塩素：歴史、特性、構造、リスク、用途 - 化学

塩素は、シンボルClで表される化学元素。ハロゲンの第二、フッ素下方に配置され、かつ全ての第三の最も電気陰性元素です。その名前は、フッ化物よりも濃い黄緑色に由来しています。

一般的に、誰かがあなたの名前を聞くとき、彼らが最初に考えるのは、衣類の漂白製品とプールの水です。このような例では塩素は効果的に機能しますが、漂白および消毒作用を発揮するのはガスではなく、その化合物（特に次亜塩素酸塩）です。

ガス状の塩素が入った丸型フラスコ。出典：Larenmclane

上の画像は、塩素ガスが入った丸型フラスコを示しています。その密度は空気の密度よりも高いため、フラスコ内に留まり、大気中に漏れることはありません。ヘリウムや窒素など、他の軽いガスで発生します。この状態では、肺で塩酸を生成するため、非常に有毒な物質です。

そのため、元素状または気体の塩素は、一部の合成以外ではあまり使用されません。しかしながら、その化合物は、それらが塩であろうと塩素化有機分子であろうと、スイミングプールや非常に白い衣服を超えて、用途の優れたレパートリーをカバーしています。

同様に、塩化物アニオンの形のその原子は私たちの体の中にあり、ナトリウム、カルシウム、カリウムのレベルだけでなく、胃液にも含まれています。そうでなければ、塩化ナトリウムの摂取はさらに致命的です。

塩素は、塩化ナトリウムに富むブラインの電気分解によって生成されます。このプロセスでは、水酸化ナトリウムと水素も得られます。また、海はこの塩のほぼ無尽蔵の供給源であるため、水圏におけるこの元素の潜在的な埋蔵量は非常に大きいです。

歴史

最初のアプローチ

塩素ガスは反応性が高いため、古代文明ではその存在を疑うことはありませんでした。しかし、その化合物は古代から人類の文化の一部でした。その歴史は一般的な塩に関連し始めました。

一方、塩素は火山の噴火や王水に金を溶かしたときに発生しました。しかし、これらの最初のアプローチはどれも、黄緑色のガスが元素または化合物であるという考えを公式化するのに十分でさえありませんでした。

発見

塩素の発見は、スウェーデンの化学者カールウィルヘルムシェール氏が1774年にピロルサイトと塩酸（当時はミュリア酸と呼ばれていました）の間の反応を行ったことが原因です。

彼が塩素の特性を研究した最初の科学者であったので、シェールは信用を得ました。ヤンバプティストファンヘルモントによって以前に認識されていました（1630）。

シェールが観察した実験は興味深いものです。彼は、花の赤みがかった青みがかった花びら、および即座に枯れた植物や昆虫の葉に対する塩素の漂白作用を評価しました。

同様に、彼は金属に対するその高い反応率、その窒息臭と肺への望ましくない影響を報告しました、そしてそれが水に溶解されたとき、その酸性度が増加したことを報告しました。

オキシムラチン酸

その時までに、化学者は酸素を持っているあらゆる化合物への酸を考えました。それで彼らは、塩素は気体の酸化物であるに違いないと誤って考えました。これは、彼らがそれを「オキシムリアチン酸」（ムリアチン酸オキシド）と呼んだ方法であり、有名なフランスの化学者アントワーヌ・ラヴォワジエによって造られた名前です。

その後、1809年にジョセフルイスゲイ-ルサックとルイジャックテナールがこの酸を炭で還元しようとしました。それらがそれらの酸化物から金属を得た反応。このようにして、彼らは想定されているオキシムラチン酸（「ムリアチン酸脱臭空気」と呼ばれる）の化学元素を抽出したいと考えました。

しかし、ゲイルサックとテナールは実験に失敗しました。しかし、これらの黄緑色のガスは化合物ではなく化学元素でなければならない可能性を考慮すると正しいものでした。

要素としての認識

化学要素としての塩素の認識は、1810年に炭素電極を使用して独自の実験を行い、そのような塩酸の酸化物は存在しないと結論付けたハンフリーデービー卿のおかげでした。

さらに、ギリシャ語の「クロロ」から黄色の緑を意味するこの要素の名前を「塩素」と名付けたのはデービーでした。

彼らが塩素の化学的性質を研究したとき、その化合物の多くは自然界では食塩水であることがわかった。したがって、彼らはそれを「ハロゲン」と名付けました。これは塩形成剤を意味します。次に、ハロゲンという用語が同じグループの他の元素（F、Br、I）と共に使用されました。

マイケルファラデーは塩素を液化して固体にし、水で汚染されたために水和物Cl ₂・H ₂ Oを形成しました。

塩素の歴史の残りは、大量の塩素を生成するためのブラインの電気分解の工業プロセスが開発されるまで、その消毒および漂白特性に関連しています。

物理的及び化学的性質

外見

濃い不透明な黄緑色のガスで、刺激的な刺激臭があり（市販の塩素の超強化バージョン）、非常に有毒です。

原子番号（Z）

原子量

35.45 u。

特に明記しない限り、残りの特性は、塩素分子Cl ₂について測定された量に対応します。

沸点

-34.04ºC

融点

-101.5℃

密度

-通常の状態では、3.2 g / L

-ちょうど沸点で、1.5624 g / mL

液体塩素の密度は気体の約5倍であることに注意してください。また、その蒸気の密度は空気の密度の2.49倍です。そのため、最初の画像では、塩素は丸底フラスコから漏れる傾向がありません。これは、空気よりも密度が低く、塩素が下部にあるためです。この特性により、さらに危険なガスになります。

融合熱

6.406 kJ / mol

気化熱

20.41 kJ / mol

モル熱容量

33.95 J /（mol K）

水溶性

1.46 g / 100 mL、0℃

蒸気圧

25°Cで7.67 atm この圧力は他のガスと比較して比較的低いです。

電気陰性

3.16ポーリングスケール。

イオン化エネルギー

-最初：1251.2 kJ / mol

-2番目：2298 kJ / mol

-3番目：3822 kJ / mol

熱伝導率

8.9 10 ^-3 W /（m K）

同位体

塩素は、主に次の2つの同位体として天然に存在する³⁵ 76％の存在量とのCl、および³⁷ 24％の存在量で、Clです。したがって、原子量（35.45 u）は、これらの2つの同位体の原子質量の平均であり、それぞれの存在比率が示されています。

すべての塩素放射性同位元素は人工であり、そのうち³⁶ Cl が最も安定しており、半減期は30万年です。

酸化数

塩素は、化合物の一部である場合、さまざまな酸化数または状態を持つ可能性があります。周期表で最も電気陰性度の高い原子の1つであるため、通常は負の酸化数になります。酸化物またはフッ化物にそれぞれ酸素またはフッ素が含まれる場合を除いて、電子を「失う」必要があります。

それらの酸化数では、同じ大きさの電荷を持つイオンの存在または存在が想定されます。したがって、我々は：-1（のCl ^-、有名な塩化物アニオン）+1た（C ⁺）、+2た（C ²⁺）+3（Clで³⁺）、+4た（C ⁴⁺）+5（ Cl ⁵⁺）、+ 6（Cl ⁶⁺）および+7（Cl ⁷⁺）。それらすべての中で、-1、+ 1、+ 3、+ 5、+ 7は塩素化化合物で最も一般的に見られます。

例えば、のClFとのClFに₃塩素の酸化数が+1（Clであり⁺ F ^-および+3（CL）³⁺ F ₃^-）。Cl ₂ Oでは、これは+1（Cl ₂⁺ O ^2-）です。 ClO _2中、Cl ₂ O ₃およびCl ₂ O ₇は+4（Cl ⁴⁺ O _{2 2}^-）、+ 3（Cl ₂³⁺ O ₃^2-）および+7（Cl ₂⁷⁺または₇^2-）。

一方、すべての塩化物では、塩素の酸化数は-1です。塩化ナトリウム（ナトリウムの場合のように⁺のCl ^- Clで言うのは有効である）^-存在し、この塩のイオン性の性質を与えられました。

構造と電子構成

塩素分子

空間充填モデルで表される二原子塩素分子。出典：Benjah-bmm27（Wikipedia経由）。

基底状態の塩素原子は次の電子配置を持っています：

3S ²の3p ⁵

したがって、それぞれに7つの価電子があります。それらがエネルギーで過負荷にならない限り、まるでそれらが緑の大理石であるかのように、空間に個々のCl原子が存在します。ただし、それらの自然な傾向は、それらの間に共有結合を形成することであり、したがってそれらの価数オクテットを完成させます。

それらが8つの価電子を持つために必要なのは1つの電子だけなので、それらは単一の単純な結合を形成することに注意してください。これは、2つのCl原子を結合してCl ₂分子（上の画像）、Cl-Cl を作成するものです。これが、通常および/または地球の条件での塩素が分子ガスである理由です。希ガスのように単原子ではありません。

