelio, kurio apačioje gravitacijos būdu teka plonas amalgamos sluoksnis, kuris yra katodas, o viršuje - anolitas. Sūrymas ir silpna amalgama tiekiami iš viršutinio pakelto ląstelės krašto per „įleidimo kišenę“.
Stipri amalgama išteka iš apatinio ląstelės galo per „išėjimo kišenę“. Chloras ir chloranolitas kartu išeina per atšaką, taip pat esantį apatiniame ląstelės gale. Anodai pakabinami virš viso amalgamos srauto veidrodžio arba katodo 3–5 mm atstumu nuo katodo. Ląstelės viršus uždengtas dangteliu.
Įprasti dviejų tipų skaidytuvai: horizontalūs ir vertikalūs. Pirmieji yra pagaminti iš plieninio pasvirusio latako, tokio pat ilgio kaip ir elektrolizės elementas. Amalgamos srautas teka išilgai skaidytuvo dugno, kuris sumontuotas nedideliu pasvirimu. Į šį srautą panardinamas iš grafito pagamintas skaidytojas. Vanduo juda priešinga kryptimi. Dėl amalgamos skilimo vanduo yra prisotintas kaustinės medžiagos. Šarminis tirpalas kartu su vandeniliu iš skaidytojo išeina per dugne esantį atšaką, o prasta amalgama arba gyvsidabris pumpuojamas į ląstelės kišenę.
Be elektrolizatoriaus, skaidytuvo, kišenių ir perpildymo vamzdynų, elektrolizės vonios komplekte yra gyvsidabrio siurblys. Naudojami dviejų tipų siurbliai. Tais atvejais, kai voniose yra įrengtas vertikalus skaidytuvas arba kai skaidytuvas įrengtas žemiau elektrolitinio elemento, naudojami įprasto tipo panardinamieji išcentriniai siurbliai, nuleidžiami į skaidytuvą. Voniose, kuriose skaidytojas įrengtas šalia elektrolizatoriaus, amalgama perpumpuojama pradinio tipo kūginiu rotaciniu siurbliu.
Visos plieninės elektrolizatoriaus dalys, kurios liečiasi su chloru ar chloranolitu, yra apsaugotos specialios rūšies vulkanizuotos gumos (gumavimo) danga. Apsauginis gumos sluoksnis nėra visiškai atsparus. Laikui bėgant jis chloruojasi, tampa trapus ir įtrūksta nuo temperatūros poveikio. Periodiškai apsauginis sluoksnis atnaujinamas. Visos kitos elektrolizės vonios dalys: skaidytuvas, siurblys, perpildymai yra pagamintos iš neapsaugoto plieno, nes nei vandenilis, nei šarminis tirpalas jos nerūdija.
Šiuo metu grafito anodai yra labiausiai paplitę gyvsidabrio elementuose. Tačiau juos keičia ORTA.
6.Saugumas chloro gamyboje
ir aplinkos apsauga
Pavojų personalui gaminant chlorą lemia didelis chloro ir gyvsidabrio toksiškumas, galimybė įrangoje susidaryti sprogiems chloro ir vandenilio, vandenilio ir oro dujų mišiniams, taip pat azoto trichlorido tirpalams skystyje. chloras, naudojimas gaminant elektrolizatorius - įrenginius, kurių elektrinis potencialas yra padidėjęs, palyginti su žeme, šioje gamyboje susidarančių šarminių šarmų savybės.
Įkvėpus oro, kuriame yra 0,1 mg/l chloro 30–60 minučių, kyla pavojus gyvybei. Įkvėpus oro, kuriame yra daugiau kaip 0,001 mg/l chloro, dirginami kvėpavimo takai. Didžiausia leistina chloro koncentracija (DLK) gyvenviečių ore: paros vidurkis 0,03 mg/m3, didžiausia vienkartinė 0,1 mg/m3, gamybinių patalpų darbo zonos ore 1 mg/m3, kvapo suvokimo slenkstis yra 2 mg/m3. Esant 3-6 mg/m3 koncentracijai, jaučiamas ryškus kvapas, atsiranda akių ir nosies gleivinės dirginimas (paraudimas), 15 mg/m3 - nosiaryklės dirginimas, 90 mg/m3 - intensyvus. kosulio priepuoliai. 120-180 mg/m3 poveikis 30-60 minučių yra pavojingas gyvybei, esant 300 mg/m3 galimas mirtinas rezultatas, 2500 mg/m3 koncentracija sukelia mirtį per 5 minutes, esant 3000 mg/m3 koncentracijai. m3 po kelių įkvėpimų įvyksta mirtinas rezultatas. Didžiausia leistina chloro koncentracija pramoninių ir civilinių dujokaukių filtravimui yra 2500 mg/m3.
