Химия · Химия элементов · 8 класс

Хлор и соляная кислота

Что обеззараживает воду в бассейне и почему хлороводород бьёт «фонтаном»?

Ситуация

Летом вода в бассейне имеет особый «хлорный» запах, водопроводную воду тоже хлорируют. А в нашем желудке есть соляная кислота, помогающая переваривать пищу. Хлор — жёлто-зелёный ядовитый газ, хлороводород так хорошо растворяется в воде, что она «фонтаном» врывается в колбу. Как получают хлор, почему он убивает микробы и как мы узнаём, что в растворе есть хлорид-ионы?

Тема

Хлор, хлороводород и соляная кислота. Вода в бассейне и желудочный сок: газообразный хлор, «фонтан» хлороводорода и соляная кислота — белый осадок с нитратом серебра

Ключевые понятия

Получение хлора
Фонтан HCl
AgCl — качественная реакция

Формулы

MnO_{2} + 4 HCl \overset{}{\to} MnCl_{2} + Cl_{2} ↑ + 2 H_{2} O

Получение хлора в лаборатории (при нагревании). В промышленности — электролиз раствора поваренной соли: $2 NaCl + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 NaOH + H_{2} ↑ + Cl_{2} ↑$ .

Cl_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} HCl + HClO

Хлорная вода: хлорноватистая кислота HClO отбеливает и убивает микробы.

NaCl + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} NaHSO_{4} + HCl ↑

Получение хлороводорода в лаборатории (поваренная соль + концентрированная серная кислота).

H_{2} + Cl_{2} \overset{}{\to} 2 HCl

Промышленный синтез хлороводорода; газ поглощается водой, и получается соляная кислота.

Ag^{+} + Cl^{-} \overset{}{\to} AgCl ↓

Качественная реакция на хлорид-ион: белый творожистый осадок, не растворяющийся в азотной кислоте.

Теория

Хлор: получение и свойства (§ 23)

Хлор $Cl_{2}$ — жёлто-зелёный газ с резким запахом, ядовитый; примерно в 2,5 раза тяжелее воздуха ( $M$ = 71 г/моль, воздуха — 29; плотность при н. у. 3,2 г/л), при −34 °C сжижается. В воде растворяется немного: при 20 °C в 1 объёме воды ≈ 2,3 объёма (7,3 г/л) — хлорная вода. В лаборатории получают нагреванием концентрированной соляной кислоты с окислителем: $MnO_{2} + 4 HCl \overset{}{\to} MnCl_{2} + Cl_{2} + 2 H_{2} O$ (с KMnO₄ идёт и без нагревания). Газ очищают от HCl в промывалке с водой, от влаги — в концентрированной серной кислоте и собирают в сосуд отверстием вверх — тяжёлый газ опускается на дно и вытесняет воздух вверх. В промышленности хлор получают электролизом раствора поваренной соли: $2 NaCl + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 NaOH + H_{2} + Cl_{2}$ . Хлор — активный окислитель: с металлами образует хлориды ( $2 Fe + 3 Cl_{2} \overset{}{\to} 2 FeCl_{3}$ ), с водородом на свету соединяется со взрывом.

Хлорирование воды и отбеливание

Хлор частично реагирует с водой: $Cl_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} HCl + HClO$ . Хлорноватистая кислота HClO — сильный окислитель: обесцвечивает красители и убивает микробы. Поэтому сухой хлор сухую ткань не отбеливает — нужна влага. Питьевую воду и воду бассейнов хлорируют; в питьевой воде через 30 минут должно оставаться 0,3–0,5 мг/л свободного остаточного хлора (подробнее — в эксперименте «Очистка и умягчение воды»). Поглощая хлор щёлочью, получают отбеливающий раствор: $Cl_{2} + 2 NaOH \overset{}{\to} NaCl + NaClO + H_{2} O$ . Ядовитость хлора: 22 апреля 1915 года под Ипром его впервые применили как химическое оружие.

