Описание на химичния елемент хлор. Хлорни методи за получаване на хлор
хлор(лат. chlorum), cl, химичен елемент от група vii на периодичната система на Менделеев, атомен номер 17, атомна маса 35,453; принадлежи на семейството халогени.При нормални условия (0°C, 0,1 MN/m 2или 1 kgf/cm 2) жълто-зелен газ с остър дразнещ мирис. Естественият H. се състои от два стабилни изотопа: 35 cl (75,77%) и 37 cl (24,23%). Радиоактивни изотопи с масови числа 32, 33, 34, 36, 38, 39, 40 и периоди на полуразпад ( t1/2) съответно 0,31; 2,5; 1.56 сек; 3 , един ? 10 5 години; 37.3, 55.5 и 1.4 мин. 36 cl и 38 cl се използват като изотопни индикатори.
История справка. Х. получени за първи път през 1774 г. К. Шеелевзаимодействието на солна киселина с пиролузит mno 2. Въпреки това едва през 1810г Дейвиустановил, че хлорът е елемент и го нарекъл хлор (от гръцки хлор о с - жълто-зелен). През 1813 г. J.L. Гей Лусакпредложи името X за този елемент.
разпространение в природата. Х. се среща в природата само под формата на съединения. Средното съдържание на Ch. в земната кора (кларк) 1,7? 10 -2% от теглото, в кисели магмени скали - гранити и др. 2.4? 10-2 , в основен и ултраосновен 5 ? 10 -3 . Водната миграция играе основна роля в историята на християнството в земната кора. Под формата на cl йон се намира в Световния океан (1,93%), подземни саламури и солени езера. Броят на собствените минерали (главно естествени хлориди) 97, главният е халите наци . Известни са също големи находища на калиеви и магнезиеви хлориди и смесени хлориди: Силвин kcl, силвинит(на, к) ци, карналит kci? mgcl2? 6h2o, Каинит kci? mgso 4? 3h 2 o, бишофит mgci 2 ? 6h2o. В историята на Земята доставката на hcl, съдържащ се във вулканичните газове, в горните части на Земята е от голямо значение. земната кора.
Физични и химични свойства. Х. има T kip -34.05°С, t nl - 101°C. Плътност на газообразни Х. при нормални условия 3.214 g/l; наситена пара при 0°С 12.21 g/l; течност H. при точка на кипене 1,557 g/cm 3 ; твърд студен при - 102°c 1.9 g/cm 3 . Налягане на наситените пари Ch.при 0°C 0,369; при 25°c 0,772; при 100°c 3,814 MN/m 2или съответно 3,69; 7,72; 38.14 kgf/cm 2 . Топлина на топене 90,3 kJ/kg (21,5 кал/g); топлина на изпарение 288 kJ/kg (68,8 кал/g); топлинен капацитет на газ при постоянно налягане 0,48 kJ/(килограма? Да се) . Критични константи H.: температура 144°c, налягане 7,72 Mn/m 2 (77,2 kgf/cm 2) , плътност 573 g/l, специфичен обем 1.745? 10-3 l/g. Разтворимост (в g/l) X. при парциално налягане 0,1 Mn/m 2 , или 1 kgf/cm 2 , във вода 14,8 (0°С), 5,8 (30°с), 2,8 (70°с); в разтвор 300 g/l naci 1,42 (30°с), 0,64 (70°с). Под 9,6°C във водни разтвори се образуват хлорни хидрати Променлив състав cl ? н h 2 o (където n = 6 × 8); това са жълти кристали от кубичната система, които при повишаване на температурата се разлагат на хлор и вода. Хлорът се разтваря добре в ticl 4, sic1 4, sncl 4 и някои органични разтворители (особено в хексан c 6 h 14 и въглероден тетрахлорид ccl 4). Молекулата X. е двуатомна (cl 2). Степента на термична дисоциация cl 2 + 243 kJ u 2cl при 1000 K е 2,07? 10 -40%, при 2500 K 0,909%. Външна електронна конфигурация на атом cl 3 с 2 3 стр 5 . В съответствие с това H. в съединенията проявява степени на окисление -1, +1, +3, +4, +5, +6 и +7. Ковалентният радиус на атома е 0,99 å, йонният радиус cl е 1,82 å, афинитетът на X атома към електрона е 3,65 ev,йонизационна енергия 12,97 ев.
Хлорът е много активен, той се свързва директно с почти всички метали (с някои само в присъствието на влага или при нагряване) и с неметали (с изключение на въглерод, азот, кислород и инертни газове), образувайки съответните хлориди,реагира с много съединения, замества водорода в наситени въглеводороди и свързва ненаситени съединения. H. измества брома и йода от съединенията им с водород и метали; той се измества от хлорните съединения с тези елементи от флуор. Алкалните метали в присъствието на следи от влага взаимодействат с хлора чрез запалване; повечето метали реагират със сух хлор само при нагряване. Стоманата, както и някои метали, са стабилни в суха хлорна атмосфера при ниски температури; следователно те се използват за производство на оборудване и съоръжения за съхранение на сух хлор.Фосфорът се запалва в хлорна атмосфера, образувайки pcl 3 и при по-нататъшно хлориране , pcl 5; сяра с Н. при нагряване дава s 2 cl 2, scl 2 и т.н. s нкл м. Арсен, антимон, бисмут, стронций и телур реагират енергично с хлора. Смес от хлор и водород гори с безцветен или жълто-зелен пламък, образувайки хлороводород(това е верижна реакция)
Максималната температура на водородно-хлорния пламък е 2200°c. Хлорните смеси с водород, съдържащи от 5,8 до 88,5% h 2, са експлозивни.
С кислород X. образува оксиди: cl 2 o, clo 2, cl 2 o 6, cl 2 o 7, cl 2 o 8 , както и хипохлорити (соли хипохлорна киселина) , хлорити, хлоратии перхлорати. Всички кислородни съединения на хлора образуват експлозивни смеси с лесно окисляеми вещества. Хлорните оксиди не са стабилни и могат да експлодират спонтанно; хипохлоритите се разлагат бавно по време на съхранение; хлоратите и перхлоратите могат да експлодират под въздействието на инициатори.
H. хидролизира във вода, образувайки хипохлорна и солна киселина: cl 2 + h 2 o u hclo + hcl. При хлориране на водни разтвори на основи на студено се образуват хипохлорити и хлориди: 2naoh + cl 2 \u003d nacio + naci + h 2 o, а при нагряване - хлорати. Хлориране на сух калциев хидроксид белина.
Когато амонякът реагира с хлор, се образува азотен трихлорид. . Когато органичните съединения се хлорират, хлорът или замества водорода: r-h + ci 2 = rcl + hci, или се добавя чрез множество връзки, за да образува различни хлорсъдържащи органични съединения .
H. образува с други халогени интерхалогенни съединения.Флуоридите clf, clf 3, clf 5 са много реактивни; например в атмосфера clp 3 стъклената вата се запалва спонтанно. Известни са съединения на хлор с кислород и флуор - оксифлуориди X.: clo 3 f, clo 2 f 3, clof, clof 3 и флуорен перхлорат fclo 4.
Касова бележка. Хлорът започва да се произвежда комерсиално през 1785 г. чрез взаимодействие на солна киселина с манганов диоксид или пиролузит. През 1867 г. английският химик Х. Дийкън разработва метод за получаване на хлор чрез окисляване на hcl с атмосферен кислород в присъствието на катализатор. От края на 19 - началото на 20 век. Хлорът се получава чрез електролиза на водни разтвори на хлориди на алкални метали. По тези методи през 70-те години. 20-ти век 90-95% от H. се произвежда в света. Малки количества хлор се получават случайно при производството на магнезий, калций, натрий и литий чрез електролиза на стопени хлориди. През 1975 г. световното производство на хлор е около 25 милиона тона. T.Използват се два основни метода за електролиза на водни разтвори на naci: 1) в електролизари с твърд катод и пореста филтърна диафрагма; 2) в електролизатори с живачен катод. И при двата метода върху графитен или оксиден титаново-рутениев анод се отделя газообразен X. Според първия метод на катода се отделя водород и се образува разтвор на naoh и nacl, от който търговската сода каустик се изолира чрез последващи обработка. Според втория метод натриева амалгама се образува на катода, когато се разлага с чиста вода в отделен апарат, се получава наох разтвор, водород и чист живак, който отново влиза в производството. И двата метода дават 1 T X. 1.125 Tнаох.
Електролизата с диафрагма изисква по-малко капиталови инвестиции за организиране на химическо производство и произвежда по-евтин наох. Методът с живачен катод произвежда много чист нао, но загубата на живак замърсява околната среда. През 1970 г. 62,2% от световната химическа продукция е произведена по метода с живачен катод, 33,6% по метода с твърд катод и 4,2% по други методи. След 1970 г. започва да се използва електролиза с твърд катод с йонообменна мембрана, което позволява получаването на чист нао без използването на живак.