Chloro buvimas ore nustatomas cheminės žvalgybos prietaisais: VPKhR, PPKhR, PKhR-MV naudojant indikatorinius vamzdelius IT-44 (rožinė spalva, jautrumo slenkstis 5 mg/m3), IT-45 (oranžinė spalva), aspiratoriai AM- 5, AM- 0055, AM-0059, NP-3M su indikatoriniais vamzdeliais chlorui, universalus dujų analizatorius UG-2 su matavimo diapazonu 0-80 mg/m3, dujų detektorius "Kolion-701" diapazone 0- 20 mg/m3. Atviroje erdvėje – su SIP „KORSAR-X“ įrenginiais. Viduje – su SIP „VEGA-M“ įrenginiais. Kad apsisaugotų nuo chloro gedimų ar avarinių situacijų atveju, visi dirbtuvėse esantys žmonės privalo turėti ir laiku naudoti „V“ arba „BKF“ klasės dujokaukes (išskyrus gyvsidabrio elektrolizės dirbtuves), taip pat apsauginius drabužius: audinį. arba guminius kostiumus, guminius batus ir kumštines pirštines. Dujokaukių dėžės nuo chloro turi būti nudažytos geltonai.
Gyvsidabris yra nuodingesnis nei chloras. Didžiausia leistina jo garų koncentracija ore yra 0,00001 mg/l. Jis paveikia žmogaus organizmą įkvėpus ir susilietus su oda, taip pat susilietus su daiktais. Jo garus ir purslus adsorbuoja (sugeria) drabužiai, oda, dantys. Tuo pačiu metu gyvsidabris lengvai išgaruoja esant temperatūrai; galima įsigyti elektrolizės ceche, o jo garų koncentracija ore yra daug didesnė už didžiausią leistiną. Todėl elektrolizės cechuose su skystuoju katodu yra įrengta galinga ventiliacija, kuri normalios eksploatacijos metu užtikrina priimtiną gyvsidabrio garų koncentracijos lygį parduotuvės atmosferoje. Tačiau to nepakanka saugiam darbui. Taip pat būtina laikytis vadinamosios gyvsidabrio disciplinos: laikytis gyvsidabrio tvarkymo taisyklių. Po jų, prieš pradėdami dirbti, darbuotojai praeina per sanitarinės apžiūros patalpą, kurios švarioje dalyje palieka namų drabužius ir apsirengia ką tik išskalbtus baltinius, tai yra darbo drabužiai. Pamainai pasibaigus, kombinezonai ir nešvarūs skalbiniai paliekami nešvarioje sanitarinio punkto dalyje, o švarioje sanitarinio punkto dalyje darbuotojai nusiprausia po dušu, išsivalo dantis ir apsirengia namų apyvokos daiktus.
Dirbtuvėse, kuriose dirbama su chloru ir gyvsidabriu, reikėtų naudoti „G“ markės dujokaukes (dujokaukės dėžutė nudažyta juodai geltonai) ir gumines pirštines. „Gyvsidabrio drausmės“ taisyklės numato, kad dirbti su gyvsidabriu ir amalgamuotais paviršiais galima tik būti po vandens sluoksniu; išsiliejusį gyvsidabrį reikia nedelsiant nuleisti į kanalizaciją, kur yra gyvsidabrio gaudyklės.
Chloro ir gyvsidabrio garų išmetimas į atmosferą, gyvsidabrio druskų ir gyvsidabrio lašelių, junginių, turinčių aktyvaus chloro, išmetimas į nuotekas, dirvožemio apsinuodijimas gyvsidabrio dumblu kelia pavojų aplinkai. Chloras į atmosferą patenka per avarijas, su ventiliacijos emisijomis ir išmetamosiomis dujomis iš įvairių įrenginių. Gyvsidabrio garai išleidžiami su oru iš vėdinimo sistemų. Chloro kiekio ore norma, išleidžiant į atmosferą, yra 0,03 mg/m3. Šią koncentraciją galima pasiekti, jei naudojamas šarminis daugiapakopis išmetamųjų dujų plovimas. Gyvsidabrio kiekio ore norma, išleidžiant į atmosferą, yra 0,0003 mg/m3, o išleidžiant į vandens telkinius nuotekose – 4 mg/m3.