分子間相互作用

Cl ₂分子は同核で無極性であるため、その分子間相互作用はロンドンの散乱力とその分子質量によって支配されます。気相では、Cl ₂ -Cl _2の距離が他のガスに比べて比較的短いため、その質量に加えて、空気の3倍の密度のガスになります。

光は、Cl _2の分子軌道内の電子遷移を励起および促進できます。その結果、特徴的な黄緑色が現れます。この色は液体の状態で濃くなり、固まると部分的に消えます。

温度が下がると（-34ºC）、Cl ₂分子は運動エネルギーを失い、Cl ₂ -Cl ₂距離が減少します。したがって、これらは合体し、最終的に液体塩素を定義します。システムがさらに冷却された場合（-101ºC）でも同じことが起こり、Cl ₂分子が非常に接近して斜方晶を定義します。

塩素結晶が存在するという事実は、それらの分散力が構造パターンを作成するのに十分な方向性を持っていることを示しています。つまり、Cl _2の分子層です。これらの層の分離は、構造が64 GPaの圧力下でも変更されず、電気伝導を示さないようなものです。

見つけて入手する場所

塩化物塩

一般的な塩または食卓塩としてよく知られている岩塩の堅牢な結晶。出典：ParentGéry

気体状態の塩素は、非常に反応性が高く、塩化物を形成する傾向があるため、地球の表面のどこにも見つかりません。これらの塩化物は地球の地殻全体によく拡散され、さらに、何百万年もの間雨に流された後、海と海を豊かにしています。

すべての塩化物の中で、鉱物岩塩のNaCl（上の画像）が最も一般的で豊富です。続い鉱物はsilvinによって、塩化カリウム、及びcarnalite、のMgCl ₂・塩化カリウム・6H ₂ Oを太陽の作用により水蒸発の質量は、それらがNaClを直接原料として抽出することができるから砂漠の塩湖、残します塩素の生産のため。

ブラインの電解

NaClは水に溶解してブライン（26％）を生成します。ブラインは、塩素アルカリセル内で電気分解されます。アノードとカソードの区画で2つの半反応が起こります。

2CL ^-（水溶液）=>のCl ₂（G）+ 2E ^-（アノード）

2H ₂ O（L）+ 2E ^- => 2OH ^-（水溶液）+ H ₂（g）の（陰極）

また、両方の反応のグローバル方程式は次のとおりです。

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

反応が進むと、アノードで形成されたNa ⁺イオンは、透過性のアスベスト膜を通ってカソードコンパートメントに移動します。そのため、NaOHはグローバル方程式の右側にあります。Cl ₂とH _2の両方のガスは、それぞれアノードとカソードから収集されます。

下の画像は、記述された内容を示しています。

ブラインの電気分解による塩素製造の図。出典：Jkwchui

陰イオンのClの一部を意味端に塩水の濃度が2％減少することに注意してください（24〜26％を渡す）、^-元の分子がClでなった₂。結局、このプロセスの工業化により、塩素、水素、水酸化ナトリウムを製造する方法が提供されました。

軟マンガン鉱の酸溶解

歴史のセクションで述べたように、塩素ガスは、ピロリン酸鉱物サンプルを塩酸で溶解することによって生成できます。次の化学式は、反応から得られた生成物を示しています。

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

合金

塩素合金は2つの単純な理由で存在しません。それらの気体分子は金属結晶の間に閉じ込められないことと、非常に反応性が高いため、金属とすぐに反応してそれぞれの塩化物を生成することです。

一方、塩化物は、いったん水に溶解すると合金の腐食を促進する塩分効果を発揮するため、望ましくありません。したがって、金属は溶解して金属塩化物を形成します。各合金の腐食プロセスは異なります。一部は他より影響を受けやすいです。

したがって、塩素は合金にとってはまったく良い添加物ではありません。Cl等もない₂やCl等^-（とCl原子は存在さえしすぎ反応だろう）。

リスク

塩素の水への溶解度は低いですが、皮膚や目の湿気の中で塩酸を生成するのに十分であり、組織を腐食して深刻な刺激を引き起こし、視力を失うことさえあります。

肺に入ると再び酸を生成し、肺組織に損傷を与えるため、さらに悪いのは、黄色がかった緑がかった蒸気の呼吸です。これにより、人は肺の中に形成された体液のために喉の痛み、咳、呼吸困難を経験します。

塩素漏れがある場合、あなたは特に危険な状況にあります。空気は単にその蒸気を「掃き出す」ことはできません。それらはゆっくりと反応または分散するまでそこに留まります。

これに加えて、それは非常に酸化性の高い化合物なので、さまざまな物質がわずかな接触で爆発的に反応する可能性があります。スチールウールとアルミニウムのように。そのため、塩素が保管されている場所では、火災のリスクを回避するために必要なすべての配慮を行う必要があります。

皮肉なことに、塩素ガスは致命的ですが、その塩素アニオンは毒性がありません。それは（適度に）消費することができ、燃焼しないし、フッ素や他の試薬と反応しない。

用途

合成

年間生産される塩素ガスの約81％は、有機および無機塩化物の合成に使用されます。これらの化合物の共有結合の程度に応じて、塩素（C-Cl結合を有する）、またはClなどの塩素化有機分子で単なるのCl原子として求めることができる^-イオン数塩化物塩中（塩化ナトリウム、塩化カルシウム₂、のMgCl ₂、等。）。

これらの化合物にはそれぞれ独自の用途があります。たとえば、クロロホルム（CHCl ₃）と塩化エチル（CH ₃ CH ₂ Cl）は、吸入麻酔薬として使用されるようになった溶媒です。ジクロロメタン（CH ₂ Cl ₂）と四塩化炭素（CCl ₄）は、有機化学実験室で広く使用されている溶媒です。

これらの塩素化化合物が液体の場合、ほとんどの場合、有機反応媒体の溶媒として使用されます。

他の化合物では、塩素原子の存在が双極子モーメントの増加を表すため、極性マトリックスとの相互作用が大きくなります。タンパク質、アミノ酸、核酸などの生体分子で構成されるもの。したがって、塩素は薬物、殺虫剤、殺虫剤、殺菌剤などの合成にも役割を果たします。

無機塩化物に関しては、それらは通常、触媒、電解により金属を得るための原料、またはClの源として使用されている^-イオン。

生物学的

ガス状または元素状の塩素は、生体内で組織を破壊する以外の役割はありません。しかし、これはその原子が体内で見つからないという意味ではありません。例えばCl ^-イオンは、細胞および細胞外環境において非常に豊富であり、そしてヘルプのNaのレベルを制御するために⁺およびCa ²⁺イオンをほとんど、。

同様に、塩酸は食物が胃で消化される胃液の一部です。それらのCl ^-イオンは、Hの会社で₃ O ⁺、これらの分泌物の1に近いpHを定義します。

化学兵器

塩素ガスの密度は、密閉空間または開放空間にこぼれたり注いだりすると、致命的な物質になります。空気より密度が高いので、その流れは塩素を運びにくいので、しばらくしてから最後に飛散します。

たとえば第一次世界大戦では、この塩素は戦場で使用されました。解放されると、それは塹壕に忍び込み、兵士を窒息させ、彼らを強制的に表面化させます。

消毒剤

微生物の繁殖と拡散を防ぐため、プールは塩素処理されています。出典：Pixabay。

塩素系溶液は、塩素ガスを水に溶かしてからバッファーでアルカリ性にしたもので、組織の腐敗を抑制するだけでなく、優れた消毒特性を備えています。それらは、開いた傷を消毒して病原菌を除去するために使用されてきました。

スイミングプールの水は、その中に潜んでいる可能性のある細菌、微生物、寄生虫を排除するために正確に塩素化されています。この目的のために塩素ガスが使用されていましたが、その作用は非常に強力です。代わりに、次亜塩素酸ナトリウム溶液（漂白剤）またはトリクロロイソシアヌル酸（TCA）錠剤が使用されます。

上記は、殺菌作用を発揮するのはCl ₂ではなく、微生物を破壊するOラジカルを生成する次亜塩素酸であるHClOであることを示しています。

漂白

塩素は消毒作用と非常によく似ていますが、色の原因となる着色剤がHClOによって分解されるため、塩素も材料を漂白します。したがって、その塩素処理された溶液は、白い衣服から汚れを取り除くため、または紙パルプを漂白するために理想的です。

ポリ塩化ビニル

残りの塩素ガス生産の約19％を占める最も重要な塩素化合物は、ポリ塩化ビニル（PVC）です。このプラスチックには複数の用途があります。それで、水道管、窓枠、壁や床材、電気配線、IVバッグ、コートなどが作られます。

参考文献

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塩素：歴史、特性、構造、リスク、用途 - 化学 - 2024

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