Приложение. Един от важни отраслихимическата промишленост е хлорната промишленост. Основните количества хлор се преработват на мястото на производството му в хлорсъдържащи съединения. Съхранявайте и транспортирайте H. в течна форма в цилиндри, варели, ж.п. резервоари или в специално оборудвани съдове. За индустриалните страни е характерен следният приблизителен разход на хлор: за производството на хлорсъдържащи органични съединения - 60-75%; неорганични съединения, съдържащи Ch.- 10-20%; за избелване на целулоза и тъкани - 5-15%; за санитарни нужди и хлориране на водата - 2-6% от общата продукция.
Хлорът се използва и за хлориране на някои руди с цел извличане на титан, ниобий, цирконий и др.
Л. М. Якименко.
З. в тялото. Х. е един от биогенни елементи,постоянен компонент на растителни и животински тъкани. Съдържанието на Ch. в растенията (много Ch. в халофити) - от хилядни от процента до цели проценти, при животните - десети и стотни от процента. Дневната нужда на възрастен от H. (2-4 Ж) се покрива от храна. С храната H. обикновено идва в излишък под формата на натриев хлорид и калиев хлорид. Х. Хлябът, месото и млечните продукти са особено богати. Хлорът в тялото на животните е основният осмотично активно веществокръвна плазма, лимфа, цереброспинална течност и някои тъкани. Играе роля в водно-солев обмен,помага на тъканите да задържат вода. Регулирането на киселинно-алкалния баланс в тъканите се осъществява заедно с други процеси чрез промяна на разпределението на холестерола между кръвта и другите тъкани. X. участва в енергийния метаболизъм в растенията, като активира и двете окислително фосфорилиране,и фотофосфорилиране. Ч. има положителен ефект върху усвояването на кислород от корените. Ch. е необходим за образуването на кислород в процеса на изолирана фотосинтеза хлоропласти. Ch. не е включен в повечето хранителни среди за изкуствено отглеждане на растения. Възможно е много ниски концентрации на Ch да са достатъчни за развитието на растенията.
М. Я. Школник.
Отравяне X . възможно в химическата, целулозно-хартиената, текстилната, фармацевтичната промишленост и др. H. дразни лигавиците на очите и дихателните пътища. Вторичната инфекция обикновено се присъединява към първичните възпалителни промени. Острото отравяне се развива почти веднага. При вдишване на средни и ниски концентрации на хлор се отбелязват стягане и болка в гърдите, суха кашлица, учестено дишане, болка в очите, сълзене, повишаване на съдържанието на левкоцити в кръвта, повишаване на телесната температура и др. Възможна бронхопневмония, токсичен белодробен оток, депресивни състояния, конвулсии. При леки случаи възстановяването настъпва за 3-7 денКато дългосрочни последици се наблюдават катари на горните дихателни пътища, рецидивиращи бронхити, пневмосклероза и др.; възможно активиране на белодробна туберкулоза. При продължително вдишване на малки концентрации на Ch., се наблюдават подобни, но бавно развиващи се форми на заболяването. Предотвратяване на отравяне: запечатване на производственото оборудване, ефективна вентилация, ако е необходимо, използването на противогаз. Максимално допустима концентрация на H. във въздуха на промишлени помещения 1 mg/m 3 . Производството на белина, белина и други хлорсъдържащи съединения се класифицира като индустрия с вредни условия на труд, където според Sov. Законодателството ограничава наемането на работа на жени и непълнолетни.
А. А. Каспаров.
Лит.:Якименко Л. М., Производство на хлор, сода каустик и продукти от неорганичен хлор, М., 1974; Некрасов B.V., Основи на общата химия, 3 изд., [том] 1, М., 1973; Вредни вещества в промишлеността, изд. Н. В. Лазарева, 6 изд., т. 2, Л., 1971; цялостна неорганична химия, изд. й. ° С. Байлар, с. 1-5, oxf. - , 1973.
изтегляне на резюме
Хлорът е получен за първи път през 1772 г. от Шееле, който описва освобождаването му по време на взаимодействието на пиролузит със солна киселина в своя трактат за пиролузит: 4HCl + MnO 2 = Cl 2 + MnCl 2 + 2H 2 O
Шееле отбелязва миризмата на хлор, подобна на миризмата на царска вода, способността му да взаимодейства със злато и цинобър, както и избелващите му свойства. Въпреки това, Шееле, в съответствие с теорията за флогистона, която доминираше в химията по това време, предположи, че хлорът е дефлогистицирана солна киселина, тоест оксид на солна киселина.
Бертоле и Лавоазие предполагат, че хлорът е оксид на елемента мурий, но опитите за изолирането му остават неуспешни до работата на Дейви, който успява да разложи готварската сол на натрий и хлор чрез електролиза.
Името на елемента идва от гръцки clwroz- "зелено".
Да бъдеш сред природата, получаваш:
Естественият хлор е смес от два изотопа 35 Cl и 37 Cl. Хлорът е най-разпространеният халоген в земната кора. Тъй като хлорът е много активен, в природата той се среща само под формата на съединения в състава на минерали: халит NaCl, силвин KCl, силвинит KCl NaCl, бишофит MgCl 2 6H 2 O, карналит KCl MgCl 2 6H 2 O, каинит KCl MgSO 4 3H 2 O. Най-големите запаси от хлор се съдържат в солите на водите на моретата и океаните.
В индустриален мащаб хлорът се произвежда заедно с натриев хидроксид и водород чрез електролиза на разтвор готварска сол:
2NaCl + 2H 2 O => H 2 + Cl 2 + 2NaOH
За възстановяване на хлор от хлороводород, който е страничен продукт от промишленото хлориране на органични съединения, се използва процесът на Дийкон (каталитично окисление на хлороводород с атмосферен кислород):
4HCl + O 2 \u003d 2H 2 O + 2Cl 2
Лабораториите обикновено използват процеси, базирани на окисление на хлороводород със силни окислители (например манганов (IV) оксид, калиев перманганат, калиев дихромат):
2KMnO 4 + 16HCl \u003d 5Cl 2 + 2MnCl 2 + 2KCl + 8H 2 O
K 2 Cr 2 O 7 + 14HCl = 3Cl 2 + 2CrCl 3 + 2KCl + 7H 2 O
Физични свойства:
При нормални условия хлорът е жълто-зелен газ със задушлива миризма. Хлорът е видимо разтворим във вода ("хлорна вода"). При 20°C 2,3 обема хлор се разтварят в един обем вода. Точка на кипене = -34°C; точка на топене = -101°C, плътност (газ, N.O.) = 3.214 g/l.
Химични свойства:
Хлорът е много активен - той се свързва директно с почти всички елементи на периодичната система, метали и неметали (с изключение на въглерод, азот, кислород и инертни газове). Хлорът е много силен окислител, той измества по-малко активните неметали (бром, йод) от техните съединения с водород и метали:
Cl2 + 2HBr = Br2 + 2HCl; Cl 2 + 2NaI \u003d I 2 + 2NaCl
Когато се разтвори във вода или алкали, хлорът дисмутира, образувайки хипохлорна (и при нагряване перхлорна) и солна киселина или техни соли.
Cl2 + H2O HClO + HCl;
Хлорът взаимодейства с много органични съединения, влизайки в реакции на заместване или добавяне:
CH 3 -CH 3 + xCl 2 => C 2 H 6-x Cl x + xHCl
CH 2 \u003d CH 2 + Cl 2 \u003d\u003e Cl-CH 2 -CH 2 -Cl
C6H6 + Cl2 => C6H6Cl + HCl
Хлорът има седем степени на окисление: -1, 0, +1, +3, +4, +5, +7.
Най-важните връзки:
Хлороводород HCl- безцветен газ, който дими във въздуха поради образуването на капчици мъгла с водни пари. Има силна миризма и силно дразни дихателните пътища. Съдържа се във вулканични газове и води, в стомашния сок. Химични свойствазависи в какво състояние се намира (може да е в газообразно, течно състояние или в разтвор). Нарича се разтвор на HCl солна (солна) киселина. Това е силна киселина, която измества по-слабите киселини от техните соли. соли - хлориди- твърди кристални вещества с високи точки на топене.
ковалентни хлориди- съединения на хлора с неметали, газове, течности или топими твърди вещества с характерни киселинни свойства, като правило, лесно се хидролизират от вода до образуване на солна киселина:
PCl5 + 4H2O = H3PO4 + 5HCl;
Хлорен (I) оксид Cl 2 O., кафяво-жълт газ с остра миризма. Засяга дихателните органи. Лесно разтворим във вода, образувайки хипохлорна киселина.