Хлороводород (§ 24)

Хлороводород HCl — бесцветный газ с резким запахом, «дымит» во влажном воздухе (кислотный туман), тяжелее воздуха ( $M$ = 36,5). В лаборатории получают действием концентрированной серной кислоты на поваренную соль: $NaCl + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} NaHSO_{4} + HCl$ (при сильном нагревании — $2 NaCl + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} Na_{2} SO_{4} + 2 HCl$ ). HCl очень хорошо растворяется в воде: при 0 °C в 100 г воды 82 г, то есть в 1 объёме воды ≈ 500 объёмов газа (при 20 °C ≈ 440 объёмов). Опыт «фонтан»: если в колбу, наполненную HCl, ввести несколько капель воды, газ в ней растворяется, и давление в колбе резко падает; внешнее атмосферное давление гонит воду из стакана по трубке в колбу фонтаном. Метилоранж краснеет — раствор кислый.

Соляная кислота (§ 27)

Соляная кислота — раствор хлороводорода в воде. Концентрированная ≈ 36–38 %, плотность ≈ 1,18–1,19 г/см³, дымит на воздухе. Сильная кислота, реагирует со многими веществами: металлами (стоящими до водорода): $Zn + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + H_{2}$ ; основными оксидами: $CuO + 2 HCl \overset{}{\to} CuCl_{2} + H_{2} O$ (раствор сине-зелёный); основаниями: $NaOH + HCl \overset{}{\to} NaCl + H_{2} O$ ; солями слабых кислот: $CaCO_{3} + 2 HCl \overset{}{\to} CaCl_{2} + H_{2} O + CO_{2}$ . С медью не реагирует. В промышленности хлороводород получают в печи синтеза ( $H_{2} + Cl_{2} \overset{}{\to} 2 HCl$ ) и поглощают водой. В желудке: клетки стенки желудка выделяют соляную кислоту ≈ 0,16 моль/л (≈ 0,5 %), pH желудочного сока 1–3; кислота активирует фермент пепсин и защищает от микробов.

Лабораторные работы 3 и 4: качественные реакции

Галогенид-ионы с нитратом серебра дают цветные осадки: $Ag^{+} + Cl^{-} \overset{}{\to} AgCl$ — белый творожистый, $AgBr$ — бледно-жёлтый, $AgI$ — жёлтый. Они не растворяются в азотной кислоте, а карбонат и фосфат серебра растворяются — поэтому раствор сначала подкисляют HNO₃: другие ионы не мешают. В растворе аммиака AgCl растворяется, AgBr частично, AgI — нет: произведения растворимости $K_{s}$ (AgCl) = 1,8·10⁻¹⁰, $K_{s}$ (AgBr) = 5,4·10⁻¹³, $K_{s}$ (AgI) = 8,5·10⁻¹⁷ (25 °C). Иод даёт с крахмалом тёмно-синий цвет. Хлориды в почвенном растворе: 10 г почвы взбалтывают с 50 мл дистиллированной воды, фильтруют, фильтрат подкисляют HNO₃ и добавляют AgNO₃: слабая белая муть — хлоридов мало, густой творожистый осадок — почва засолена. В Узбекистане около половины орошаемых земель засолены в разной степени, поэтому соли промывают. Неизвестные KCl, KBr, KI тоже можно различить с помощью AgNO₃ (практическая работа 1).

Безопасность и модель

Безопасность: с хлором и хлороводородом работайте только в вытяжном шкафу — они обжигают дыхательные пути; с концентрированными кислотами — защитные очки и перчатки; перед тем как погасить спиртовку, выньте газоотводную трубку из сосуда; нитрат серебра чернит кожу. Вещества на вкус не пробуйте. Модель: принято, что весь хлор собирается в сосуд (растворение в воде промывалки не учтено), MnO₂ реагирует полностью (на деле реакция останавливается, когда кислота разбавляется), скорости схематичны; объёмы газов приведены к н. у.; при собирании HCl газ в колбе считается равномерно перемешанным; фонтан: идеальный газ, 20 °C, HCl растворяется полностью, течение по трубке по закону Торричелли; содержание хлоридов в почвах условное.

Знаете ли вы?

Хлор получил в 1774 году шведский химик Карл Шееле, но не признал его элементом: и позже химики долго считали его кислородным соединением. В 1810 году Хамфри Дэви показал, что это элемент, и по цвету назвал его от греческого «chloros» — «бледно-зелёный».
ПВХ-комплекс «Навоиазота», запущенный в конце 2019 года, по проекту рассчитан на выпуск ≈ 100 тысяч тонн поливинилхлорида и ≈ 75 тысяч тонн едкого натра в год; едкий натр получается электролизом раствора поваренной соли — при этом образуется и хлор.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс