Общие сведения и методы получения
Хлор (С1) Д в свободном состоянии при нормальных условиях двухатомный газ желто-зеленого цвета, относится к галогенам. Впервые хлор был получен в 1774 г. в Швеции Шееле взаимодействием соляной кислоты с пиролюзитом МпО₂. Однако только в 1810 г. Дэви установил, что хлор Д элемент и назвал его Chlorine (от греческого Chloros Д желто-зеленый).
В 1812 г. Гей-Люссак предложил для этого элемента название хлор. В жидком виде был впервые получен в 1823 г. Фарадеем.
Среднее содержание в земной коре 1,7 *10^Д2 %; в кислых изверженных породах 2,4*10^-2%; в основных и ультраосновных 5*10^Д3 % (по массе). Из-за чрезвычайной реакционной способности встречается в свободном виде только в вулканических газах, в связанном виде находится в горных породах, в морской, речной и озерной водах, в растительных и животных организмах. Основные минералы, содержащие хлор: галит NaCl (каменная соль), сильвин КСl, сильвинит NaCl-KCl, карналлит KCl-MgCl₂*6H₂O, каинит KCl*MgSO₄*3H₂O, бишофит MgCl₂*6H₂O и др.
Наиболее мощные залежи образуют каменная и калийные соли.
Основным способом промышленного получения хлора в настоящее время служит электролиз водного раствора хлорида натрия; его осуществляют двумя методами:
1) диафрагменный метод (в электролизерах с твердым катодом и пористой фильтрующей диафрагмой);
2) ртутный метод (в электролизерах с ртутным катодом).
По обоим методам на графитовом или оксидно-титано-рутениевом аноде выделяется газообразный хлор.
Химический состав жидкого хлора, применяемого при производстве отбеливающих средств, солей, хлорорганических соединений, а также для очистки и стерилизации питьевой воды, по ГОСТ 6718Д68:
Содержание хлора, % (объемн.), не менее........99,6
Содержание влаги, % (по массе), не более....... 0,05
Содержание треххлористого азота, % (по массе), не более ... 0,005
Хлор очень токсичен, он сильно действует на слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Предельно допустимое содержание хлора в воздухе производственных помещений не должно превышать 0,001 мг/л. Вдыхание воздуха, содержащего 0,1Д0,2 мг/л хлора, а течение 30Д 60 мин опасно для жизни. Для предупреждения отравлений следует герметизировать оборудование, использовать эффективную вентиляцию и противогазы.
Физические свойства
Атомные характеристики. Атомный номер 17, атомная масса 35,453 а.о. м., атомный объем 17,38*10^-6 м³/моль, атомный радиус (ковалеитный) 0,099 нм, ионные радиусы Сl^- 0,181 нм, Сl⁷⁺ 0,026 нм. Значение первый трех потенциалом ионизации: 13,01; 23,80; 39,9; сродство к электрону 3,76 эВ; электроотрицательность 3,0.
Молекула хлора состоит из двух атомов. Межъядерное расстояние в молекуле газа 0,1998 нм.
Кристаллическая решетка хлора ромбическая (при 113 К) с периодами решетки, нм: а=0,448; b = 0,624; с = 0,826; координационное число равно 1. Степень термической диссоциации, %: 0,35 (1000 К); 37(2000 К). Природный хлор представляет собой смесь стабильных изотопов ₃₅Сl (75,77 %) и ₃₇Сl (24,23 %). Из искусственных радиоактивных изотопов важнейшие: ₃₄Сl(T1/2 = 32,4 мин); ₃₆Сl (T1/2 =3,08*10⁵ лет); ₃₈Сl (T1/2=37,29 мин).
Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов ₁₇Сl (естеств.) (31,0±2,0)* 10^-28 м². Среднее сечение захвата, полученное для максвелловского спектра нейтронов, составляет (16±3) *10^-28 м².
Плотность. Плотность газообразного хлора при нормальных условиях р=0,003214 Мг/м³, насыщенного пара при 273 К 0,01221 Мг/м³; твердого хлора при 170 К 1,900 Мг/м3. Плотность жидкого хлора при различных температурах:

