Хлор: валентность в соединениях

Хлор - удивительный химический элемент, способный проявлять различную валентность в соединениях. Давайте разберемся, от чего зависит эта валентность и как она меняется.

Строение атома хлора

В нормальном состоянии атом хлора имеет 7 электронов на внешнем уровне и, следовательно, проявляет валентность I. Однако благодаря наличию незаполненной 3d-орбитали атом хлора может переходить в возбужденные состояния и проявлять другие степени окисления - от -I до +VII.

Схема образования возбужденных состояний атома:

• Cl → Cl^* → 3d¹4s¹
• Cl → Cl^** → 3d²4s¹

То есть формальные валентности +III и +V обусловлены переходом электронов с 4s-орбитали на вакантную 3d-орбиталь.

Факторы, влияющие на валентность

На проявление той или иной валентности хлором влияют следующие факторы:

1. Температура реакции
2. Давление
3. Наличие катализатора
4. Кислотность среды
5. Природа другого реагента

Например, повышение температуры и давления может инициировать переход хлора в возбужденное состояние и проявление им высших валентностей.

Валентность хлора в различных соединениях

Рассмотрим, как валентность хлора меняется в некоторых соединениях:

Промышленное получение хлора

В промышленных масштабах хлор производят методом электролиза водного раствора хлорида натрия (поваренной соли) по реакции:

• 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH

На выработку 1 тонны хлора расходуется примерно 2800 кВт*ч электроэнергии. Таким образом, получение хлора - довольно энергозатратный процесс. Существует несколько разновидностей электролиза, отличающихся типом катода.

Области применения хлора

Благодаря высокой химической активности и окислительным свойствам, хлор и его соединения нашли широкое применение:

• Отбеливание целлюлозы
• Обеззараживание воды
• Производство пластмасс
• Синтез органических веществ

Токсичность хлора

Несмотря на полезные свойства, хлор является очень токсичным веществом. Уже при концентрации 0,1 мг/м³ он оказывает раздражающее действие на дыхательные пути. Предельно допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны - 1 мг/м³.

Поэтому при работе с хлором обязательно использование средств индивидуальной защиты - противогазов, спецодежды, перчаток. Также необходим постоянный контроль уровня хлора в воздухе помещений.

Хлор в живых организмах

Несмотря на токсичность, хлор является важнейшим биогенным элементом. В организме человека ион Cl− поддерживает осмотическое равновесие, участвует в регуляции нервных клеток, пищеварении.

Растениям хлор необходим для фотосинтеза и других процессов жизнедеятельности. Однако избыток хлорид-ионов может замедлять рост растений.

Роль хлора в регуляции кислотно-щелочного баланса

В организме человека хлор тесно взаимодействует с бикарбонатами. Экскреция хлора обратно пропорциональна выделению гидрокарбонат-ионов. Таким образом поддерживается оптимальный кислотно-щелочной баланс (pH) крови и других жидкостей тела.

Потребность в хлоре для человека

Суточная потребность взрослого человека в хлоре составляет около 800 мг. Эта потребность полностью покрывается с пищей, которая содержит 3-6 г хлора ежедневно.

Дефицит хлора может привести к нарушениям водно-солевого обмена и другим расстройствам. Однако такие случаи встречаются крайне редко, учитывая широкое содержание хлора в продуктах.

Хлор и иммунитет

Исследования показали положительное влияние хлора на иммунную систему. Активация хлорных каналов стимулирует продукцию антител и выработку интерферона, повышая устойчивость организма к инфекциям.

Возможно, этим объясняется эффективность хлорсодержащих препаратов для полоскания горла при ангине и других заболеваниях. Однако необходимы дополнительные клинические испытания для подтверждения этой гипотезы.

Хлор и гормональный фон

Обнаружена взаимосвязь хлоридного обмена с содержанием в крови альдостерона - гормона коры надпочечников. Альдостерон стимулирует реабсорбцию ионов натрия в почечных канальцах, а хлор пассивно следует за натрием.

Также хлориды способствуют выработке ренина - фермента, регулирующего артериальное давление. Таким образом, хлор косвенно влияет на работу эндокринной системы.

Хлор в составе лекарственных препаратов

Многие лекарства содержат в своем составе хлор. Например, широко применяются хлорид натрия для внутривенных инфузий, а также растворы других хлоридов.

Кроме того, некоторые антибактериальные и противовирусные препараты в своей основе имеют органические соединения хлора. К таким относятся хлорамфеникол, хлоргексидин и другие.

Радиоактивные изотопы хлора

Помимо двух стабильных природных изотопов 35Cl и 37Cl, существует несколько десятков радиоактивных изотопов хлора. Они образуются при ядерных реакциях или распаде других элементов.

Радиоактивный изотоп 36Cl широко используется в гидрологии для определения возраста подземных вод. Период полураспада 36Cl составляет 301 тыс. лет.

Хлорные соединения и окружающая среда

Хлорорганические пестициды (ДДТ, гексахлоран) нанесли серьезный вред экосистемам в 20 веке. Сегодня их применение запрещено в большинстве стран.

Озоноразрушающие фреоны, содержащие хлор, также выведены из обращения после подписания Монреальского протокола. Тем не менее, они до сих пор присутствуют в атмосфере.