Хипохлорна киселина HClO. Съществува само в разтвори. Това е слаба и нестабилна киселина. Лесно се разлага на солна киселина и кислород. Силен окислител. Образува се при разтваряне на хлор във вода. соли - хипохлорити, нестабилен (NaClO*H 2 O се разлага с експлозия при 70 °C), силни окислители. Широко използван за избелване и дезинфекция избелващ прах, смесена сол Ca(Cl)OCl
Хлорна киселина HClO 2, в свободна форма е нестабилен, дори в разреден воден разтвор, бързо се разлага. Киселина със средна сила, соли - хлоритиобикновено са безцветни и силно разтворими във вода. За разлика от хипохлоритите, хлоритите проявяват изразени окислителни свойства само в кисела среда. Най-голямо приложение има натриевият хлорит NaClO 2 (за избелване на тъкани и хартиена маса).
Хлорен (IV) оксид ClO 2, - зеленикаво-жълт газ с неприятна (остра) миризма, ...
Хлорна киселина, HClO 3 - в свободна форма е нестабилен: непропорционален на ClO 2 и HClO 4 . соли - хлорати; от тях най-важни са натриевият, калиевият, калциевият и магнезиевият хлорат. Това са силни окислители, експлозивни при смесване с редуциращи агенти. калиев хлорат ( Бертолетова сол) - KClO 3, се използва за производство на кислород в лабораторията, но поради високата опасност вече не се използва. Разтворите на калиев хлорат се използват като слаб антисептик, външен лекарствен продуктза гаргара.
Перхлорна киселина HClO 4, във водни разтвори перхлорната киселина е най-стабилната от всички кислородсъдържащи хлорни киселини. Безводната перхлорна киселина, която се получава с концентрирана сярна киселина от 72% HClO 4 не е много стабилна. Това е най-силната едноосновна киселина (във воден разтвор). соли - перхлорати, се използват като окислители (ракетни двигатели с твърдо гориво).
Приложение:
Хлорът се използва в много индустрии, наука и битови нужди:
- При производството на поливинилхлорид, пластмаси, синтетичен каучук;
- За избелване на тъкани и хартия;
- Производство на хлорорганични инсектициди - вещества, които убиват насекоми, вредни за културите, но са безопасни за растенията;
- За дезинфекция на вода - "хлориране";
- Регистрирана в хранително-вкусовата промишленост като хранителна добавка Е925;
- В химическото производство на солна киселина, белина, бертолетова сол, метални хлориди, отрови, лекарства, торове;
- В металургията за производство на чисти метали: титан, калай, тантал, ниобий.
Биологична роля и токсичност:
Хлорът е един от най-важните биогенни елементи и е част от всички живи организми. При животните и хората хлоридните йони участват в поддържането на осмотичния баланс, хлоридният йон има оптимален радиус за проникване през клетъчната мембрана. Хлорните йони са жизненоважни за растенията, участват в енергийния метаболизъм в растенията, активирайки окислителното фосфорилиране.
Хлорът под формата на просто вещество е отровен, ако попадне в белите дробове, причинява изгаряне на белодробната тъкан, задушаване. Има дразнещ ефект върху дихателните пътища при концентрация във въздуха от около 0,006 mg / l (т.е. два пъти прага на миризмата на хлор). Хлорът е един от първите химически бойни агенти, използвани от Германия през Първата световна война.
Короткова Ю., Швецова И.
KhF Тюменски държавен университет, 571 групи.
Източници: Wikipedia: http://ru.wikipedia.org/wiki/Cl и други,
Уебсайт на RCTU Д. И. Менделеев:
През 1774 г. Карл Шееле, шведски химик, за първи път получава хлор, но се смята, че това не е отделен елемент, но един вид солна киселина (калоризатор). Елементарният хлор е получен в началото на XIXвек Г. Дейви, който разлага готварската сол на хлор и натрий чрез електролиза.
Хлорът (от гръцки χλωρός - зелен) е елемент от X VII групапериодична таблица на химичните елементи D.I. Менделеев, има атомен номер 17 и атомна маса 35,452. Приетото обозначение Cl (от лат Хлор).
Да бъдеш сред природата
Хлорът е най-често срещаният халоген в земната кора, най-често под формата на два изотопа. Поради химичната си активност се среща само под формата на съединения на много минерали.
Хлорът е отровен жълто-зелен газ с остра миризма и сладникав вкус. След откриването му беше предложено да се нарече хлор халоген, той е включен в едноименната група като един от най-химически активните неметали.
Дневна нужда от хлор
Обикновено здрав възрастен трябва да получава 4-6 g хлор на ден, нуждата от него се увеличава при активни физически натоварвания или горещо време (с повишено изпотяване). Обикновено тялото получава дневната норма от храна с балансирана диета.
Основният доставчик на хлор за тялото е готварската сол - особено ако не е подложена на термична обработка, така че е по-добре да солите вече приготвените ястия. Също така съдържат хлор, морски дарове, месо и, и,.
Взаимодействие с другите
Киселинно-алкалният и водният баланс на тялото се регулират от хлора.
Признаци на липса на хлор
Липсата на хлор се причинява от процеси, които водят до дехидратация на организма - силно изпотяване в жегата или при физическо натоварване, повръщане, диария и някои заболявания на отделителната система. Признаците за липса на хлор са летаргия и сънливост, мускулна слабост, изразена сухота в устата, загуба на вкус, липса на апетит.
Признаци на излишък от хлор
Признаците за излишък на хлор в организма са: повишено кръвно налягане, суха кашлица, болка в главата и гърдите, болка в очите, сълзене, нарушения на активността стомашно-чревния тракт. По правило излишъкът от хлор може да бъде причинен от пиенето на обикновена чешмяна вода, която преминава през процеса на дезинфекция с хлор и се среща при работници в отрасли, които са пряко свързани с употребата на хлор.
Хлор в човешкото тяло:
- регулира водния и киселинно-алкалния баланс,
- премахва течности и соли от тялото в процеса на осморегулация,
- стимулира нормалното храносмилане,
- нормализира състоянието на еритроцитите,
- почиства черния дроб от мазнини.
Основната употреба на хлор е химическата промишленост, където се използва за производство на поливинилхлорид, пенопласт, опаковъчни материали, както и химически бойни вещества и торове за растенията. Дезинфекцията на питейната вода с хлор е практически единствената достъпен начинпречистване на водата.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
хлор- химичен елемент от група VII от 3-ти период на периодичната система на химичните елементи D.I. Менделеев. Неметални.
Отнася се за елементи - p -семейство. Халоген. Серийният номер е 17. Структурата на външния електронен нивелир е 3s 2 3 p 5. Относителна атомна маса - 35,5 a.m.u. Молекулата на хлора е двуатомна - Cl 2.
Химични свойства на хлора
Хлорът реагира с прости метали:
Cl 2 + 2Sb = 2SbCl 3 (t);
Cl 2 + 2Fe \u003d 2FeCl 3;
Cl 2 + 2Na = 2NaCl.
Хлорът взаимодейства с прости неметални вещества. И така, при взаимодействие с фосфор и сяра се образуват съответните хлориди, с флуор - флуориди, с водород - хлороводород, с кислород - оксиди и др .:
5Cl2 + 2P = 2HC15;
Cl 2 + 2S \u003d SCl 2;
Cl 2 + H 2 \u003d 2HCl;
Cl 2 + F 2 \u003d 2ClF.
Хлорът е в състояние да измести брома и йода от техните съединения с водород и метали:
Cl2 + 2HBr = Br2 + 2HCl;
Cl 2 + 2NaI \u003d I 2 + 2NaCl.
Хлорът може да се разтваря във вода и основи, докато възникват реакции на диспропорциониране на хлора и съставът на реакционните продукти зависи от условията за неговото провеждане:
Cl 2 + H 2 O ↔ HCl + HClO;
Cl 2 + 2NaOH \u003d NaCl + NaClO + H 2 O;
3Cl 2 + 6NaOH \u003d 5NaCl + NaClO 3 + 3H 2 O.
Хлорът взаимодейства с несолеобразуващ оксид - CO, за да образува вещество с тривиално име - фосген, с амоняк, за да образува амониев трихлорид:
Cl 2 + CO \u003d COCl 2;
3 Cl 2 + 4NH 3 \u003d NCl 3 + 3NH 4 Cl.
В реакциите хлорът проявява свойствата на окислител:
Cl 2 + H 2 S \u003d 2HCl + S.
Хлорът влиза в реакции на взаимодействие с органични вещества от класа на алкани, алкени и арени:
CH 3 -CH 3 + Cl 2 = CH 3 -CH 2 -Cl + HCl (условие - UV лъчение);
CH2 \u003d CH2 + Cl2 \u003d CH2(Cl)-CH2-Cl;
C 6 H 6 + Cl 2 \u003d C 6 H 5 -Cl + HCl (кат \u003d FeCl 3, AlCl 3);
C 6 H 6 + 6Cl 2 \u003d C 6 H 6 Cl 6 + 6HCl (условие - UV радиация).
