氯气

具有强烈刺激性气味的剧毒气体

氯气( 氯 ),是氯元素形成的一种单质, 化学式 为Cl 2 ,是一种有强烈刺激性的有毒黄绿色气体,有窒息性臭味,对呼吸器官有强烈的刺激性。其可溶于水和碱溶液,易溶于四氯化碳、二硫化碳等有机溶剂,难溶于饱和食盐水;是氯碱工业的主要产品之一,能与有机物和无机物进行取代反应和加成反应生成多种氯化物,也可用作为 强氧化剂 ,在空气中不燃烧,但能助燃,且能与大多数元素或化合物反应,在日光下与其他易燃气体混合时会发生燃烧或爆炸,也能与乙炔、 松节水 、乙醚、氨、 烃 、大多数塑料及某些金属粉末剧烈反应,发生爆炸生成爆炸性产物。

工业上,氯气由电解食盐水溶液制得,实验室中用盐酸和二氧化锰制备,可用于生成漂白粉和漂白液、用于自来水消毒,广泛应用于化工、电子、医药及农业等领域。

氯气被列入《危险化学品目录》,并按照《危险化学品安全管理条例》管控。 当氯气中混合的氢气体积分数超过5%时,遇到强光照射可能会引发爆炸而化合。低浓度时氯气仅作用于眼和 普通感冒 ,高浓度时还作用于下呼吸道,极高浓度时可刺激迷走神经,引起反射性心搏骤停。吸入少量氯气会使鼻、喉等黏膜受到刺激而发炎,引起胸部疼痛和咳嗽,吸入大量氯气会中毒致死;实验室内嗅闻氯气时,应用手轻轻在氯气瓶口扇动,只使极少量的氯气飘入鼻孔。

氯气是破坏 臭氧 的主要单质之一,氯原子在阳光下会与臭氧分子发生化学反应,破坏臭氧分子。 且氯气对植物也有一定的危害,氯气进入植物组织后,对叶肉 细胞 有很强的杀伤力,能很快破坏叶绿素,严重时使全叶漂白、枯卷,甚至脱落。

研究历史

1774年, 瑞典 杰出的化学家 卡尔·舍勒 发现了氯气。他研究 软锰矿 (主要成分是MnO 2 )时发现,如果把浓盐酸倒入盛有“这种黑色粉末”的烧瓶里并加热时,便会生成一种窒息的、使肺部极为难受的黄绿色气体。舍勒称这种气体为“无燃素的 盐酸 ”。氯虽被发现了,但当时不认为是新元素,这一时期许多科学家先后对这种气体的性质进行了研究,且氯气一直被当作一种化合物。

直到1810年,戴维经过大量实验研究确认这种气体是由一种化学元素组成的物质。他将这种元素命名为chlorine,这个名称来自希腊文,有"绿色的"意思。在中国,早年曾将该元素对应的气体译作“绿气”,之后改称为氯气。1823年,氯气第一次被英国科学家 迈克尔·法拉第 所液化。1836年,古萨格发明了一种焦化塔,用来吸收路布蓝法生产纯碱(Na₂CO₃)的过程中排出的氯化氢气体(以前这种含氯化氢的气体被认为是一种废气,从古萨格开始,才得到了充分利用)得到盐酸,从此盐酸才成为一种比较便宜的酸,可以广为利用。舍勒发明的生产氯气的方法,经过改进,到此时才成为大规模生产氯气的方法。

物化性质

物理性质

氯气,相对分子质量70.9, 熔点 101 ℃, 沸点 34.04 ℃,相对蒸气密度(空气为1)2.49, 亨利定律 常数 时为 0104.25 Pa· m 3 / 摩尔 (0 °C) ,外观呈黄绿色,是有强烈刺激性气味,比空气重,易液化,微溶于水,1体积水溶解2体积的氯气,易溶于 四氯化碳 、 二硫化碳 等有机 溶剂 。

化学性质

氯气有毒,有剧烈的刺激性,溶于水会生成 盐酸 和 次氯酸 。氯气的化学性质很活泼,是一种活泼的非金属 单质 ,和金属、非金属、 有机化合物 、碱等都可以发生反应。

与水反应

氯气能与水发生歧化反应生成盐酸和次氯酸,而次氯酸具有强氧化性,具有漂白性,同时也有消毒作用。

与金属反应

与 钠 的反应:钠在氯气里剧烈燃烧,产生大量的白烟,放热。

与金属铜的反应:

与非金属反应

与 氢气 反应:

与磷的反应:

与有机物反应

与 甲烷 反应:

与 乙烷 反应:

与 乙炔 反应:

与苯发生 取代反应 :

与碱反应

氯气与碱溶液反应,生成 次氯酸 盐 、金属 氯化物 和水,由于次氯酸盐比 次氯酸 稳定,容易保存,故工业上常用氯气和 氢氧化钙 作用制取 漂白粉 (也称 含氯石灰 ),其反应如下:

制备方法

舍勒法

此工艺由 瑞典 化学家 卡尔·舍勒 发明,将 二氧化锰 与浓 盐酸 反应制得氯气,但由于需要大量 盐酸 ,此法仅限于实验室制取氯气,其反应方程式如下:

贝托雷法

法国 化学家 贝托雷 把 氯化钠 、 软锰矿 和 浓硫酸 的 混合物 装入铅蒸馏器中,加热制得氯气,其反应方程式如下:

狄肯法

1868年,狄肯和 洪特 发明了以 氯化铜 为催化剂,加热时用空气中的 氧气 来氧化 氯化氢 气体制取氯气的方法,反应方程式如下:

电解法

电解 饱和食盐水 (氯碱工业)可制得氯气,其 化学方程式 是:

应用领域

自来水消毒

自来水消毒多采用氯气和 漂白粉 。液氯主要用于城市自来水的消毒; 次氯酸 是一种很强的 氧化剂 ,能杀死水中的细菌,所以常用氯气来消毒 饮用水 ;次氯酸还能使 染料 氧化成无色的化合物,使其褪色,所以氯气可以用作布匹和纸等的 漂白剂 ;工业上用氯气和 氢氧化钙 作用来制取漂白粉,漂白粉是带有与氯气相似刺激性气味的白色粉末,具有极强的氧化性,受光受热易分解,放人水中后也能分解产生少量的次氯酸,次氯酸再分解便放出 氧气 ,漂白粉比较稳定,容易保存。

化工领域

氯气是一种重要的 化工原料 ,除用于制作 氯 、 盐酸 及漂白消毒系列,还可制造一系列 无机化合物 氯产品(如无机 氯化物 氯化铝 、 氯化铵 、 氯化锌 等),也可制造 三氯甲烷 、 四氯化碳 等有机 溶剂 。次氯酸钠、液氯等用于纸浆及棉纤维、 化学纤维 的漂白,氯化纸浆的制造;还用于气体 冶炼 ,将一些元素的矿物制得氯化物,然后还原成产品,制造无机及有机氯化物等。

电子领域

高纯氯气可用于干法蚀刻、 集成电路 、光纤、 高温超导 等方面的应用。 高纯氯 用作半导体材料的气体刻蚀剂,特别是与 三氯化硼 一起时可用于铝的刻蚀。还可用于MCVD、VAD、PCVD等三种光导纤维制造中以及半导体生产中的 晶体生长 、热氧化学工艺中。

其他行业

氯气在医药上具有广泛的应用,可用于合成一些常参与含氯药物,如马来酸氨氯地平片、氯磺丙脲等; 氯气也可应用于冶金工业,生成金属钛、镁等; 还可用于合成农药,用于制造高效杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长刺激剂以及某些高效低毒的有机含氯农药,如速灭威、含氯菊酯等。

安全事宜

储存与运输

氯气应储放在低温、通风场所,防止日晒;与易燃气体、金属粉末、氨气钢瓶分开储存。装运时要捆扎牢固,防止滚动,搬运时轻拿轻放,切勿损坏钢瓶及 瓶阀 。

毒理学

空气中氯气最高允许浓度为2 mg/m 3 ,如空气中氯气浓度达200 mg/m 3 ,人暴露其中1分钟即可致死。

健康安全

氯气为黄绿色有强烈刺激性的气体,主要通过呼吸道侵入人体(尤其易溶解在上呼吸道黏膜所含的水分里),可溶于水,与水生成次氯酸和 盐酸 ,次氯酸再分解成盐酸和 氧气 ,对黏膜有刺激和氧化作用,导致黏膜充血、水肿和坏死。低浓度时仅作用于眼和上 呼吸道 ,高浓度时除以上外还作用于下呼吸道,可能引发肺水肿,导致循环功能困难甚至死亡;极高浓度时可刺激迷走神经,引起反射性心搏骤停。吸入少量氯气会使鼻、喉等黏膜受到刺激而发炎,引起胸部疼痛和咳嗽,吸入大量氯气会中毒致死;实验室内嗅闻氯气时,应用手轻轻在氯气瓶口扇动,只使极少量的氯气飘入鼻孔。

环境危害

氯气是破坏 臭氧 层的主要 单质 之一,氯气会分解臭氧分子,而氯 原子 在阳光下又会与臭氧分子发生化学反应,破坏臭氧分子。 氯气对植物也有一定的危害,氯气进入植物组织后,与水作用生成 次氯酸 ,它是 强氧化剂 ,有较大的破坏作用,对 叶肉 细胞 有很强的杀伤力,能很快破坏 叶绿素 ,使叶片产生褪色伤斑,严重时使全叶漂白、枯卷,甚至脱落。

泄漏现场氯气中毒预防措施

1.发生氯气泄漏后,要做好个体防护工作,如配戴防毒面具、 防毒口罩 、 氧气 呼吸器 ,穿防化衣,用湿毛巾或湿衣物捂住口鼻等。

2.做好个体防护的同时向上风向疏散,不要在低洼处滞留。

3.若吸入少量氯气,可用 碳酸氢钠 溶液 漱口 ,若吸入过多的氯气,立即送往医院治疗。

4.应急抢险人员做好个体防护的同时进行氯气捕消和堵漏,防止事故扩大,并且要两人以上同行,不得单独行动。

5.按照事故泄漏量的大小设置隔离区,防止无关人员进入导致中毒事故。

急救措施

皮肤接触:立即脱去污染的衣着,用大量流动清水冲洗,并迅速进行医务处理。

眼睛接触:提起眼睑,立即用流动清水或 生理盐水 冲洗至少15分钟,并迅速进行医务处理。

吸入:必须将人员移到空气清新处,若呼吸困难,给予吸氧,若停止呼吸,则人工呼吸。吸入后有症状者至少观察12h,对症处理。吸入量较多者应卧床休息,吸氧,给舒喘灵气雾剂、喘乐宁(Ventolin)或5%碳酸氢钠加地塞米松等雾化吸入。

参考资料

  1. Chlorine pubchem 2023-03-07
  2. 易制毒、易制爆、剧毒化学品名录 浙江化工大学 2024-03-16
  3. 2023-01-11
  4. 氯气泄漏应急措施 乌海市应急管理局 2023-01-10
  5. 关于氯气中毒的急救方法 文小秘 2023-01-10