氯（一种非金属元素）

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更新时间：2023-05-19
氯
一种非金属元素
氯（Chlorine）是一种非金属元素，元素符号Cl，原子序数为17，位于第三周期，VII A族，是卤族元素之一。氯单质由两个氯原子构成，化学式为Cl2。气态氯单质俗称氯气，液态氯单质俗称液氯。氯气常温常压下为黄绿色气体，有强烈的刺激性气味，化学性质十分活泼，具有毒性。氯以化合态的形式广泛存在于自然界当中，对人体的生理活动也有重要意义。
基本信息
中文名
氯
编号
17
别名
化学式
Cl
熔点
-101.0℃
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发现简史
元素性质数据
1774年，瑞典化学家舍勒在从事软锰矿的研究时发现：软锰矿与盐酸混合后加热就会生成一种令人窒息的黄绿色气体。当时，大化学家拉瓦锡认为氧是酸性的起源，一切酸中都含有氧。舍勒及许多化学家都坚信拉瓦锡的观点，认为这种黄绿色的气体是一种化合物，是由氧和另外一种未知的基所组成的，所以舍勒称它为“氧化盐酸”。但英国化学家戴维却持有不同的观点，他想尽了一切办法也不能从氧化盐酸中把氧夺取出来，均告失败。他怀疑氧化盐酸中根本就没有氧存在。1810年，戴维以无可辩驳的事实证明了所谓的氧化盐酸不是一种化合物，而是一种化学元素的单质。他将这种元素命名为“Chlorine”。它的希腊文原意是“绿色”。中文译名为氯。
自然分布
自然界中游离状态的氯存在于大气层中，是破坏臭氧层的主要单质之一。氯气受紫外线分解成两个氯原子（自由基）。大多数通常以氯化物（Cl-）的形式存在，常见的主要是氯化钠（食盐，NaCl）。
单质Cl₂
氯单质由两个氯原子构成，化学式为Cl₂。气态氯单质俗称氯气，液态氯单质俗称液氯。
名称由来
英文名称chlorine来自于希腊文khlros（χλωρó'，淡绿色），中文取该气体为绿色之意造了“氯”字，日文与韩文则因为氯是盐的主要成分之一而称为“盐素”（日本汉字写作“塩素”）。
化合物
无机（括号内为化合价）：氯化物（-1）、次氯酸（+1）、次氯酸盐（+1）、亚氯酸（+3）、亚氯酸盐（+3）、氯酸（+5）、氯酸盐（+5）、高氯酸（+7）、高氯酸盐（+7）
同位素
氯元素有 Cl和 Cl两种稳定同位素。核外电子构型都为3S 3P 。相对原子质量分别为34.968 852和36.965 903。天然丰度分别为75.77%和24.23%。
氯离子检验
检验水中是否含有氯离子可以向其中加入硝酸酸化的银离子（如硝酸银）（加入酸性硝酸银可以排除其他离子干扰），银离子和氯离子反应会生成氯化银白色沉淀，反应式：
Ag +Cl →AgCl↓
处置与储存
1、操作注意事项
严加密闭，提供充分的局部排风和全面通风。操作人员必须经过专门培训，严格遵守操作规程。建议操作人员佩戴空气呼吸器，穿带面罩式胶布防毒衣，戴橡胶手套。远离火种、热源，工作场所严禁吸烟。远离易燃、可燃物。防止气体泄漏到工作场所空气中。避免与醇类接触。搬运时轻装轻卸，防止钢瓶及附件破损。配备相应品种和数量的消防器材及泄漏应急处理设备。
2、储存注意事项
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不超过30℃，相对湿度不超过80%。应与易燃物（可燃物）、醇类、食用化学品分开存放，切忌混储。储区应备有泄漏应急处理设备。应严格执行极毒物品“五双”管理制度。
物理性质
集气瓶中的氯气
氯气为黄绿色气体，密度比空气大（3.214g/L），熔点−101.0℃，沸点−34.4℃，有强烈的刺激性气味。
氯气分子由两个氯原子组成，微溶于水，易溶于碱液，易溶于四氯化碳、二硫化碳等有机溶剂。
氯有26种同位素，其中只有 Cl和 Cl是稳定的，其余同位素均具有放射性。
原子半径：100 pm
核外电子排布： [Ne]3s 3p
氯原子结构示意图
化合价： ±1, 3, 5, 7