Физични свойства на хлора
Хлорът е жълто-зелен газ. Термично стабилен. Когато охладената вода се насити с хлор, се образува твърд кларат. Разтваря се добре във вода, претърпява дисмутация до голяма степен ("хлорна вода"). Разтваря се във въглероден тетрахлорид, течен SiCl4 и TiCl4. Той е слабо разтворим в наситен разтвор на натриев хлорид. Не реагира с кислород. Силен окислител. Точка на кипене - -34.1C, точка на топене - -101.03C.
Получаване на хлор
Преди това хлорът се получаваше по метода на Шееле (реакция на манганов (VI) оксид със солна киселина) или по метода на Дийкън (реакция на взаимодействие на хлороводород с кислород):
MnO 2 + 4HCl \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O;
4HCl + O 2 \u003d 2H 2 O + 2 Cl 2.
В наше време за получаване на хлор се използват следните реакции:
NaOCl + 2HCl = NaCl + Cl 2 + H 2 O;
2KMnO 4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl 2 +5 Cl 2 + 8H 2 O;
2NaCl + 2H 2 O \u003d 2NaOH + Cl 2 + H 2 (условие - електролиза).
Приложение на хлор
Хлорът е намерил широко приложение в различни индустрии, като се използва в производството на полимерни материали (поливинилхлорид), избелващи средства, хлорорганични инсектициди (хексахлоран), химически бойни отровни вещества (фосген), за дезинфекция на вода, в хранително-вкусовата промишленост, в металургията и т.н.
Примери за решаване на проблеми
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Упражнение | Какъв обем, маса и количество хлорно вещество ще се отдели (н.о.) при взаимодействието на 17,4 g манганов (IV) оксид със солна киселина, взета в излишък? |
| Решение | Нека напишем уравнението на реакцията за взаимодействие на манганов (IV) оксид със солна киселина: 4HCl + MnO 2 \u003d MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O. Моларни маси на манганов (IV) оксид и хлор, изчислени с помощта на таблицата на химичните елементи на D.I. Менделеев - съответно 87 и 71 g/mol. Изчислете количеството вещество манганов (IV) оксид: n(MnO 2) = m(MnO 2) / M(MnO 2); n (MnO 2) \u003d 17,4 / 87 \u003d 0,2 mol. Съгласно уравнението на реакцията n (MnO 2): n (Cl 2) = 1: 1, следователно, n (Cl 2) = n (MnO 2) = 0,2 mol. Тогава масата и обемът на хлора ще бъдат равни: m(Cl 2) \u003d 0,2 × 71 \u003d 14,2 g; V (Cl 2) \u003d n (Cl 2) × V m \u003d 0,2 × 22,4 \u003d 4,48 l. |
| Отговор | Количеството хлорно вещество е 0,2 mol, масата е 14,2 g, обемът е 4,48 l. |
Министерство на образованието и науката на РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ
Федерална ДЪРЖАВНА ОБРАЗОВАТЕЛНА ИНСТИТУЦИЯ ЗА ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ
ИВАНОВСК ДЪРЖАВЕН ХИМИЧЕСКИ И ТЕХНОЛОГИЧЕН УНИВЕРСИТЕТ
Отдел ТП и МЕТ
абстрактно
Хлор: свойства, приложение, производство
Ръководител: Ефремов А.М.
Иваново 2015г
Въведение
Главна информацияза хлор
Приложение на хлор
Химични методи за получаване на хлор
Електролиза. Концепцията и същността на процеса
Промишлено производство на хлор
Безопасност при производството на хлор и опазване на околната среда
Заключение
Въведение
хлор химичен елемент електролиза
Поради мащаба на употребата на хлор в различни области на науката, промишлеността, медицината и ежедневието, търсенето му напоследък се увеличи драстично. Има много методи за получаване на хлор чрез лабораторни и индустриални методи, но всички те имат повече недостатъци, отколкото предимства. Производството на хлор, например от солна киселина, която е страничен продукт и отпадък от много химически и други индустрии, или готварска сол, добивана в солни находища, е доста енергоемък процес, вреден за околната среда и много опасен за живота и здраве.
Понастоящем проблемът за разработване на технология за производство на хлор, която да елиминира всички горепосочени недостатъци и също така да има висок добив на хлор, е много спешен.
.Обща информация за хлора
Хлорът е получен за първи път през 1774 г. от К. Шееле чрез взаимодействие на солна киселина с пиролузит MnO2. Въпреки това, едва през 1810 г. Г. Дейви установи, че хлорът е елемент и го нарече хлор (от гръцки хлорос - жълто-зелен). През 1813 г. J. L. Gay-Lussac предлага името "Хлор" за този елемент.
Хлорът е елемент от VII група на периодичната система на елементите на Д. И. Менделеев. Молекулно тегло 70.906, атомно тегло 35.453, атомно число 17, принадлежи към семейството на халогените. При нормални условия свободният хлор, състоящ се от двуатомни молекули, е зеленикаво-жълт незапалим газ с характерна остра и дразнеща миризма. То е отровно и причинява задушаване. Сгъстеният хлорен газ при атмосферно налягане се превръща в кехлибарена течност при -34,05 ° C, втвърдява се при -101,6 ° C и налягане от 1 atm. Обикновено хлорът е смес от 75,53% 35Cl и 24,47% 37Cl. При нормални условия плътността на хлорния газ е 3,214 kg/m3, което е около 2,5 пъти по-тежко от въздуха.
Химически хлорът е много активен, свързва се директно с почти всички метали (с някои само при наличие на влага или при нагряване) и с неметали (с изключение на въглерод, азот, кислород, инертни газове), образувайки съответните хлориди, реагира с много съединения замества водорода в наситени въглеводороди и свързва ненаситени съединения. Това се дължи на голямото разнообразие от приложения. Хлорът измества брома и йода от техните съединения с водорода и металите. Алкалните метали в присъствието на следи от влага взаимодействат с хлора чрез запалване, повечето метали реагират със сух хлор само при нагряване. Стоманата, както и някои метали, са устойчиви на сух хлор при ниски температури, така че се използват за производство на оборудване и съхранение на сух хлор. Фосфорът се запалва в атмосфера на хлор, образувайки РCl3, а при по-нататъшно хлориране - РCl5. Сярата с хлор при нагряване дава S2Cl2, SCl2 и други SnClm. Арсен, антимон, бисмут, стронций, телур взаимодействат енергично с хлора. Смес от хлор и водород гори с безцветен или жълто-зелен пламък, образувайки хлороводород (това е верижна реакция). Максималната температура на водородно-хлорния пламък е 2200°C. Смеси от хлор с водород, съдържащи от 5,8 до 88,5% H2, са експлозивни и могат да експлодират от действието на светлина, електрическа искра, нагряване, от наличието на определени вещества, като железни оксиди.
С кислорода хлорът образува оксиди: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7, Cl2O8, както и хипохлорити (соли на хипохлориста киселина), хлорити, хлорати и перхлорати. Всички кислородни съединения на хлора образуват експлозивни смеси с лесно окисляеми вещества. Хлорните оксиди са нестабилни и могат да експлодират спонтанно, хипохлоритите се разлагат бавно по време на съхранение, хлоратите и перхлоратите могат да експлодират под въздействието на инициатори. Хлорът във водата се хидролизира, образувайки хипохлорна и солна киселина: Cl2 + H2O? HClO + HCl. Полученият жълтеникав разтвор често се нарича хлорна вода. При хлориране на водни разтвори на основи на студено се образуват хипохлорити и хлориди: 2NaOH + Cl2 \u003d NaClO + NaCl + H2O, а при нагряване - хлорати. Чрез хлориране на сух калциев хидроксид се получава белина. Когато амонякът реагира с хлор, се образува азотен трихлорид. По време на хлориране на органични съединения хлорът или замества водорода, или се добавя чрез множествени връзки, образувайки различни хлорсъдържащи съединения. органични съединения. Хлорът образува интерхалогенни съединения с други халогени. Хлорните флуориди ClF, ClF3, ClF3 са много реактивни; например в атмосфера на ClF3 стъклената вата се запалва спонтанно. Известни са хлорни съединения с кислород и флуор - хлорни оксифлуориди: ClO3F, ClO2F3, ClOF, ClOF3 и флуорен перхлорат FClO4.
Хлорът се среща в природата само под формата на съединения. Средното му съдържание в земната кора е 1,7 10-2% от теглото. Миграцията на водата играе важна роля в историята на хлора в земната кора. Под формата на Cl- йон се намира в Световния океан (1,93%), подземни саламури и солени езера. Броят на собствените минерали (предимно естествени хлориди) е 97, като основен е халитът NaCl (Каменна сол). Има и големи находища на калиеви и магнезиеви хлориди и смесени хлориди: силвин KCl, силвинит (Na,K)Cl, карналит KCl MgCl2 6H2O, каинит KCl MgSO4 3H2O, бишофит MgCl2 6H2O. В историята на Земята доставката на HCl, съдържаща се във вулканичните газове, в горните части на земната кора е от голямо значение.