Neutralizuokite chlorą šiais tirpalais:
kalkių pienas, kuriam 1 svorio dalis gesintų kalkių užpilama 3 dalimis vandens, gerai išmaišoma, tada iš viršaus nupilamas kalkių skiedinys (pvz., 10 kg gesintų kalkių + 30 litrų vandens);
5% vandeninis sodos tirpalas, kuriam 2 masės dalys sodos ištirpinamos maišant su 18 dalių vandens (pvz., 5 kg sodos + 95 litrai vandens);
5% kaustinės sodos vandeninis tirpalas, kuriam 2 masės dalys kaustinės sodos ištirpinamos maišant su 18 dalių vandens (pvz., 5 kg kaustinės sodos + 95 litrai vandens).
Kai nuteka chloro dujos, garams gesinti purškiamas vanduo. Vandens suvartojimo norma nėra standartizuota.
Išsiliejus skystam chlorui, išsiliejimo vieta aptverta moliniu pylimu, užpiltu kalkių pienu, natrio karbonato tirpalu, kaustinės sodos tirpalu ar vandeniu. 1 tonai skysto chloro neutralizuoti reikia 0,6-0,9 tonos vandens arba 0,5-0,8 tonos tirpalų. 1 tonai skysto chloro neutralizuoti reikia 22-25 tonų tirpalų arba 333-500 tonų vandens.
Vandeniui ar tirpalams purkšti naudojamos laistymo ir gaisrinės mašinos, automatinio išpilstymo stotelės (AC, PM-130, ARS-14, ARS-15), taip pat hidrantai ir specialios chemiškai pavojinguose objektuose esančios sistemos.
Išvada
Kadangi laboratoriniais metodais gaunamo chloro kiekiai yra nereikšmingi, palyginti su nuolat augančia šio produkto paklausa, nėra prasmės atlikti jų lyginamąją analizę.
Iš elektrocheminių gamybos būdų skysto (gyvsidabrio) katodo elektrolizė yra lengviausia ir patogiausia, tačiau šis metodas nėra be trūkumų. Dėl metalinio gyvsidabrio ir chloro dujų išgaravimo ir nuotėkio jis daro didelę žalą aplinkai.
Elektrolizatoriai su kietu katodu pašalina aplinkos taršos gyvsidabriu riziką. Renkantis tarp diafragminių ir membraninių elektrolizatorių naujoms gamybos patalpoms, pirmenybė teikiama pastariesiems, nes jie yra ekonomiškesni ir užtikrina aukštesnės kokybės galutinį produktą.
Bibliografija
1.Zaretsky S. A., Suchkov V. N., Zhivotinsky P. B. Neorganinių medžiagų ir cheminių srovės šaltinių elektrocheminė technologija: vadovėlis technikos mokyklų studentams. M..: Aukštesnis. Mokykla, 1980. 423 p.
2.Mazanko A. F., Kamaryan G. M., Romashin O. P. Pramoninė membraninė elektrolizė. M.: leidykla "Chemija", 1989. 240 p.
.Pozin M.E. Mineralinių druskų technologija (trąšos, pesticidai, pramoninės druskos, oksidai ir rūgštys), 1 dalis, red. 4-oji, red. L., Leidykla „Chemija“, 1974. 792 p.
.Fioshin M. Ya., Pavlov VN Elektrolizė neorganinėje chemijoje. M.: leidykla "Nauka", 1976. 106 p.
.Yakimenko L. M. Chloro, kaustinės sodos ir neorganinių chloro produktų gamyba. M.: leidykla "Chemija", 1974. 600 p.
Interneto šaltiniai
6.Chloro gamybos, laikymo, transportavimo ir naudojimo saugos taisyklės // URL: #"justify">7. Pavojingos medžiagos // URL: #"justify">. Chloras: programa // URL: #"justify">.