晶体结构：斜方晶系
电负性： 3.16 （鲍林标度）
第一电离能： 1251.2 kJ/mol
营养功能
参与光合作用
在光合作用中，氯作为锰的辅助因子参与水的光解反应。水光解反应是光合作用最初的光化学反应，氯的作用位点在光系统II。研究工作表明，在缺氯条件下，植物细胞的增殖速度降低，叶面积减少，生长量明显下降（大约60%），但氯并不影响植物体中光合速率。由此可见，氯对水光解放O反应的影响不是直接作用，氯可能是锰的配合基，有助于稳定锰离子，使之处于较高的氧化状态。氯不仅为希尔反应放O所必需，它还能促进光合磷酸化作用。
调节气孔运动
氯对气孔的开张和关闭有调节作用。当某些植物叶片气孔开张时，K 流入是由有机酸阴离子（主要是苹果酸根）作为陪伴离子，这些离子在代谢过程中是靠消耗淀粉产生的；但是对某些淀粉含量不多的作物（如洋葱），当K 流入保卫细胞时，由于缺少苹果酸根则需由Cl 作为陪伴离子。缺氯时，洋葱的气孔就不能自如地开关，而导致水分过多地损失。由于氯在维持细胞膨压、调节气孔运动方面的明显作用，从而能增强植物的抗旱能力。
激活H+-泵ATP酶
以往人们了解较多的是原生质上的H -ATP酶，它受K 的激活。而在液泡膜上也存在有H -ATP酶。与原生质上的H -ATP酶不同，这种酶不受一价阳离子的影响，而专靠氯化物激活。该酶可以把原生质中的H 转运到液泡内，使液泡膜内外产生pH梯度（胞液，pH>7；液泡，pH<<6）。缺氯时，植物根的伸长严重受阻，这可能和氯的上述功能有关。因为缺氯时，影响活性溶质渗入液泡内，从而使根的伸长受到抑制（Hagerh和Helrnle，1981）。
抑制病害发生
施用含氯肥料对抑制病害的发生有明显作用。据报道，2013以前年至少有10种作物的15个品种，其叶、根病害可通过增施含氯肥料而明显减轻。例如冬小麦的全蚀病、条锈病，春小麦的叶锈病、枯斑病，大麦的根腐病，玉米的茎枯病，马铃薯的空心病、褐心病等。根据研究者的推论，氯能抑制土壤中铵态氮的硝化作用。当施入铵态氮肥时，氯使大多数铵态氮不能被转化，而迫使作物吸收更多的铵态氮；在作物吸收铵态氮肥的同时，根系释放出H 离子，使根际酸度增加。许多土壤微生物由于适宜在酸度较大的环境中大量繁衍，从而抑制了病菌的滋生，如小麦因施用含氯肥料而减轻了全蚀病病害的发生。还有一些研究者从Cl 和NO 存在吸收上的竞争性来解释。施含氯肥料可降低作物体内NO 的浓度，一般认为NO 含量低的作物很少发生严重的根腐病。
其他作用
在许多阴离子中，Cl 是生物化学性质最稳定的离子，它能与阳离子保持电荷平衡，维持细胞内的渗透压。植物体内氯的流动性很强，输送速度较快，能迅速进入细胞内，提高细胞的渗透压和膨压。渗透压的提高可增强细胞吸水，并提高植物细胞和组织束缚水分的能力。这就有利于促进植物从外界吸收更多的水分。在干旱条件下，也能减少植物丢失水分。提高膨压后可使叶片直立，延长功能期。作物缺氯时，叶片往往失去膨压而萎蔫。氯对细胞液缓冲体系也有一定的影响。氯在离子平衡方面的作用，可能有特殊的意义。
氯对酶活性也有影响。氯化物能激活利用谷氨酰胺为底物的天冬酰胺合成酶，促进天冬酰胺和谷氨酸的合成。氯在氮素代谢过程中有重要作用。
适量的氯有利于碳水化合物的合成和转化。
化学性质
氯原子的最外电子层有7个电子，在化学反应中容易结合一个电子，使最外电子层达到8个电子的稳定状态，因此氯气具有强氧化性，能与大多数金属和非金属发生化合反应。
氯气遇水歧化为盐酸和次氯酸，次氯酸不稳定易分解放出游离氧，所以氯气具有漂白性（比SO强且加热不恢复原色）。
氯气也能和很多有机物发生加成或取代反应，在生活中有广泛应用。
氯气具有较大的毒性，曾被用作军用毒气。
Cl-检验
检验水中是否含有氯离子可以向其中加入可溶的银离子（硝酸银）（加入酸性硝酸银可以排除其他离子干扰），银离子和氯离子反应会生成氯化银白色沉淀。再取白色沉淀，加入稀硝酸，沉淀不溶解，则说明含氯离子。
含氧酸
1. 次氯酸(HClO)及其盐
(1) 制备
①通氯气于冰水中：Cl₂ + H₂O = HClO + HCl
