氯及其化合物(一)

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氯气性质氯水体系歧化反应

氯及其化合物(一)

搞懂氯分子结构、氯水成分、歧化反应与氧化性边界

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氯气性质氯水体系歧化反应

氯及其化合物(一)

搞懂氯分子结构、氯水成分、歧化反应与氧化性边界

1第 1 页 · 氯及其化合物(一)

根据物质性质设计制取气体

上页我们认识了氯气的脾气——黄绿色、刺激、能溶于水。现在要解决一个实际问题:实验室想拿到一瓶氯气,该用什么装置?这不能凭空画图,必须从氯气本身的性质倒推。

核心思路
从目标气体的物理化学性质出发,反向设计每一个装置环节
四个环节
发生→净化→收集→尾气处理,前后衔接,缺一不可
性质对应装置
密度定收集方法;溶解性定能否排水;毒性定是否需尾气吸收
制Cl₂实例
MnO₂+浓盐酸加热发生,饱和食盐水除HCl,向上排空气收集,NaOH收尾气
按客人口味备菜对应 →按气体性质设计装置

客人想吃什么决定菜品,气体什么性质决定装置

2第 2 页 · 根据物质性质设计制取气体

利用沉淀反应进行离子检验

上两页我们学会用'性质'造物质——反过来,能不能根据'现象'读出溶液里藏着什么离子?沉淀反应是最直观的工具,颜色与溶解性就是每种离子的'化学指纹'。

沉淀的指纹
特定离子与特定试剂生成特征颜色与溶解性的沉淀,作为定性依据
排除干扰
酸化排除CO3²⁻等共沉淀离子,必要时先分离或掩蔽共存离子
试剂用量边界
过量确保沉淀完全,但试剂过量本身也可能成为新干扰源
典型实例
AgNO3+HNO3验Cl⁻;BaCl2+HCl验SO4²⁻;NaOH验Fe³⁺/Cu²⁺
指纹比对对应 →沉淀反应验离子

每个人指纹独特;每种离子对应独特沉淀颜色与溶解性

Ag++ClAgClBa2++SO42BaSO4\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}\downarrow \\ \text{Ba}^{2+} + \text{SO}_4^{2-} \rightarrow \text{BaSO}_4\downarrow
3第 3 页 · 利用沉淀反应进行离子检验

用电子得失和价态变化分析

上一页用沉淀抓住了离子,但有些反应看不到沉淀——比如氯水滴入碘化钾溶液变棕黄。变色的背后,是电子悄悄搬家了。

氧化还原本质
反应中有电子转移,表现为元素化合价发生变化
化合价升高 = 失电子
该元素被氧化,对应物质作还原剂——把电子让出去
化合价降低 = 得电子
该元素被还原,对应物质作氧化剂——把电子拿过来
实例:Cl₂ 氧化 I⁻
Cl₂ + 2I⁻ → 2Cl⁻ + I₂:Cl 由 0 降至 -1,I 由 -1 升至 0
一手交钱一手交货对应 →氧化剂与还原剂的角色

卖方失货即失电子、化合价升高,是还原剂;买方得货即得电子、化合价降低,是氧化剂——交易必须同时完成

Cl2+2I2Cl+I2(Cl: 01, I: 10)\text{Cl}_2 + 2\text{I}^- \rightarrow 2\text{Cl}^- + \text{I}_2 \quad (\text{Cl: } 0 \to -1,\ \text{I: } -1 \to 0)
4第 4 页 · 用电子得失和价态变化分析

使用数字化实验采集与分析

使用数字化实验采集与分析实验数据:定义、要点与典型应用

使用数字化实验采集与分析
使用数字化实验采集与分析实验数据:定义、要点与典型应用
5第 5 页 · 使用数字化实验采集与分析

氯气

前面按性质设计了制取方案,那氯气本身——单质 Cl₂——长什么样、有什么「脾气」、典型用途是什么?这一页把它摸透。

物理性质
黄绿色气体、刺激性气味,密度大于空气;沸点-34.6℃,稍加压即可液化
化学性质
强氧化性,能氧化多数金属(如Fe→FeCl₃)和非金属;与水、碱发生歧化反应
典型应用
自来水消毒、制漂白粉/次氯酸钠、制盐酸、生产PVC等含氯有机物
毒性与安全
低浓度消毒有效,高浓度损伤呼吸道;液氯钢瓶储存、避光干燥、尾气用NaOH吸收
84消毒液对应 →氯气的核心性质

84的有效成分次氯酸钠与氯水消毒原理相同——都靠强氧化性,只是84稀释过,氯气浓度更高、更难控

Cl2+H2OHCl+HClOCl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO
6第 6 页 · 氯气

氯元素成盐性

上页我们看到氯气是活泼的非金属,能与金属、氢气直接化合。本页关注它另一关键性质——成盐性,正是它能与碱反应生成盐和水,从而服务于漂白、消毒等工业与生活场景。

成盐性定义
氯气或含氯化合物与碱反应生成盐和水的化学性质
与NaOH反应
Cl₂+2NaOH→NaCl+NaClO+H₂O,生成氯化钠和次氯酸钠
与Ca(OH)₂反应
2Cl₂+2Ca(OH)₂→Ca(ClO)₂+CaCl₂+2H₂O,工业制漂白粉
歧化反应本质
氯从0价分别升至+1(ClO⁻)和降至-1(Cl⁻),一升一降
典型应用
漂白液、漂白粉、84消毒液均基于成盐反应制得
工厂分拣流水线对应 →氯气遇碱的歧化

Cl₂进入碱液后被拆成两队:一队得电子变Cl⁻(-1),一队失电子变ClO⁻(+1)

Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O2Cl2+2Ca(OH)2Ca(ClO)2+CaCl2+2H2OCl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O \\ 2Cl_2 + 2Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(ClO)_2 + CaCl_2 + 2H_2O
7第 7 页 · 氯元素成盐性

氯气的强氧化性

上页讲了氯气能成盐,根源在于它能把电子从别的原子手里抢过来。这种'抢电子'的能力到底有多强?这页要展开的,就是氯气的强氧化性。

氧化性本质
Cl₂ 是强氧化剂,每个 Cl 原子得 1 个电子,化合价由 0 降至 -1
与金属反应
与变价金属反应生成高价氯化物,如 Fe→FeCl₃、Cu→CuCl₂
与还原性微粒反应
可氧化 Fe²⁺→Fe³⁺、I⁻→I₂、S²⁻→S 等低价离子或单质
典型应用
制盐酸、自来水消毒、漂白,本质都依赖 Cl₂ 或 HClO 的强氧化性
饿汉扑向馒头对应 →Cl₂ 抢电子

见还原剂(Fe、Cu、H₂、Fe²⁺ 等)就抢,每个 Cl 抢 1 个电子(0→-1)

Cl2+2e2ClCl_2 + 2e^- \rightarrow 2Cl^-
8第 8 页 · 氯气的强氧化性

氯气与金属的反应

上节说氯气是强氧化剂——但'强'不是空话。最直接的检验:看它把金属氧化到几价。能直接把铁从 0 价怼到 +3 价,才是真强。

反应通式
金属 + Cl₂ → 金属氯化物;Cl 由 0 价降到 -1 价
钠剧烈燃烧
2Na + Cl₂ =点燃= 2NaCl,产生大量白烟,黄色火焰
铜的燃烧
Cu + Cl₂ =点燃= CuCl₂,棕黄色烟,加水得蓝绿色溶液
铁的特殊表现
2Fe + 3Cl₂ =点燃= 2FeCl₃,铁到 +3 价而非 +2 价
烈火 vs 文火对应 →Cl₂ vs 弱氧化剂

烈火(Cl₂)把铁烧到 +3 价,文火(稀盐酸等)只能让铁停在 +2 价

9第 9 页 · 氯气与金属的反应

氯气与非金属的反应

上一页讲了氯气和金属反应——金属失电子被氧化。非金属遇到氯气也一样:氢气光照下爆炸,磷被推到+5最高价,硅也得在高温下让步。

与氢气反应
H₂+Cl₂=2HCl,点燃或光照即可,光照下爆炸;工业制盐酸的核心
与磷反应
氯气少量生成PCl₃(P为+3);过量生成PCl₅(P为+5最高价)
与硅高温反应
Si+2Cl₂=SiCl₄,是工业提纯粗硅的关键步骤
反应共性
Cl由0→-1价(被还原),非金属被氧化;Cl₂氧化性强于O₂,能把非金属推到最高价
氧气 vs 氯气对应 →氯气氧化性更强

面对非金属,O₂温和——让对方交出部分电子;Cl₂强势——逼对方交出全部外层电子达最高价

2P+3Cl2Cl2不足2PCl3;2P+5Cl2Cl2过量2PCl52P+3Cl_2 \xrightarrow{Cl_2不足} 2PCl_3 \quad ; \quad 2P+5Cl_2 \xrightarrow{Cl_2过量} 2PCl_5
10第 10 页 · 氯气与非金属的反应

氢气在氯气中燃烧反应

前面看过 H₂ 在 O₂ 中燃烧——安静、火焰、产物是 H₂O。H₂ 也能在 Cl₂ 中燃烧,但「燃烧」二字在这里要重新理解。

反应与条件
H₂ + Cl₂ →(点燃或光照) 2HCl,放热剧烈
现象特征
火焰呈苍白色;瓶口出现白雾(HCl 遇水蒸气)
链式机理
光照下 Cl₂ 先均裂为 Cl·,引发自由基传递
氧化还原
Cl: 0→−1 得电子(氧化剂);H: 0→+1 失电子
多米诺骨牌一推全倒对应 →自由基链式反应

一个 Cl· 撞 Cl₂ 生成新 Cl·,像骨牌接力不熄

11第 11 页 · 氢气在氯气中燃烧反应

氯水

上一页讲到氯气能在氢气中燃烧,产物是纯净的HCl。可是把Cl₂溶进水里,情形却截然不同——不是简单的'溶解',而是一场悄无声息的多方博弈。

氯水≠Cl₂的水溶液
它是混合物,同时存在Cl₂、H₂O、HClO、HCl及少量ClO⁻等多种微粒
可逆反应与动态平衡
Cl₂+H₂O⇌HClO+HCl,反应不完全,正逆反应同时进行,浓度相对稳定
各组分功能不同
Cl₂、HClO提供氧化性和漂白性;HCl完全电离提供强酸性;HClO是弱酸仅部分电离
典型应用
漂白织物纸浆、自来水消毒;久置后HClO分解,漂白性消失但仍呈强酸性
双向人流通行的闸机口对应 →氯水中的可逆反应平衡

进闸(Cl₂与H₂O反应)与出闸(HClO与HCl反应回Cl₂+H₂O)双向同时,闸口人数恒定但人流动从未停止

Cl2+H2OHClO+HClCl_2 + H_2O \rightleftharpoons HClO + HCl
12第 12 页 · 氯水

氯气与水的反应

前面我们看到氯气能和金属、氢气剧烈反应,那把它通入水中呢?氯分子会把自己一拆为二——一部分价态升高,一部分降低。这就是氯气与水的反应,也是下一页氯水成分的化学起点。

歧化反应方程式
Cl₂+H₂O ⇌ HCl+HClO;氯从 0 价同时变为 +1(HClO)和 -1(HCl)
可逆反应
反应不能进行到底;溶液中 Cl₂、HClO、HCl 与 H⁺、Cl⁻ 等微粒共存,建立动态平衡
HClO:弱酸 + 强氧化剂
只部分电离,但氧化性强于 Cl₂ 本身;正是氯水漂白、杀菌消毒的活性来源
HClO 见光分解
2HClO →(光照) 2HCl+O₂↑;氯水须避光密封保存,久置将变成稀盐酸而失效
跷跷板中间的人对应 →氯的歧化反应

Cl₂ 一分为二:一半升至 +1(HClO),一半降至 -1(HCl),零价 Cl 既当氧化剂又当还原剂

Cl2+H2OHCl+HClOCl_2 + H_2O \rightleftharpoons HCl + HClO
13第 13 页 · 氯气与水的反应

本节要点

  • 氯的核心张力:强氧化性与歧化倾向并存于0价态
  • 氯水是含HClO的动态平衡体系,漂白性归HClO而非Cl₂
  • 制取气体从目标产物的性质倒推装置与收集方式
  • 价态升降分析是预测氯及非金属反应的通用钥匙
延伸主题:次氯酸盐与氯的含氧酸(+1/+3/+5/+7价)卤素家族(F/Br/I)的性质递变规律氯气的实验室制取与尾气吸收装置
14第 14 页 · 本节要点

课后思考

先自己想一想,再翻下方看参考答案。三题分别考察现象、机理与边界。

1为什么干燥的氯气没有漂白性,而氯水却有?

参考答案干燥氯气中只有Cl₂分子,本身不能漂白;氯水中Cl₂与H₂O反应生成HClO,HClO有强氧化性才是漂白的根源。

2氯气与铁反应,产物为什么不是FeCl₂而是FeCl₃?

参考答案氯气氧化性很强,可直接将Fe氧化到+3价;只有Cl₂不足时,才会停留在+2价的FeCl₂。氧化剂强弱直接决定产物的价态。

3氯气与水的反应是可逆的。若往氯水里加少量NaOH,平衡如何移动?哪种微粒最先被消耗?

参考答案Cl₂+H₂O⇌H⁺+Cl⁻+HClO。NaOH中和H⁺使平衡正向移动,H⁺最先被消耗;HClO也能与OH⁻继续反应,于是漂白性微粒一并消失。

15第 15 页 · 课后思考