氯元素

引入

氯气如何制取？

为什么自然界中见不到氯单质？

有哪些含有氯元素的物质，它们有什么功能？

为什么早晨有时开水龙头会有一股刺鼻气味？

氯元素以 $\mathrm{NaCl}$、$\mathrm{MgCl}{}_2$、$\mathrm{CaCl}{}_2$ 等形式大量存在于海水、盐湖、盐矿中。

正文

物质名称	性质	类别	颜色	气味	物态	相对分子质量	密度（$0{}^{\circ }\mathrm{C}$，101 kPa）	熔点	沸点	氧化态
氯气 $\mathrm{Cl}{}_2$	剧毒	非金属单质	黄绿色气体	刺激性气味	气体	71	$3.2g/L$	$-101.5{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-34.04{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-1,+1,+2,+3,+4,+5,+6,+7$

制取氯气

实验室：较古早的一种方法采用浓盐酸与 $\mathrm{MnO}{}_2$ 反应，本质是在酸性条件下用强氧化剂将 $\mathrm{Cl}{}^{-}$ 氧化为氯气。

工业：采用氯碱法，由电解饱和食盐水溶液制取。

名称	性质	反应式	现象	应用
实验室法	氧化还原	$\mathrm{MnO}{}_2+4\mathrm{HCl}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{MnCl}{}_2+\mathrm{Cl}{}_2\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	生成黄绿色气体	制取氯气
氯碱法	电解	$2\mathrm{NaCl}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{通电}{=}2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H}{}_2\uparrow +\mathrm{Cl}{}_2\uparrow$	电极有大量气泡冒出	制取氢氧化钠、氯气和氢气

实验室法必须用浓盐酸并加热。稀盐酸还原性不足，反应无法进行；若用 $\mathrm{KMnO}{}_4$ 代替 $\mathrm{MnO}{}_2$，则不需加热。

物理性质

名称	性质（化学）	类别	气味	颜色	物态	沸点	熔点
次氯酸 $\mathrm{HClO}$	弱酸性、强氧化性、漂白性、不稳定	弱酸	氯味	浅黄色	液体（仅存在于溶液）	/	/
次氯酸钠 $\mathrm{NaClO}$	漂白性	次氯酸盐	氯味	黄绿色	固体	$101{}^{\circ }\mathrm{C}$（分解）	$18{}^{\circ }\mathrm{C}$
次氯酸钙 $\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO}){}_2$	漂白性	次氯酸盐	氯味	白色微黄	固体	/	$100{}^{\circ }\mathrm{C}$（分解）

氯气能溶于水，常温下 1 体积水约溶解 2 体积氯气，溶于水后部分与水反应生成次氯酸和盐酸。

化学性质

氯原子最外层有 7 个电子，容易得 1 个电子形成稳定结构，所以氯气是活泼的非金属单质，具有强氧化性，可以和一些金属单质、$\mathrm{H}{}_2$ 发生反应。

反应类型	反应式	现象
氧化还原反应	$2\mathrm{Na}+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}2\mathrm{NaCl}$	剧烈燃烧，发出黄光，产生白烟
氧化还原反应	$2\mathrm{Fe}+3\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}2\mathrm{FeCl}{}_3$	产生棕褐色烟，产物溶于水呈黄色
氧化还原反应	$\mathrm{Cu}+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{=}\mathrm{CuCl}{}_2$	产生棕黄色烟，产物溶于水呈蓝色
氧化还原反应	$\mathrm{H}{}_2+\mathrm{Cl}{}_2\stackrel{点燃}{=}2\mathrm{HCl}$	燃烧出苍白色火焰

注意铁与氯气反应生成的是 $\mathrm{FeCl}{}_3$ 而不是 $\mathrm{FeCl}{}_2$——氯气氧化性强，直接把铁氧化到 $+3$ 价。这与铁和盐酸反应生成 $\mathrm{FeCl}{}_2$ 不同。

能漂白的物质有 $\mathrm{HClO}$、$\mathrm{NaClO}$、$\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO}){}_2$，通过强氧化作用破坏染料或有色物质中的共轭结构，从而使其失去颜色。

名称	反应类型	反应式	现象	应用
漂白粉制取	歧化反应	$2\mathrm{Cl}{}_2+2\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}){}_2=\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO}){}_2+\mathrm{CaCl}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	黄绿色逐渐转变为白色浑浊	泳池消毒，Shock 清洗剂 中含漂白粉
漂白反应	复分解反应	$\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO}){}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+\mathrm{CO}{}_2=\mathrm{CaCO}{}_3\downarrow +2\mathrm{HClO}$	形成白色沉淀，同时生成次氯酸	漂白和消毒

漂白粉长期暴露在空气中会失效，原因正是上面这个反应：$\mathrm{CO}{}_2$ 和水分把 $\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO}){}_2$ 转化为 $\mathrm{HClO}$，而 $\mathrm{HClO}$ 见光分解：

$$2\mathrm{HClO}\stackrel{光照}{\to }2\mathrm{HCl}+\mathrm{O}{}_2\uparrow$$

所以漂白粉必须密封避光保存。

毒性的机理和应用

氯气有毒性，易溶于水。吸入后会在呼吸道中生成盐酸和新生态氧，对组织造成刺激和灼伤，引发水肿、充血和坏死。它还能刺激呼吸道末梢，引起平滑肌痉挛，导致呼吸困难和缺氧，进而损害心肌。新生态氧具有强氧化性，能生成臭氧，对细胞有毒害作用。此外，氯气还可影响中枢神经系统，导致植物神经功能紊乱，如血压降低、心率减慢和心律不齐。

防范：遇到氯气泄漏时，因氯气密度大于空气，需要逆风向高处跑，用打湿的衣布捂住口鼻。

应用：氯气的毒性不仅对人有害，对其他生物也有毒性，因此可以用氯气消毒。目前氯气已应用于自来水消毒。以前早晨有时开水龙头会有一股刺鼻气味，那应该是余氯残留，自来水中需要保持微量的余氯（$\le 0.05mg/L$）才能抑制细菌。

引出

如何区分氯和其他卤素单质？

为什么氯气能使湿润的有色布条褪色，却不能使干燥的有色布条褪色？

次氯酸的漂白性与氯气的漂白性有什么本质区别？

• 卤族元素：卤素单质的性质递变与氧化性比较
• 氧化还原反应：氯气的强氧化性如何体现
• 离子反应：氯水中存在哪些离子
• 环境保护与绿色化学：含氯消毒副产物的环境问题