②通氯于碱液中可得次氯酸盐：Cl₂+ 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O
③工业上用电解冷浓食盐水并剧烈搅拌来制备NaClO
(2)性质
①是弱酸，但为很强的氧化剂，且具有漂白性
②受热易发生氧化还原反应　3ClO → ClO₃ + 2Cl
(3) 用途
制造漂白粉Ca(ClO)₂
漂白粉：Cl₂与Ca(OH)₂反应 2Cl₂ + 2Ca(OH)₂ = Ca(ClO)₂ +CaCl₂ +2H₂O
2. 亚氯酸(HClO₂)及其盐
亚氯酸是唯一的亚卤酸，非常不稳定。
(1) 制备
①ClO₂在水中分解：2ClO₂ + H₂O = HClO₂ + HClO₃
②通ClO₂于Na₂O₂或NaOH与H₂O₂可得亚氯酸盐 　2ClO₂ + Na₂O₂ =2NaClO₂ + O₂；2ClO₂ + H₂O₂ + OH =2ClO +O₂ + H₂O
(2) 性质与用途
①非常不稳定的化合物，但亚氯酸盐较稳定。
②具有漂白性
3.氯酸(HClO₃)及其盐
浓度高于40%则不稳定
(1) 制备
①次氯酸根水溶液加热，产生自身氧化还原反应（歧化反应）：3ClO → ClO₃ + 2Cl
②电解热氯化钠水溶液并加以搅拌：3Cl₂ + 6OH → ClO₃ + 5Cl + 3H₂O
(2) 性质及用途
①氯酸和氯酸盐皆为强氧化剂
②氯酸钾用于制造炸药
A.无催化剂，微热：4KClO₃ =3KClO₄ + KCl (约100℃)
B.催化剂(MnO₂)：2KClO₃ =2KCl + 3O₂↑ (约300℃)
4. 高氯酸(HClO₄)及其盐
(1) 制备
①低压蒸馏KClO₄与H₂SO₄的混合液：KClO₄ + H₂SO₄ = HClO₄ + KHSO₄
②电解食盐水时，阳极产生的氯气被氧化：1/2Cl₂ + 4H₂O =ClO₄ + 8H + 7e
③氯酸盐受热分解：4KClO₃ = 3KClO₄ + KCl
(2) 性质与用途
①氯最稳定的含氧酸，不易分解
②非常强的酸（高中范围内最强的酸，强于100%硫酸，但弱于氟锑酸等超强酸）
主要用途
工业
氯主要用于化学工业尤其是有机合成工业上，以生产塑料、合成橡胶、染料及其他化学制品或中间体，还用于漂白剂、消毒剂、合成药物等。氯气亦用作制造漂白粉、漂白纸浆和布匹、合成盐酸、制造氯化物、饮水消毒、合成塑料和农药等。提炼稀有金属等方面也需要许多氯气。
生理
氯是人体必需常量元素之一，是维持体液和电解质平衡中所必需的，也是胃液的一种必需成分。自然界中常以氯化物形式存在，最普通形式是食盐。氯在人体含量平均为1.17g/kg，总量约为82～100g，占体重的0.15%，广泛分布于全身。主要一氯离子形式与钠、钾化合存在。其中氯化钾主要在细胞内液，而氯化钠主要在细胞外液中。
膳食氯几乎完全来源于氯化钠，仅少量来自氯化钾。因此食盐及其加工食品酱油、腌制肉或烟熏食品、酱菜类以及咸味食品等都富含氯化物。一般天然食品中氯的含量差异较大；天然水中也几乎都含有氯。
主要生理功能：
1．维持体液酸碱平衡。
氯离子分析仪
2.氯离子与钠离子是细胞外液中维持渗透压的主要离子，二者约占总离子数的80%左右，调节与控制着细胞外液的容量和渗透压。
3．参与血液CO二价离子运输。
4．氯离子还参与胃液中胃酸形成，胃酸促进维生素B和铁的吸收；激活唾液淀粉酶分解淀粉，促进食物消化；刺激肝脏功能，促使肝中代谢废物排出；氯还有稳定神经细胞膜电位的作用等。
安全防护
氯气对眼、呼吸道粘膜有刺激作用，能引起流泪、咳嗽、咳少量痰、胸闷、气管炎和支气管炎、肺水肿等呼吸道症状，严重的会导致休克、死亡。一战时曾经被用作化学武器（窒息性毒剂）
氯气对环境有严重危害，对水体可造成污染。
同时，氯气可助燃，湿润的氯气具有强腐蚀性。
所以接触氯气时，需注意全身严格防护，严禁直接嗅闻、接触氯气，不得将含氯气的废气直接排放到大气中。
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