Стандарти за качество на хлора
Наименование на индекса GOST 6718-93 Висок клас Първи клас Обемна фракция на хлор, не по-малко от, % 99.899.6 Масова част на вода, не повече от, % 0.010.04 Масова фракция на азотен трихлорид, не повече от, % 0.0020.004 Масова фракция на нелетлив остатък, не повече,%0 .0150.10
Съхранение и транспортиране на хлор
Хлорът, получен по различни методи, се съхранява в специални "резервоари" или се изпомпва в стоманени цилиндрични (обем 10-250 m3) и сферични (обем 600-2000 m3) цилиндри под налягане на собствените пари от 18 kgf / cm2. Максималните складови обеми са 150 тона. Цилиндрите с течен хлор под налягане имат специален цвят - защитен цвят. При разхерметизиране на цилиндър с хлор се получава рязко изпускане на газ с концентрация, няколко пъти по-висока от смъртоносната. Трябва да се отбележи, че при продължителна употреба на хлорни бутилки в тях се натрупва изключително експлозивен азотен трихлорид и следователно от време на време хлорните бутилки трябва редовно да се промиват и почистват от азотен хлорид. Хлорът се транспортира в контейнери, железопътни цистерни, бутилки, които са неговото временно съхранение.
2.Приложение на хлор
Хлорът се консумира предимно от химическата промишленост за производството на различни органични хлорни производни, използвани за получаване на пластмаси, синтетичен каучук, химически влакна, разтворители, инсектициди и др. В момента над 60% от световното производство на хлор се използва за органичен синтез. Освен това хлорът се използва за производството на солна киселина, белина, хлорати и други продукти. Значителни количества хлор се използват в металургията за хлориране при преработката на полиметални руди, извличането на злато от руди, а също така се използва в нефтопреработвателната промишленост, в селско стопанство, в медицината и санитарията, за неутрализиране на питейни и отпадъчни води, в пиротехниката и редица други области на националната икономика. В резултат на развитието на употребата на хлор, главно поради успеха на органичния синтез, световното производство на хлор е повече от 20 милиона тона / година.
Основните примери за приложението и използването на хлор в различни отрасли на науката, промишлеността и битовите нужди:
1.в производството на поливинилхлорид, пластмаси, синтетичен каучук, от които се изработват: изолации за проводници, профили за прозорци, опаковъчни материали, облекла и обувки, линолеум и грамофонни плочи, лакове, оборудване и пенопласт, играчки, части за инструменти, строителни материали. Поливинилхлоридът се произвежда чрез полимеризация на винилхлорид, който днес най-често се получава от етилен в процес с балансиран хлор чрез междинен продукт 1,2-дихлороетан.
CH2=CH2+Cl2=>CH2Cl-CH2ClCl-CH2Cl=> CH2=CHCl+HCl
1)като избелващ агент (въпреки че не самият хлор "избелва", а атомният кислород, който се образува при разлагането на хипохлорната киселина съгласно реакцията: Cl2 + H2O ? HCl + HClO ? 2HCl + O*).
2)в производството на органохлорни инсектициди - вещества, които убиват насекоми, вредни за културите, но са безопасни за растенията (алдрин, ДДТ, хексахлоран). Един от най-важните инсектициди е хексахлороциклохексан (C6H6Cl6).
)използван като бойно химическо вещество, както и за производството на други бойни химически вещества: иприт (C4H8Cl2S), фосген (CCl2O).
)за дезинфекция на вода - "хлориране". Най-разпространеният метод за дезинфекция на питейната вода се основава на способността на свободния хлор и неговите съединения да инхибират ензимните системи на микроорганизмите, които катализират редокс процесите. За дезинфекция на питейната вода се използват хлор (Cl2), хлорен диоксид (ClO2), хлорамин (NH2Cl) и белина (Ca(Cl)OCl).
)регистриран в хранително-вкусовата промишленост като хранителна добавка E925.
)в химическото производство на сода каустик (NaOH) (използвана при производството на коприна, в сапунената индустрия), солна киселина (HCl), белина, калиев хлорид (KClO3), метални хлориди, отрови, лекарства, торове.
)в металургията за производство на чисти метали: титан, калай, тантал, ниобий.
TiO2 + 2C + 2Cl2 => TiCl4 + 2CO;
TiCl4 + 2Mg => 2MgCl2 + Ti (при Т=850°С)
)като индикатор за слънчеви неутрино в хлор-аргонови детектори (Идеята за "хлорен детектор" за откриване на слънчеви неутрино е предложена от известния съветски физик академик Б. Понтекорво и реализирана от американския физик Р. Дейвис и неговите колеги. След като улови ядрото на неутрино на изотопа на хлора с атомно тегло 37, се превръща в ядро на изотопа аргон-37, с образуването на един електрон, който може да бъде регистриран.).
Много развити страни се стремят да ограничат употребата на хлор в ежедневието, включително защото изгарянето на съдържащи хлор отпадъци произвежда значително количество диоксини (глобални екотоксиканти с мощен мутагенен ефект).
3. Химични методи за получаване на хлор
Преди това производството на хлор чрез химически средства по методите на Weldon и Deacon беше широко разпространено. При тези процеси хлорът се получава чрез окисляването на хлороводорода, образуван като страничен продукт при производството на натриев сулфат от обикновена сол чрез действието на сярна киселина.
реакцията, протичаща при използване на метода на Weldon:
4HCl + MnO2 => MnCl2 + 2H2O + Cl2
реакцията, протичаща при използване на метода на Дийкън:
HCl + O2 => 2H2O + 2Cl2
В процеса на Дийкън като катализатор се използва меден хлорид, чийто 50% разтвор (понякога с добавяне на NaCl) се импрегнира в пореста керамична подложка. Оптималната реакционна температура на такъв катализатор обикновено е в диапазона 430-490°. Този катализатор лесно се отравя от арсеновите съединения, с които образува неактивен меден арсенат, както и от серен диоксид и триоксид. Наличието дори на малки количества пари на сярна киселина в газа причинява рязко намаляване на добива на хлор в резултат на последователни реакции:
H2SO4 => SO2 + 1/2O2 + H2O+ С12 + 2Н2O => 2НCl + H2SO4
С12 + Н2O => 1/2O2 + 2НCl
По този начин сярната киселина е катализатор, който насърчава обратното превръщане на Cl2 в HCl. Следователно, преди окисление върху меден катализатор, солният газ трябва да бъде напълно пречистен от примеси, които намаляват добива на хлор.
Инсталацията на Дякон се състоеше от газов нагревател, газов филтър и контактен апарат от стоманен цилиндричен корпус, вътре в който имаше два концентрично разположени керамични цилиндъра с отвори; пръстеновидното пространство между тях е запълнено с катализатор. Хлороводородът се окислява с въздух, така че хлорът се разрежда. Смес, съдържаща 25 об.% HCl и 75 об.% въздух (~16% O2) се подава в контактния апарат, а газът, напускащ апарата, съдържа около 8% C12, 9% HCl, 8% водна пара и 75% въздух . Такъв газ, след измиване от него с HCl и изсушаване със сярна киселина, обикновено се използва за получаване на белина.
Възстановяването на процеса на Дийкон в момента се основава на окисляването на хлороводорода не с въздух, а с кислород, което прави възможно получаването на концентриран хлор с помощта на високоактивни катализатори. Получената хлоро-кислородна смес се промива от остатъците от НС1 последователно с 36% и 20% солна киселина и се суши със сярна киселина. След това хлорът се втечнява и кислородът се връща в процеса. Отделянето на хлор от кислород също се извършва чрез абсорбиране на хлор под налягане от 8 atm със серен хлорид, който след това се регенерира, за да се получи 100% хлор:
Сl2 + S2CI2
Използват се нискотемпературни катализатори, например меден дихлорид, активиран със соли на редкоземни метали, което позволява провеждането на процеса дори при 100 ° C и следователно рязко повишаване на степента на превръщане на HCl в Cl2. На катализатор от хромов оксид, изгарянето на HCl в кислород се извършва при 340480°C. Описано е използването на катализатор от смес на V2O5 с пиросулфати на алкални метали и активатори върху силикагел. Механизмът и кинетиката на този процес са изследвани и оптимални условиянеговото прилагане, по-специално в кипящ слой.
Окислението на хлороводород с кислород също се извършва с помощта на разтопена смес от FeCl3 + KCl на два етапа, извършвани в отделни реактори. В първия реактор железният хлорид се окислява до образуване на хлор:
2FeCl3 + 1
Във втория реактор железният хлорид се регенерира от железен оксид с хлороводород:
O3 + 6HCI = 2FeCl3 + 3H20
За да се намали налягането на парите на железен хлорид, се добавя калиев хлорид. Предлага се също този процес да се извършва в един апарат, в който контактната маса, състояща се от Fe2O3, KC1 и меден, кобалтов или никелов хлорид, отложен върху инертен носител, се движи отгоре надолу на апарата. В горната част на апарата преминава през гореща зона на хлориране, където Fe2Oz се превръща в FeCl3, взаимодействайки с HCl, който е в потока газ, преминаващ отдолу нагоре. След това контактната маса се спуска в зоната на охлаждане, където под действието на кислорода се образува елементарен хлор и FeCl3 преминава в Fe2O3. Окислената контактна маса се връща отново в зоната на хлориране.
