科普中国-氯气
科普中国-氯气
氯气是一种重要的化学物质，在工业生产和日常生活中有着广泛的应用。本文将从氯气的基本性质、研究历史、化学反应等方面，全面介绍这一具有强烈刺激性气味的黄绿色气体。
氯气（chlorine）是氯元素形成的一种单质，化学式Cl2。常温常压下为黄绿色、有强烈刺激性气味的剧毒气体，具有窒息性，密度比空气大。可溶于水和碱溶液，易溶于有机溶剂，难溶于饱和食盐水6。易压缩，可液化为黄绿色的油状液氯。
氯气具有毒性，主要通过呼吸道侵入人体，可溶解在上呼吸道黏膜所含的水分里，会对黏膜造成损害。氯气中混合体积分数为5%以上的氢气时遇强光可能会有爆炸的危险。氯气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。主要用于生产塑料（如PVC）、合成纤维、染料、农药、消毒剂、漂白剂以及各种氯化物。
自然界中的氯多以Cl-离子的形式存在于矿物或海水中，也有少数氯以游离态存在于大气层中，不过此时的氯气受紫外线经常会分解成两个氯原子（自由基），氯气也是破坏臭氧层的主要单质之一。7
氯气被列入《危险化学品名录》17 ，并按照《危险化学品安全管理条例》管控。18
研究简史
氯气的发现
舍勒发现氯气是在1774年，当时他正在研究软锰矿（二氧化锰），当他将软锰矿与浓盐酸混合并加热时，产生了一种黄绿色并具有刺激性的气体，他发现这是一种新的气体。
舍勒制备出氯气以后，把它溶解在水里，发现这种水溶液对纸张、蔬菜和花都具有永久性的漂白作用；他还发现氯气能与金属或金属氧化物发生化学反应。自1774年舍勒发现氯气以后，许多科学家先后对这种气体的性质进行了研究，这一时期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。中国早年的译文将其译作“绿气”，后改为氯气。11
技术发展史
氯气的生产方法经历了漫长的发展过程。1774年，瑞典化学家舍勒用软锰矿（含有二氧化锰）和浓盐酸作用，首先制得了氯气，其反应方程式为：11
然而，由于当时还不能够大量制得盐酸，故这种方法只限于实验室内制取氯气。后来，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，经过加热制得了氯气，其反应方程式为：
因为此法原料易得，所以，自1774年舍勒制得氯气到1836年止，人们一直沿用贝托雷发明的方法来生产氯气。
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。
1868年，狄肯和洪特发明了用氯化铜作催化剂，在加热时，用空气中的氧气来氧化氯化氢气体制取氯气的方法，其反应方程式为：
这种方法被称为狄肯法（地康法）。
上面这些生产氯气的方法，虽然在历史上都起过一定的作用，但是它们与电解法生产氯气相比，无论从经济效益还是从生产规模上，都大为逊色．当电解法在生产上付诸实用时，上述生产氯气的方法就逐渐被淘汰了。
电解法的诞生要追溯到1833年。法拉第经过一系列的实验，发现当把电流作用在氯化钠的水溶液时，能够获得氯气，其反应方程式为：
后来，英国科学家瓦特也发现了这种方法，并在1851年获得了一份关于生产氯气的英国专利。但是由于当时没有实用的直流发电机以产生足够的电流，所以电解法也只能停留在实验室规模，不能付诸工业生产，而被束之高阁。一直到十九世纪七十至八十年代，出现了比较好的直流发电机，电解法才得到广泛的应用。从此，氯气的工业生产跨入了一个新纪元。然而当时电解制取氯气所使用的电极为汞，致使电解得到的氯气、氢气中混有相当多的汞蒸气。这种“汞法制氯”对环境危害很大，所以新的“离子交换膜法”制取氯气，更环保，更节能。（汞法制氯是制取氯气的主流方法，如2010年中国有46%的氯气，2000年西欧50.1%的氯气都为此法生产的）。1
理化性质
物理性质
1.性状：黄绿色、有刺激性气味的气体。
2.熔点（℃）：-101（101 kpa）
3.沸点（℃）：-34.0（101 kpa）
4.相对密度（水=1）：1.41（101 kpa, 20℃）7
5.相对蒸气密度（空气=1）：2.5
6.饱和蒸气压（kPa）：673（20℃）
7.临界温度（℃）：144
8.临界压力（MPa）：7.71
9.辛醇/水分配系数：0.853
10.溶解性：1体积水在常温下可溶解2体积氯气。6
物质结构
1.原子结构：氯原子最外层有7个电子，反应中易得到1个电子或共用一个电子对达到稳定结构（共价键）。
2.分子结构：氯分子为双原子分子，分子式为Cl2。7
3.摩尔折射率：11.74
4.摩尔体积（cm3/mol）：51.3
5.等张比容（90.2 K）：109.0
6.表面张力（dyne/cm）：20.4
7.极化率（10-24 cm3）：4.65
8.单一同位素质量：69.937705 Da
9.标称质量：70 Da
10.平均质量：70.906 Da3
化学性质
漂白性
氯气与水反应：Cl2 + H2O = HCl + HClO
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。7
助燃性
氯气支持燃烧，许多物质都可在氯气中燃烧（除少数物质如木炭等）。
与金属反应
1.与钠的反应：2Na + Cl2 = 2NaCl
现象：钠在氯气里剧烈燃烧，产生大量的白烟，放热。
2.与铜的反应：Cu + Cl2 = CuCl2
现象：红热的铜丝在氯气里剧烈燃烧，瓶里充满棕黄色的烟，加少量水后，溶液呈蓝绿色（绿色较明显），加足量水后，溶液完全显蓝色。
3.与铁的反应：2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
现象：铁丝在氯气里剧烈燃烧，瓶里充满棕红色烟，加少量水后，溶液呈黄色。
4.与镁的反应：Mg + Cl2 = MgCl2
现象：非常剧烈的燃烧，生成白色的烟。7
注：氯气具有强氧化性，加热下可以与多数金属反应，如金、铂在热氯气中燃烧，而与Fe、Cu等变价金属反应则生成高价金属氯化物。
常温下，干燥氯气或液氯不与铁反应，只能在加热情况下反应，所以可用钢瓶储存氯气（液氯）。
与非金属单质反应
1.与氢气的反应：
现象：光照条件下H2与Cl2迅速反应，瓶内气体变无色，并在瓶口处出现白雾。
现象：H2在Cl2中安静地燃烧，发出苍白色火焰，瓶口处出现白雾。
注：将点燃的氢气放入氯气中，氢气只在管口与少量的氯气接触，产生少量的热；点燃氢气与氯气的混合气体时，大量氢气与氯气接触，迅速化合放出大量热，使气体急剧膨胀而发生爆炸。工业上制盐酸使氯气在氢气中燃烧。氢气在氯气中爆炸极限是9.8%～52.8%。
2.与磷的反应：
现象：产生白色烟雾
3.与硫的反应：
注：在一定条件下，氯气还可与S、Si等非金属直接化合。
与无机化合物反应
1.与二氧化硫和水反应：
SO2 + Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl
2.与碱溶液反应：
Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O
2Cl2 + 2Ca(OH)2 = CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2H2O
注：上述两反应中，Cl2同时作氧化剂和还原剂，是歧化反应。
3.与盐溶液反应：
Cl2 + 2FeCl2 = 2FeCl3
Cl2 + Na2S = 2NaCl + S↓
Cl2 + 2I- = 2Cl- + I2↓
Cl2 + 2Br- = 2Cl- + Br2
注：中学阶段用来证明氯气非金属性和氧化性比硫强。
4.与二硫化碳反应：
CS2 + 3Cl2 → CCl4 + S2Cl2
注：反应条件为90℃到100℃。7
与有机化合物反应
1.与甲烷的反应：
现象：黄绿色气体消失，容器内壁出现液珠，容器内压强下降。氯气与甲烷反应时，四个反应同时进行。
2.与乙烯的反应：
CH2=CH2 + Cl2 → CH2ClCH2Cl（