Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Te, które tworzą sole - Chlor

Te, które tworzą sole - Chlor
Po fluorze pora na chlor. Drugi pierwiastek grupy 17 to również głowa rodziny, do której należą trzy blisko spokrewnione fluorowce: brom, jod i oczywiście on sam. Razem tworzą swoiste państwo w państwie, a łączą je bardzo zbliżone właściwości i charakter tworzonych związków.

Chlor ma zdecydowanie złą prasę. Obok ołowiu i rtęci jest od dawna na celowniku rozmaitych organizacji żądających ograniczenia lub wręcz zakazu jego stosowania. Gaz bojowy podczas I wojny światowej, ponurej sławy środek owadobójczy DDT, freony czy chlorowane tworzywa sztuczne - lista zarzutów jest długa. Nie powinniśmy się jednak kierować medialnymi sensacjami, lecz rzetelną wiedzą, a w przypadku chloru to przecież właśnie chemicy są najbardziej kompetentni.

Tlenek czy pierwiastek?

W 1774 r. szwedzki aptekarz i chemik Karl Scheele, działając stężonym kwasem solnym na minerał braunsztyn (dwutlenek manganu), odkrył zielonożółty gaz o duszącej woni:


Od chwili narodzin gaz ten stał się przedmiotem sporów w świecie ówczesnych chemików.
1. Ważni chemicy w historii chloru: z lewej - Karl Wilhelm Scheele (1742-1786), z prawej - sir Humphry Davy (1778-1829).

Antoine Lavoisier, twórca nowoczesnej chemii, uważał, że każdy kwas musi zawierać tlen, zatem i kwas solny również. Wobec tego otrzymany gaz jest tlenkiem jakiegoś niemetalu. Hipotetycznemu pierwiastkowi nadano nazwę Murium (z łac. murex = solanka). Jednak próby stwierdzenia obecności tlenu w chlorze nie dały rezultatu przez prawie czterdzieści następnych lat.

Dopiero odkrycie podobnego do chloru jodu, a następnie bromu nakierowało chemików na właściwy trop. Pierwiastkowego charakteru chloru dowiódł inny sławny chemik tamtych czasów - sir Humphry Davy (1). On też nadał mu stosowaną do dzisiaj nazwę, która pochodzi od greckiego słowa chloros, czyli zielonożółty (ten sam źródłosłów ma chlorofil, zielony barwnik roślinny) (2).

2. Po lewej - skroplony chlor, po prawej - gazowy chlor w ampułce.

W polskiej nomenklaturze chemicznej funkcjonowało przez pewien czas określenie soliród, co jest dosłownym tłumaczeniem pojęcia halogen, ale później przyjął się chlor. Chemicy w początkach XIX wieku musieli zatem pogodzić się z faktem istnienia dwóch rodzin kwasów - tlenowych i beztlenowych.

Wszechobecny

Ze względu na swoją reaktywność chlor nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym (pozostałe fluorowce również nie). Jedyna naturalna postać chloru to jony chlorkowe Cl-, zarówno jako składnik minerałów, jak i soli rozpuszczonych w wodzie. Najczęściej występującym minerałem chloru jest halit, czyli chlorek sodu NaCl, który w domu spotkasz w postaci soli kuchennej. Gospodarczo ważny jest również sylwin KCl, służący do produkcji nawozów potasowych.

Chlorki są zwykle dość dobrze rozpuszczalne w wodzie, nie powinna więc dziwić duża ich zawartość w morzach i oceanach (chlor to prawie 2% masy wszystkich wód wszechoceanu). Pokłady chlorków sodu, potasu i magnezu są skutkiem wysychania pradawnych mórz (złoża na Kujawach i w Wielkopolsce mają ok. 250 mln lat, a w Wieliczce kilkanaście mln lat) (3).

Zawartość komórek organizmów żywych jest odzwierciedleniem środowiska, w którym wyewoluowały, jony chlorkowe pełnią więc również ważne role biologiczne. Anion chlorkowy utrzymuje prawidłowe ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych i wpływa na działanie enzymów. Około 2% roztwór kwasu solnego w naszych żołądkach niszczy drobnoustroje dostające się wraz z pokarmem oraz umożliwia działanie peptydaz, enzymów trawiących białka.

3. Pięknie wykształcone kryształy halitu w Grotach Kryształowych w kopalni w Wieliczce (fot. WikiMedia/Rocker1984)

Zielonożółty agresor

Chlor jest bardzo aktywnym pierwiastkiem, niewiele pod tym względem ustępującym fluorowi. Energicznie reaguje z większością metali, choć czasem potrzebne jest wstępne ogrzanie reagentów. Wpływowi chloru ulegają także niemetale - np. siarka czy fosfor palą się w jego atmosferze. Reakcja z wodorem zachodzi wybuchowo w świetle słonecznym, lecz w ciemności mieszanina obu pierwiastków może być przechowywana bezpiecznie. Chlor reaguje także z węglowodorami, a ich chlorowe pochodne są ważnymi substratami do dalszych syntez.

Chlor rozpuszcza się w wodzie, a otrzymany roztwór - woda chlorowa - stosuje się jako utleniacz, środek dezynfekujący i odczynnik chemiczny. Oprócz chlorków zawierających anion Cl- i związków niejonowych, w których chlor ma wartościowość I, istnieją również tlenowe kwasy chloru i ich sole, w których przybiera on nieparzyste wartościowości od I aż do VII (maksymalna dla grupy 17).

Chlor ma wiele zastosowań w przemyśle chemicznym, zatem produkowany jest w dużych ilościach (ok. 65 mln ton w roku 2016). Podstawową metodę stanowi elektroliza roztworu NaCl. W jej wyniku otrzymuje się aż trzy ważne produkty: chlor, wodór oraz wodorotlenek sodu. Elektroliza stopionego NaCl daje natomiast chlor oraz sód, na który również jest popyt. Najważniejszy przemysłowy związek chloru - chlorowodór - ma także wiele zastosowań, czy to w postaci gazowej, czy też roztworu (kwas solny).

Wytwarzany jest w wyniku spalania wodoru w chlorze lub też jako produkt uboczny reakcji z udziałem chloru. Chemiczne metody wytwarzania chloru podobne są do sposobu otrzymania go przez odkrywcę i polegają na utlenieniu chlorowodoru. Stosuje się je w laboratoriach chemicznych, a w przemyśle za ich pomocą zwykle utylizuje się nadmiar HCl.

Cl–, czy to ty?

Podstawową próbą analityczną pozwalającą wykryć anion chlorkowy jest tworzenie osadu z roztworem azotanu(V) srebra AgNO3. Pamiętaj o użyciu wody destylowanej (inaczej wykryjesz jon chlorkowy w wodzie z kranu) i zabezpieczeniu otoczenia oraz skóry rąk.

Próby wykonuj na tacy i w ochronnych rękawiczkach, a unikniesz ciemnych plam, które z dłoni zejdą po kilku dniach, ale z odzieży już nie.

Do roztworu zawierającego rozpuszczalny w wodzie chlorek, np. NaCl, dodaj roztwór AgNO3. Od razu wytrąci się biały, serowaty osad AgCl. Zlej ciecz znad osadu i podziel go na dwie części. Jedną pozostaw na świetle, do drugiej dodaj rozcieńczony roztwór amoniaku NH3aq, zamieszaj, a po rozpuszczeniu osadu – wlej roztwór kwasu azotowego(V) HNO3.

Ponieważ wiele soli srebra jest trudno rozpuszczalnych i ma białą barwę, nie wystarczy samo powstawanie osadu o takim właśnie kolorze. Ciemnienie osadu na świetle (tak zachowała się pierwsza porcja) spowodowane jest jego rozkładem z wydzieleniem wolnego metalu w postaci bardzo rozdrobnionej.

Podobnie zachowują się osady tworzone przez bromki i jodki, mają one jednak żółtawe zabarwienia. Osad rozpuszcza się w roztworze amoniaku (to odróżnia go od AgBr i AgI) i ponownie ulega wytrąceniu pod wpływem dodatku mocnego kwasu (pozostawiony na świetle oczywiście wkrótce ściemnieje). Dopiero tak przeprowadzona próba upoważni cię do stwierdzenia obecności jonów chlorkowych w badanym roztworze (4).

4. Osad AgCl. Z lewej - świeżo wytrącony; w środku - po kilku minutach na świetle; po prawej - powiększony widok rozłożonego osadu.

Inny sposób wykrycia jonów chlorkowych polega na reakcji stężonego roztworu kwasu siarkowego(VI) H2SO4 z chlorkami w postaci stałej. Do próbówki wsyp nieco NaCl, a następnie wlej kilka kropel stężonego roztworu H2SO4:


Wydzielający się chlorowodór (czasem trzeba podgrzać próbówkę, aby HCl zaczął się ulatniać) możesz wykryć po zapachu, ale zdecydowanie nie polecam takiego postępowania.

Jeśli już koniecznie "musisz" w ten sposób stwierdzić obecność chlorowodoru, nie nachylaj się nad probówką i nie zaczerpuj powietrza "pełną piersią", lecz wachlującym ruchem dłoni nakieruj wydzielający się gaz w swoją stronę i pozwól woni samej dotrzeć do nosa (takie postępowanie charakteryzuje doświadczonego chemika, który już przekonał się, czym grozi niewłaściwe wąchanie chemikaliów).

5. Wykrywanie chlorowodoru: z lewej - przy pomocy papierka uniwersalnego (czerwienieje), z prawej - przy pomocy roztworu amoniaku (białe dymy chlorku amonu).

Zamiast nosa lepiej u wylotu probówki umieść zwilżony wodą papierek wskaźnikowy (stanie się czerwony pod wpływem HCl) lub bagietkę szklaną, której koniec uprzednio zanurzyłeś w stężonym roztworze amoniaku. Pojawiające się białe dymy chlorku amonu NH4Cl pozwolą stwierdzić obecność HCl w otoczeniu, a równocześnie jonów chlorkowych w badanej próbce (5):

Jeszcze inny sposób polega na utlenieniu chlorków do wolnego chloru i wykryciu cząsteczek Cl2. Tym razem do badanego roztworu w probówce lub soli w postaci stałej dodaj roztwór nadmanganianu potasu KMnO4 i zakwaś środowisko reakcji przy pomocy rozcieńczonego roztworu kwasu siarkowego(VI) H2SO4. Zaobserwujesz odbarwienie ciemnofioletowego roztworu (to jeszcze nie dowód obecności chlorków - zakwaszony roztwór KMnO4 odbarwi się w obecności wielu substancji o charakterze redukującym) i wydzielanie gazu o charakterystycznej woni (czasem trzeba podgrzać probówkę):

Obecność chloru możesz stwierdzić powonieniem (nadal obowiązują zalecenia z poprzedniej próby). Zapach z pewnością wyda ci się znajomy - tak pachną płyny dezynfekcyjne, wybielacze czy też powietrze na pływalni. Zamiast nosa warto jednak wykorzystać utleniające właściwości Cl2. Nad probówką umieść zwilżony wodą (koniecznie!) papierek lakmusowy. Odbarwienie papierka świadczy o wydzielaniu wolnego chloru z naczynia reakcyjnego.

I jeszcze jeden sposób wykrycia chloru, który wymaga sporządzenia własnego papierka. Potrzebny będzie jodek potasu KI i skrobia, czyli zwykła mąka ziemniaczana. Łyżeczkę mąki rozmieszaj w niewielkiej ilości zimnej wody i wlej do ok. 0,5 dm3 wrzątku. Wodę ze skrobią gotuj, aż roztwór stanie się przezroczysty, a potem odstaw garnek do ostygnięcia. Pobierz kilkanaście cm3 roztworu skrobi i rozpuść w nim szczyptę jodku potasu. Do tak otrzymanego roztworu zanurz paski bibuły filtracyjnej i wysusz je.

Twoje papierki jodoskrobiowe są gotowe do użycia, przechowuj je w szczelnie zamkniętym pudełku. Gdy umieścisz zwilżony wodą papierek nad probówką, z której wydziela się chlor, zauważysz ściemnienie bibuły. To zielonożółty gaz, jako silniejszy niż jod utleniacz, wyparł ten ostatni z jego soli:


Wolny jod od razu utworzył granatowe połączenie ze skrobią (6). Podobny efekt da również gazowy ozon, ale nie powstaje on w przeprowadzonej reakcji. To tyle, jeśli chodzi o wykrywanie jonu chlorowego.
6. Wykrywanie wolnego chloru: z lewej - przy pomocy papierka lakmusowego (odbarwia się), z prawej - papierka jodoskrobiowego (niebieszczeje).
Astat i tennessine - jakie są?

Wykonanie wykresu na podstawie podanych w poprzednim odcinku temperatur topnienia i wrzenia ułatwi ich oszacowanie dla astatu i tennessine. Dla czterech pierwszych fluorowców punkty pomiarowe układają się prawie na liniach prostych. Przedłużenie linii pozwoli stwierdzić, że astat topi się w temperaturze ok. 220°C, a wrze w pobliżu 320°C. Dla najcięższego fluorowca będzie to odpowiednio 330 i 430°C. W podręcznikach
znajdziesz dane dla astatu: temperatura wrzenia prawie się zgadza, natomiast według ich autorów astat topi się w temperaturze ok. 300°C (widocznie dedukowali w inny sposób). Nie zrażaj się różnicami - szacowanie własności fizycznych nie jest proste.

Krzysztof Orliński