T, К ...............203        238       273       293        313       333
р, Мг/м³..... 1,6552     1,5649  1,4680   1,4085   1,3450   1,2760
Электрические и магнитные. Удельное электрическое сопротивление (ρ) твердого хлора порядка 100 МОм*м; жидкого хлора (при температуре 203 К) 100 ГОм*м, диэлектрическая проницаемость ε=2,048. Хлор диамагнитен с удельной магнитной восприимчивостью χ = Д0,57*10^-9.
Тепловые и термодинамические. Температура плавления хлора Д101,0 °С, температура кипения Д 34,1 °С. Критические параметры: температура 417,1 К, давление 7,61 МПа, плотность 0,573 Мг/м³ Удельная теплота плавления Сl₂ прн 298 К = 90,39 кДж/кг. При 298 К удельная теплота испарения Сl₂ =288,15 кДж/кг. Теплота испарения жидкого хлора в зависимости от температуры:
Т, К........... 203              238
кДж/кг...... 306,89        287,84
Удельная теплоемкость газообразного хлора при 298,15 К и давлении 0,1013 МПа С_Р=616,08 Дж/(кг*К) (Сl) и 477,3 Дж/(кг*К) (Cl₂). Удельная теплоемкость С1₂ при 10 К Ср = 18,84 Дж/(кг*К). При других температурах Ср изменяется так:

Т, К             Ср, Дж/(кг*К)
20                   218,33

40                   676,16
80                   1089,42

150                 1437,52

400                 497,88
600                 516,22
1000               528,91
1500               535,96

Примечание. Слева приведены данные для Сl, справа Д для Сl₂ (газ).
Теплопроводность λ хлора в зависимости от температуры:
Т, К             λ, Вт/(м*К)
200                 0,0054
273                 0,0079
300                 0,0088
350                 0,0106

400                 0,0124

500                 0,0158

600                 0,0188

700                 0,0215
Температурный коэффициент объемного расширения жидкого хлора β= 1,41*10^-3 К^-1 при (172Д239,4) К; 1,49*10^-3 К^-1 при (193Д239,4) К и 1,53*10^-3К^-1 при 233 К, а газообразного изменяется таким образом:
Т, К...................273    273Д373    373    473
β*10^-3, К^-1....... 3,90        3,83       3,77   3,83
Энергия диссоциации молекул Сl₂ при 298 К составляет 243 кДж/моль. Молярная энтропия Cl₂ s° в зависимости от температуры:
T, К.........................298      500     1000    1500     2000    2500    3000
s°, Дж/(моль*К).......223,1   241,3   266,8   282,2     293,2   301,7   308,8
Атомная энтропия Sаt и приведенный термодинамический потенциал Фт газообразного хлора (Сl) в зависимости от температуры:
Т, К...........................298      500       1000     1500    2000      2500    3000
Sat, Дж/(моль*К)...... 165,2    176,8    192,5    201,3    207,5    212,3   216,1
Фт, Дж/(моль*К) ...... 165,2    167,7    192,5    201,3    207,5    212,3   216,1

Давление пара р при температуре плавления 13,03*10² Па. Давление насыщенных паров хлора в зависимости от температуры:
Т, К          Р. кПа     
189           3,479
216,3        32,24
260,7        233,2
283           484,9

316,3       1180,6

349,6       2419,0

394,1       5273,1
Коэффициент диффузии (предэкспоненциальный множитель) хлора, растворенного в воде, при 285 К D₀= 1,4*10^-9 м²/с; при 289,3 К Do= 1,3*10^-9 м²/с. Динамическая вязкость η хлора в зависимости от температуры:
T,K                 219,9     237,7     293         423        523
η, мПа*с         0,569     0,494   0,0133    0,0188    0 ,0228
Поверхностное натяжение хлора при 201 К σ =33,0 мН/м. Константа Сезерленда в интервале температур 293Д523 К равна 351. Эбуллиоскопическая постоянная хлора 1,73.
Оптические. В твердом состоянии хлор желто-зеленого цвета. Показатель преломления газообразного хлора (длина волны 0,5893 мкм) n = 1,000768, поляризационная способность 0,30, поляризуемость 3,05. Скорость звука в газообразном хлоре при 273 К 206 м/с.
Химические свойства
Нормальный электродный потенциал реакции 2Сl^-Д2е=Сl₂ (газ) φо= = 1,358 B. Электрохимический эквивалент хлора (одновалентного) 0,36743 мг/Кл. Хлор весьма химически активен, непосредственно соединяется с большинством металлов и неметаллов, замещает водород в углеводородах, присоединяется к ненасыщенным соединениям. В соединениях проявляет степень окисления Д1, +1, +3, +4; +5, +6, +7. Непосредственно с кислородом не соединяется, оксиды хлора получают косвенным путем. Известны оксиды Сl₂О; СlО₂; Сl₂О₆; Сl₂O₇; СlO₃. Все они, кроме бесцветного Сl₂О₇ имеют различных оттенков желтую окраску, все очень сильные окислители, являются эндотермическими соединениями, мало стойки и могут самопроизвольно взрываться, особенно СlО₂ и СlO₃. Имеются соединения, состоящие из хлора, кислорода и фтора. Наиболее важным является перхлорилфторид FCIO₃. Известны кислородные кислоты хлора и их соли:
НСlO Д хлорноватистая кислота и ее соли Д гипохлориты;

НСlO₂ Д хлористая кислота и ее соли Д хлориты;
НСlO₃Д хлорноватая кислота и ее соли Д хлораты;
НСlO₄ Д хлорная кислота и ее соли Д перхлораты.

Все кислородные соединения хлора сильные окислители. При рассмотрении свойств кислородных кислот и их солей следует отметить:

Усиление кислотных свойств, повышение устойчивости
---------------------------->

НСlО НСlО₂ НСlO₃ НСlO₄
<----------------------------
Увеличение окислительной активности

Соответствующие соли значительно устойчивее свободных кислот. Гипохлориты при хранении медленно разлагаются, хлораты и перхлораты в определенных условиях могут взрываться. С водородом взаимодействует со взрывом при обычных температурах под действием активного света или катализаторов, образуя бесцветный газ с резким запахом, дымящий на воздухе Д хлороводород НСl хорошо растворимый в воде с образованием сильной кислоты Д соляной. Смесь хлора и водорода горит бесцветным или желто-зеленым пламенем, максимальная температура которого достигает 2200 °С. Смеси, содержащие от 5,8 до 88,5 % водорода, взрывоопасны. Примеси N₂, СО, НСl и СО₂ снижают взрывоопасность таких смесей. Скорость распространения пламени в хлороводородных смесях также зависит от соотношения в них водорода и хлора и ее максимальная величина 4,1 м/с. Непосредственно соединяется с подавляющим большинством металлов, образуя соли Д хлориды, большинство которых хорошо растворимо в воде. Трудно растворимы AgCl и РЬСl₂. Щелочные металлы в присутствии следов влаги взаимодействуют с хлором с воспламенением. При температуре выше 540 °С все металлы и сплавы взаимодействуют с хлором. Углеродистая сталь, медь и алюминий загораются в среде хлора при температурах 230, 280 и 180 °С соответственно; нержавеющие стали типа Х18Н8 стойки до температур (320Д340) °С, монель металлД до 430 °С, никель и высоконикелистые сплавы типа никонель Д до 540 °С.
Непосредственно с азотом хлор не соединяется, косвенным путем получают хлористый азот (азид хлора) ClN₃ Д бесцветный, сильно взрывающийся газ и треххлористый азот NCl₃ Д темно-желтую, летучую, маслянистую жидкость с резким запахом, сильно взрывающуюся при соприкосновении с веществами, способными хлорироваться.
При полном отсутствии влаги хлор взаимодействует с серой уже при комнатной температуре, при нагревании активность взаимодействия возрастаетД образуются соединения SCl₄, SCl₂, S₂Cl₂ и др. типа S_nCl_m. Непосредственно с углеродом хлор не соединяется, косвенным путем получают СCl₄ Д тетрахлорметан Д бесцветную, негорючую жидкость, при обычной температуре химически инертную, гидролизующуюся водой, хорошо растворяющую органические вещества.
Белый фосфор в атмосфере хлора воспламеняется на холоду, с красным фосфором реакция протекает спокойно. В обоих случаях образуется трихлорид фосфора PCl₃, который при дальнейшем хлорировании превращается в пентахлорид PCl₅. При окислении трихлорида фосфора РCl₃ образуется оксихлорид РОСl₃, используемый в органическом синтезе как мягкий хлорирующий реагент. С кремнием хлор образует ряд соединений: (SiCl)x Д твердое желтое вещество, при 98 °С воспламеняется на воздухе, сильный восстановитель, растворяется в КОН; Si₁₀Cl₁₈ и Si_nCl_2n+2 (n=3, 4, 10) Дсмолоподобные вязкие вещества, энергично гидролизуются, хорошо растворяются в бензоле, на воздухе легко окисляются; Si₂Cl₅ Д бесцветная жидкость, при 500°С разлагается, очень чувствительна к воде; SiCl₄Д бесцветная подвижная жидкость, гидролизуется, дымит на воздухе. С бором хлор образует: ВСl₃ Д бесцветная легкоподвижная жидкость, легко гидролизуется, дымит на воздухе, растворяется в спиртах; B₂Cl₄ Д бесцветная жидкость, легко разлагается, растворяется в воде; (BCl)x(x=4,8) существуют при высокой температуре в газообразном состоянии. С другими галогенами хлор образует межгалоидные соединения: фториды ClF, ClF₃, ClF₅ очень реакционноспособные вещества; бромид - BrCl Д малоустойчивый желтый газ; иодиды ICl Д твердое вещество красного цвета, неустойчивое, разлагается водой и IСl₃Драссеивающееся в воздухе желтое вещество, разлагается водой, при нагревании растворяется в органических растворителях. Хлор легко вступает во взаимодействие со щелочами на холоду с образованием хлоридов и гипохлоритов, а при нагревании Д хлоридов и хлоратов. С Са(ОН)₂ образует важные технические соединения Д хлорную известь, ипохлорит и хлорат кальция. Хлор растворим в воде (2 объема на 1 объем воды при 25 °С), частично гидролизуясь с образованием раствора хлорноватистой НСlО и соляной НСl кислот. Константа равновесия этой реакции составляет 1,56*10^-4 при 0°С; 3,16*10^-4 при 15°С;

4,48*10^-4 при 25°С. Растворимость хлора в воде при общем давлении (газа и паров воды) 0,1013 МПа в зависимости от температуры:
t. ⁰С.......................................0     10     20     30     40     60     80     100
Растворимость, 10^-3 кг/л...... 14,6   9,97  7,29  5,72   4,59  3,93  3,29      0
При температуре ниже 10 °С из насыщенного хлором водного раствора выпадают кристаллогидраты переменного состава Cl₂*nH₂O (n=6Д8). Растворимость хлора в водном растворе NaCl и других хлоридов меньшe, чем в воде и сильно уменьшается с повышением концентрации соли в растворе.
Растворяется хлор также в n-гептане, SiCl₄, ССl₄, TiCl₄. SnCl₄, С₂Н₄Вr₂ и других неводных средах.
Хлор взаимодействует почти со всеми оксидами металлов, с сульфидами тяжелых мегаллов (PbS, Cu₂S, Ag₂S, FeS) при температурах более низких, чем с соответствующими оксидами, образуя хлориды. С перекисью водорода в водном растворе хлор взаимодействует по реакции Cl₂+H₂O₂ = 2HCl+O₂. Из соединении с водородом и металлами хлор может быть вытеснен более активным фтором, а сам хлор вытесняет бром и иод из аналогичных соединений. Из кислородсодержащих соединений хлор может быть вытеснен бромом и иодом.
Области применения
Хлор применяют как отбеливающее средство в текстильной и бумажной промышленности; для стерилизации питьевой воды и обеззараживания сточных вод; как исходное сырье для получения синтетического хлороводорода, соляной кислоты, хлорной извести, хлоридов, хлоратов, гипохлоритов; для извлечения олова из отходов белой жести; для получения различных органических хлорпроизводных; пластмасс, синтетических волокон, растворителей, каучуков, заменителей кожи (павинол), средств защиты растений (гексахлорана, хлорофоса); дефолиантов, дезинфицирующих средств, лекарств, ядохимикатов; в анилинокрасочной промышленности; в цветной металлургии для хлорирования руд с целью извлечения некоторых металлов (титана, ниобия, циркония); при получении и очистке многих металлов. Из соединений хлора широко применяют хлориды (NaCl Д пищевая промышленность, получение NaOH, Сl₂, КСl - калийное удобрение). Гипохлориты Д отбеливающие и дезинфицирующие вещества; хлоратыД в пиротехнике, в производстве спичек; перхлораты Д как компонент твердых ракетных топлив.