Подобно индиректно окисление на HCl до Cl2 се извършва съгласно схемата:
2HC1 + MgO = MgCl2 + H2O
Предлага се едновременното получаване на хлор и сярна киселина, преминавайки през ванадиев катализатор при 400-600°C газ, съдържащ HCl, O2 и голям излишък от SO2. След това H2SO4 и HSO3Cl се кондензират от газа и SO3 се абсорбира от сярна киселина; хлорът остава в газовата фаза. HSO3Cl се хидролизира и освободената НС1 се връща обратно в процеса.
Още по-ефективно окисляване се извършва от такива окислители като PbO2, KMnO4, KClO3, K2Cr2O7:
2KMnO4 + 16HCl => 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2^ +8H2O
Хлорът може да се получи и чрез окисляване на хлориди. Например, когато NaCl и SO3 взаимодействат, възникват реакции:
NaCl + 2SO3 = 2NaSO3Cl
NaSO3Cl = Cl2 + SO2 + Na2SO4
Разлагането на NaSO3Cl става при 275°C. Смес от газове SO2 и C12 може да бъде разделена чрез абсорбиране на хлор SO2Cl2 или CCl4 или подлагането му на ректификация, което води до азеотропна смес, съдържаща 88 mol. % Cl2 и 12 mol. %SO2. Азеотропната смес може да бъде допълнително разделена чрез превръщане на SO2 в SO2C12 и отделяне на излишния хлор и разлагане на SO2Cl2 при 200° на SO2 и Cl2, които се добавят към сместа, изпратена за ректификация.
Хлорът може да се получи чрез окисляване на хлорид или хлороводород с азотна киселина, както и азотен диоксид:
ZHCl + HNO3 => Сl2 + NOCl + 2Н2O
Друг начин за получаване на хлор е разлагането на нитрозил хлорид, което може да се постигне чрез неговото окисление:
NOCl + O2 = 2NO2 + Сl2
Също така, за да се получи хлор, се предлага например да се окисли NOCl със 75% азотна киселина:
2NOCl + 4HNO3 = Сl2 + 6NO2 + 2Н2O
Смес от хлор и азотен диоксид се разделя чрез превръщане на NO2 в слаба азотна киселина, която след това се използва за окисляване на HCl в първия етап на процеса до образуване на Cl2 и NOCl. Основната трудност при прилагането на този процес в индустриален мащаб е елиминирането на корозията. Като материали за оборудване се използват керамика, стъкло, олово, никел и пластмаса. По този метод в САЩ през 1952-1953г. инсталацията работеше с капацитет 75 тона хлор на ден.
Разработен е цикличен метод за получаване на хлор чрез окисление на хлороводород с азотна киселина без образуване на нитрозил хлорид съгласно реакцията:
2НCl + 2HNO3 = Сl2 + 2NO2 + 2Н2O
Процесът протича в течна фаза при 80°C, добивът на хлор достига 100%, NO2 се получава в течна форма.
Впоследствие тези методи бяха напълно заменени от електрохимични, но в момента химични методипроизводството на хлор се възражда на нова техническа основа. Всички те се основават на директно или непряко окисление на HCl (или хлориди), като най-често срещаният окислител е атмосферният кислород.
Електролиза. Концепцията и същността на процеса
Електролизата е набор от електрохимични окислително-редукционни процеси, които протичат върху електродите по време на преминаването на постоянен електрически ток през стопилка или разтвор с електроди, потопени в нея.
Ориз. 4.1. Процеси, протичащи по време на електролиза. Схема на електролизната вана: 1 - баня, 2 - електролит, 3 - анод, 4 - катод, 5 - захранване
Електродите могат да бъдат всякакви материали, които провеждат електричество. Използват се предимно метали и сплави, от неметали, например, графитни пръти (или въглерод) могат да служат като електроди. По-рядко течностите се използват като електрод. Положително зареден електрод е анод. Отрицателно зареденият електрод е катодът. По време на електролизата анодът се окислява (разтваря се), а катодът се редуцира. Ето защо анодът трябва да се вземе по такъв начин, че неговото разтваряне да не влияе върху химичния процес, протичащ в разтвора или стопилката. Такъв анод се нарича инертен електрод. Като инертен анод можете да вземете графит (въглерод) или платина. Като катод можете да вземете метална плоча (няма да се разтвори). Подходящи мед, месинг, въглерод (или графит), цинк, желязо, алуминий, неръждаема стомана.
Примери за електролиза на стопилка:
Примери за електролиза на солеви разтвори:
(Cl? аниони се окисляват в анода, а не кислород O? II на водните молекули, тъй като електроотрицателността на хлора е по-малка от тази на кислорода и следователно хлорът отделя електрони по-лесно от кислорода)
Електролизата на водата винаги се извършва в присъствието на инертен електролит (за увеличаване на електропроводимостта на много слаб електролит - вода):
В зависимост от инертния електролит, електролизата се извършва в неутрална, кисела или алкална среда. При избора на инертен електролит е необходимо да се вземе предвид, че металните катиони, които са типични редуциращи агенти (например Li +, Cs +, K +, Ca2 +, Na +, Mg2 +, Al3 +), никога не се редуцират при катодът във воден разтвор и кислород O?II на аниони на оксо киселина никога не се окислява при анода с елемент в най-високо състояние на окисление (например ClO4?, SO42?, NO3?, PO43?, CO32?, SiO44? , MnO4?), водата се окислява вместо това.
Електролизата включва два процеса: миграция на реагиращи частици под действието на електрическо поле към повърхността на електрода и прехвърляне на заряд от частица към електрод или от електрод към частица. Миграцията на йони се определя от тяхната подвижност и числа на пренос. Процесът на прехвърляне на няколко електрически заряда се извършва, като правило, под формата на последователност от едноелектронни реакции, тоест на етапи, с образуването на междинни частици (йони или радикали), които понякога съществуват за известно време върху електрода в адсорбирано състояние.
Скоростите на електродните реакции зависят от:
електролитен състав
концентрация на електролита
електроден материал
електроден потенциал
температура
хидродинамични условия.
Мярката за скоростта на реакцията е плътността на тока. Това е векторно физическо, чийто модул се определя от съотношението на силата на тока (броя прехвърлени електрически заряди за единица време) в проводника към площта напречно сечение.
Законите на Фарадей за електролизата са количествени зависимости, базирани на електрохимични изследвания и помагат да се определи масата на продуктите, образувани по време на електролизата. В най-общ вид законите са формулирани по следния начин:
)Първият закон на Фарадей за електролизата: Масата на вещество, отложено върху електрод по време на електролиза, е право пропорционална на количеството електричество, прехвърлено към този електрод. Количеството електричество се отнася до електрическия заряд, обикновено измерван в кулони.
2)Вторият закон на Фарадей за електролизата: за дадено количество електричество (електрически заряд), маса химичен елементотложен върху електрода е право пропорционален на еквивалентната маса на елемента. Еквивалентната маса на дадено вещество е неговата моларна маса, разделена на цяло число, в зависимост от химичната реакция, в която веществото участва.
В математическа форма законите на Фарадей могат да бъдат представени по следния начин:
където m е масата на веществото, отложено върху електрода в грамове, е общият електрически заряд, който е преминал през веществото, \u003d 96 485,33 (83) C mol? 1 е константата на Фарадей, е моларната маса на веществото (Например моларната маса на водата H2O = 18 g / mol), - валентното число на йоните на дадено вещество (броят електрони на йон).
Имайте предвид, че M/z е еквивалентната маса на отложеното вещество.
За първия закон на Фарадей M, F и z са константи, така че колкото по-голяма е стойността на Q, толкова по-голяма е стойността на m.
За втория закон на Фарадей Q, F и z са константи, така че колкото по-голяма е стойността на M/z (еквивалентна маса), толкова по-голяма е стойността на m.
В най-простия случай електролизата с постоянен ток води до:
В по-сложен случай на променлив електрически ток общият заряд Q на тока I( ?) се сумира във времето ? :
където t е общото време на електролиза.
В промишлеността процесът на електролиза се извършва в специални устройства - електролизери.
Промишлено производство на хлор
В момента хлорът се произвежда главно чрез електролиза на водни разтвори, а именно един от
Суровините за електролитното производство на хлор са главно разтвори на NaCl, получени чрез разтваряне на твърда сол, или естествени солеви разтвори. Има три вида находища на сол: изкопаеми соли (около 99% от запасите); солени езера с дънни седименти от самоседлова сол (0,77%); останалото е подземни сплитове. Солните разтвори, независимо от начина на получаване, съдържат примеси, които влошават процеса на електролиза. Калциевите катиони Ca2+, Mg2+ и SO42- аниони имат особено неблагоприятно въздействие при електролиза с твърд катод, а примесите в съединения, съдържащи тежки метали, като хром, ванадий, германий и молибден, при електролиза с течен катод.
Кристалната сол за хлорна електролиза трябва да има следния състав (%): натриев хлорид не по-малко от 97,5; Mg2+ не повече от 0,05; неразтворима утайка не повече от 0,5; Ca2+ не повече от 0,4; K+ не повече от 0,02; SO42 - не повече от 0,84; влажност не повече от 5; примес тежки метали(определено чрез амалгамен тест cm3 H2) не повече от 0,3. Почистването на саламура се извършва с разтвор на сода (Na2CO3) и варно мляко (суспензия от суспензия на Ca (OH) 2 във вода). В допълнение към химическото пречистване, разтворите се освобождават от механични примеси чрез утаяване и филтриране.
Електролизата на разтвори на обикновена сол се извършва във вани с твърд железен (или стоманен) катод и с диафрагми и мембрани, във вани с течен живачен катод. Индустриалните електролизатори, използвани за оборудването на съвременни големи хлорни инсталации, трябва да имат висока производителност, проста конструкция, да бъдат компактни, да работят надеждно и стабилно.
Електролизата протича по схемата:
MeCl + H2O => MeOH + Cl2 + H2,
където Аз алкален метал.
По време на електрохимичното разлагане на готварска сол в електролизери с твърди електроди се извършват следните основни, обратими и необратими йонни реакции:
дисоциация на молекули сол и вода (отива в електролита)
NaCl-Na++Cl-
Окисление на хлорни йони (на анода)
C1- - 2e- => C12
редукция на водородни йони и водни молекули (на катода)
Н+ - 2е- => Н2
H2O - 2e - \u003d\u003e H2 + 2OH-
Асоцииране на йони в молекула на натриев хидроксид (в електролит)
Na+ + OH- - NaOH
Полезни продукти са натриев хидроксид, хлор и водород. Всички те се изваждат от електролизера отделно.
Ориз. 5.1. Схема на диафрагмен електролизатор
Кухината на клетката с твърд катод (фиг. 3) е разделена от порест
Първите индустриални електролизатори работеха в периодичен режим. Електролизните продукти в тях се отделяха с циментова диафрагма. Впоследствие са създадени електролизатори, в които камбановидни прегради служат за отделяне на продуктите от електролизата. На следващия етап се появиха електролизатори с проточна диафрагма. При тях принципът на противотока е комбиниран с използването на разделителна диафрагма, която е изработена от етернитов картон. Освен това е открит метод за получаване на диафрагма от азбестова маса, заимстван от технологията на хартиената промишленост. Този метод даде възможност да се разработят проекти на електролизери за голямо токово натоварване с неотделим компактен пръстов катод. За да се увеличи експлоатационният живот на азбестовата диафрагма, се предлага да се въведат някои синтетични материали в нейния състав като покритие или връзка. Предлага се и диафрагмите да се произвеждат изцяло от нови синтетични материали. Има доказателства, че такива комбинирани азбесто-синтетични или специално произведени синтетични диафрагми имат експлоатационен живот до 500 дни. Разработват се и специални йонообменни диафрагми, които позволяват получаването на чиста сода каустик с много ниско съдържание на натриев хлорид. Действието на такива диафрагми се основава на използването на техните селективни свойства за преминаване на различни йони.
Местата на контакти на токопроводи към графитни аноди в ранните конструкции бяха извадени от кухината на клетката. По-късно са разработени методи за защита на контактните части на анодите, потопени в електролита. С помощта на тези техники са създадени индустриални електролизери с по-нисък ток, при които анодните контакти са разположени в кухината на електролизера. Те се използват навсякъде в момента за производство на хлор и каустик върху твърд катод.
Поток от наситен разтвор на натриев хлорид (пречистен солен разтвор) непрекъснато тече в анодното пространство на диафрагмената клетка. В резултат на електрохимичния процес на анода се отделя хлор поради разлагането на готварската сол, а на катода се отделя водород поради разлагането на водата. Хлорът и водородът се отделят от електролизера без смесване. В този случай зоната около катода е обогатена с натриев хидроксид. Разтворът от катодната зона, наречен електролитен разтвор, съдържащ неразградена готварска сол (приблизително половината от количеството, подадено със соления разтвор) и натриев хидроксид, непрекъснато се отстранява от електролитната клетка. На следващия етап електролитният разтвор се изпарява и съдържанието на NaOH в него се регулира до 42-50% в съответствие със стандарта. Трапезната сол и натриевият сулфат се утаяват с нарастваща концентрация на натриев хидроксид.
Разтворът на NaOH се декантира от кристалите и се прехвърля като готов продукт в склад или етап на топене на каустик, за да се получи твърд продукт. Кристалната готварска сол (обратна сол) се връща на електролиза, приготвяйки от нея така наречената обратна саламура. От него, за да се избегне натрупването на сулфат в разтвори, сулфатът се извлича преди приготвяне на обратния солен разтвор. Загубата на готварска сол се компенсира чрез добавяне на прясна саламура, получена чрез подземно излужване на солни пластове или чрез разтваряне на твърда готварска сол. Преди да се смеси с обратната саламура, прясната саламура се почиства от механични суспензии и значителна част от калциеви и магнезиеви йони. Полученият хлор се отделя от водната пара, компресира се и се прехвърля директно към потребителите или за втечняване на хлора. Водородът се отделя от водата, компресира се и се прехвърля към потребителите.
Същите химични реакции протичат в мембранен електролизатор, както и в диафрагмен електролизатор. Вместо пореста диафрагма се използва катионна мембрана (фиг. 5).
Ориз. 5.2. Схема на мембранен електролизатор
Мембраната предотвратява проникването на хлорни йони в католита (електролит в катодното пространство), поради което сода каустик може да се получи директно в електролизера почти без сол, с концентрация от 30 до 35%. Тъй като няма нужда да се отделя солта, изпаряването прави много по-лесно производството на 50% търговска сода каустик при по-ниски инвестиции и разходи за енергия. Тъй като концентрацията на сода каустик в мембранния процес е много по-висока, като катод се използва скъп никел.
Ориз. 5.3. Схема на живачен електролизатор
Общата реакция на разлагане на готварската сол в живачните електролизатори е същата като в диафрагмените клетки:
NaCl + H2O => NaOH + 1/2Cl2 + 1/2H2
Тук обаче протича на два етапа, всеки в отделен апарат: електролизатор и декомпозитор. Те са структурно свързани помежду си и се наричат електролитна баня, а понякога и живачен електролизатор.
На първия етап от процеса - в електролизера - се извършва електролитно разлагане на трапезната сол (наситеният й разтвор се подава в електролизера) с производството на хлор на анода и натриева амалгама на живачния катод, съгласно следната реакция:
NaCl + nHg => 1/2Cl2 + NaHgn
В декомпозера протича вторият етап от процеса, при който под действието на водата натриевата амалгама преминава в натриев хидроксид и живак:
NaHgn + H2O => NaOH + 1/2H2 + nHg
От цялата сол, подадена към електролизера със солен разтвор, само 15-20% от подаденото количество влиза в реакция (2), а останалата сол, заедно с вода, напуска електролизера под формата на хлоранолит - разтвор готварска сол във вода, съдържаща 250-270 kg / m3 NaCl, наситен с хлор. „Силната амалгама“, напускаща електролизера, и водата се подават към разлагателя.
Електролизерът във всички налични конструкции е направен под формата на дълъг и сравнително тесен, леко наклонен стоманен улей, по дъното на който тънък слой амалгама, който е катод, тече гравитационно и анолит отгоре. Саламура и слаба амалгама се подават от горния повдигнат ръб на клетката през "входния джоб".
Силната амалгама изтича от долния край на клетката през "изходния джоб". Хлорът и хлоранолитът излизат съвместно през разклонителна тръба, също разположена в долния край на клетката. Анодите са окачени над цялото огледало на амалгамен поток или катод на разстояние 3–5 mm от катода. Горната част на клетката е покрита с капак.
Разпространени са два вида декомпозитори: хоризонтални и вертикални. Първите са направени под формата на стоманен наклонен улей със същата дължина като електролитната клетка. Амалгамен поток тече по дъното на декомпозера, който е монтиран под лек наклон. В този поток е потопен декомпозитор от графит. Водата се движи в обратна посока. В резултат на разлагането на амалгамата водата се насища с каустик. Каустичният разтвор, заедно с водорода, излиза от разлагащия апарат през разклонителна тръба в дъното и бедната амалгама или живак се изпомпват в джоба на клетката.
Освен електролизатор, декомпозитор, джобове и преливни тръбопроводи, комплектът на електролизната вана включва живачна помпа. Използват се два вида помпи. В случаите, когато ваните са оборудвани с вертикален декомпозитор или когато декомпозиторът е монтиран под електролитната клетка, се използват потопяеми центробежни помпи от конвенционален тип, спуснати в декомпозера. Във ваните, където декомпозиторът е монтиран до електролизера, амалгамата се изпомпва от конусовидна ротационна помпа от оригиналния тип.
Всички стоманени части на електролизера, които влизат в контакт с хлор или хлоранолит, са защитени с покритие от специален клас вулканизиран каучук (гумиране). Защитният слой от гума не е абсолютно устойчив. С времето се хлорира, става крехък и се напуква от действието на температурата. Периодично защитният слой се подновява. Всички останали части на електролизната вана: декомпозитор, помпа, преливници - са направени от незащитена стомана, тъй като нито водородът, нито разяждащият разтвор я корозират.
В момента графитните аноди са най-често срещаните в живачната клетка. Те обаче се заменят с ORTA.
6.Безопасност при производството на хлор
и опазване на околната среда
Опасността за персонала при производството на хлор се определя от високата токсичност на хлора и живака, възможността за образуване на експлозивни газови смеси от хлор и водород, водород и въздух в оборудването, както и разтвори на азотен трихлорид в течност хлор, използването в производството на електролизери - устройства, които са под повишен електрически потенциал спрямо земята, свойствата на каустичния алкален продукт, произведен в това производство.
Животозастрашаващо е вдишването на въздух, съдържащ 0,1 mg/l хлор за 30-60 минути. Вдишването на въздух, съдържащ над 0,001 mg/l хлор, дразни дихателните пътища. Пределно допустима концентрация (ПДК) на хлор във въздуха селища: среднодневно 0,03 mg/m3, максимално еднократно 0,1 mg/m3, във въздуха на работната зона на промишлените помещения е 1 mg/m3, прагът на възприемане на миризми е 2 mg/m3. При концентрация 3-6 mg/m3 се усеща отчетлива миризма, възниква дразнене (зачервяване) на очите и лигавицата на носа, при 15 mg/m3 - дразнене на назофаринкса, при 90 mg/m3 - интензивно. пристъпи на кашлица. Експозицията на 120 - 180 mg/m3 за 30-60 минути е животозастрашаваща, при 300 mg/m3 е възможна смърт, концентрация от 2500 mg/m3 води до смърт в рамките на 5 минути, при концентрация от 3000 mg/m3 смърт възниква след няколко вдишвания. Максимално допустимата концентрация на хлор за филтриране на индустриални и граждански противогази е 2500 mg/m3.
Наличието на хлор във въздуха се определя от устройства за химическо разузнаване: VPKhR, PPKhR, PKhR-MV с помощта на индикаторни тръби IT-44 (розов цвят, праг на чувствителност 5 mg / m3), IT-45 (оранжев цвят), аспиратори AM- 5, АМ-0055, АМ-0059, НП-3М с индикаторни тръби за хлор, универсален газоанализатор УГ-2 с обхват на измерване 0-80 mg/m3, газов детектор "Колион-701" в обхват 0- 20 mg/m3. В открито пространство - с апарати SIP "KORSAR-X". На закрито - с апарати SIP "VEGA-M". За да се предпазят от хлор в случай на неизправност или извънредни ситуации, всички хора в работилниците трябва да имат и да използват своевременно противогази от клас „B“ или „BKF“ (с изключение на цеховете за електролиза на живак), както и защитно облекло: плат или гумирани костюми, гумени ботуши и ръкавици. Кутиите за противогаз срещу хлор трябва да бъдат боядисани в жълто.
Живакът е по-отровен от хлора. ПДК на неговите пари във въздуха е 0,00001 mg/l. Влияе на човешкия организъм при вдишване и при контакт с кожата, както и при контакт с амалгамирани предмети. Неговите пари и пръски се адсорбират (абсорбират) от дрехи, кожа, зъби. В същото време живакът лесно се изпарява при температура; наличен в цеха за електролиза, а концентрацията на неговите пари във въздуха е много по-висока от максимално допустимата. Поради това електролизните цехове с течен катод са оборудвани с мощна вентилация, която при нормална работа осигурява приемливо ниво на концентрация на живачни пари в атмосферата на цеха. Това обаче не е достатъчно за безопасна работа. Необходимо е също така да се спазва така наречената живачна дисциплина: спазвайте правилата за работа с живак. След тях, преди да започне работа, персоналът преминава през помещението за санитарен контрол, в чистата част на което оставя домашните си дрехи и облича прясно изпрано бельо, което е работно облекло. В края на смяната гащеризоните и мръсното бельо се оставят в мръсната част на санитарния пункт, докато работниците се къпят, мият зъбите си и се обличат в чистата част на санитарния пункт.
В работилници, които работят с хлор и живак, трябва да използвате противогаз марка G (кутията на противогаза е боядисана в черно и жълто) и гумени ръкавици. Правилата на "живачната дисциплина" предвиждат, че работата с живак и амалгамирани повърхности трябва само под слой вода; разлятият живак трябва незабавно да се изхвърли в канализацията, където има уловители на живак.
Емисиите на хлор и живачни пари в атмосферата, изхвърлянето на живачни соли и живачни капки, съединения, съдържащи активен хлор в отпадъчните води, и отравянето на почвата с живачни утайки представляват опасност за околната среда. Хлорът навлиза в атмосферата по време на аварии, с вентилационни емисии и изгорели газове от различни устройства. Живачните пари се отвеждат с въздух от вентилационни системи. Нормата за съдържание на хлор във въздуха при изпускане в атмосферата е 0,03 mg/m3. Тази концентрация може да бъде постигната, ако се използва алкално многостепенно промиване на отработените газове. Нормата на съдържанието на живак във въздуха при изпускане в атмосферата е 0,0003 mg/m3, а в отпадъчните води при изпускане във водни обекти е 4 mg/m3.
Неутрализирайте хлора със следните разтвори:
варно мляко, за което 1 тегловна част гасена вар се излива в 3 части вода, разбърква се добре, след което варовият разтвор се отцежда отгоре (например 10 кг гасена вар + 30 л вода);
5% воден разтвор на калцинирана сода, за който 2 тегловни части калцинирана сода се разтварят при разбъркване с 18 части вода (например 5 кг калцинирана сода + 95 литра вода);
5% воден разтвор на сода каустик, за който 2 тегловни части сода каустик се разтварят при разбъркване с 18 части вода (например 5 кг сода каустик + 95 литра вода).
При изтичане на хлорен газ се впръсква вода за гасене на изпаренията. Разходът на вода не е стандартизиран.
Когато се разлее течен хлор, мястото на разливане се огражда със земна стена, напълнена с варно мляко, разтвор на калцинирана сода, сода каустик или вода. За неутрализиране на 1 тон течен хлор са необходими 0,6-0,9 тона вода или 0,5-0,8 тона разтвори. За неутрализиране на 1 тон течен хлор са необходими 22-25 тона разтвори или 333-500 тона вода.
За пръскане на вода или разтвори се използват поливни и противопожарни автомобили, станции за автоматично бутилиране (AC, PM-130, ARS-14, ARS-15), както и хидранти и специални системи, налични в химически опасни съоръжения.
Заключение
Тъй като обемите хлор, произведени чрез лабораторни методи, са незначителни в сравнение с непрекъснато нарастващото търсене на този продукт, е необходимо да се извърши сравнителен анализняма смисъл.
От методите за електрохимично производство най-лесният и удобен е електролизата с течен (живачен) катод, но този метод не е лишен от недостатъци. Той причинява значителни щети на околната среда чрез изпаряване и изтичане на метален живак и хлорен газ.
Електролизерите с твърд катод елиминират риска от замърсяване на околната среда с живак. При избора между мембранни и мембранни електролизери за нови производствени мощности се предпочитат последните, защото са по-икономични и осигуряват по-високо качество на крайния продукт.
Библиография
1.Зарецки С. А., Сучков В. Н., Животински П. Б. Електрохимична технология на неорганични вещества и химически източницитекущо: Учебник за ученици от техническите училища. М ..: По-високо. училище, 1980. 423 с.
2.Мазанко А. Ф., Камарян Г. М., Ромашин О. П. Промишлена мембранна електролиза. М.: издателство "Химия", 1989. 240 с.
.Pozin M.E. Технология на минерални соли (торове, пестициди, индустриални соли, оксиди и киселини), част 1, изд. 4th, rev. Л., Издателство "Химия", 1974 г. 792 с.
.Фиошин М. Я., Павлов В. Н. Електролиза в неорганичната химия. М.: издателство "Наука", 1976. 106 с.
.Якименко Л. М. Производство на хлор, сода каустик и продукти от неорганичен хлор. М.: издателство "Химия", 1974 г. 600 с.
Интернет източници
6.Правила за безопасност при производство, съхранение, транспортиране и използване на хлор // URL: #"justify">7. Опасни вещества // URL: #"justify">. Хлор: приложение // URL: #"justify">.