氯氣

氯氣是鹵族元素氯的單質形式，化學式為${\displaystyle {\ce {Cl2}}}$，原子序數為17。氯是鹵素中第二輕的元素，在元素周期表中位於氟和溴之間，其性質也大多處於氟和溴之間。

此條目頁的主題是氯氣（Cl₂）的性質。關於氯元素的性質，請見「氯」。

氯氣
英文名	chlorine dichlorine
識別
CAS號	7782-50-5  Y
PubChem	24526
SMILES	ClCl
性質
化學式	Cl2
摩爾質量	70.91 g·mol−1
外觀	淺黃色氣體
密度	3.2 g/L
熔點	−101 °C（172 K）
沸點	−34.6 °C（239 K）
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

歷史

瑞典化學家卡爾·威廉·舍勒（Carl Wilhelm Scheele）在1774年使用鹽酸與軟錳礦通過下述反應製得氯氣：

${\displaystyle {\rm {MnO_{2}+4\ HCl{\stackrel {\Delta }{\longrightarrow }}MnCl_{2}+2\ H_{2}O+Cl_{2}\uparrow }}}$ （此反應中鹽酸為濃鹽酸，二氧化錳和稀鹽酸不反應）

繼舍勒之後，貝托雷對氯氣進行了更加深入的研究。發現將氯氣通入水中會有鹽酸生成同時還伴隨着有能使帶火星木條復燃的氣體（氧氣）放出；鹽酸通過金屬會放出氫氣。

所以他認為氯氣中含有氧，但嘗試用當時已知的還原劑像金屬、木炭、磷等還原劑來還原氯卻沒能得到相應的氧化產物，這又強有力地說明氯氣中不含氧元素。後來戴維用白熱的木炭仍不能使氯氣分解，而且從鹽酸和金屬的反應中也不能得到氧化物，所以上面提到的氧氣應該是由水提供了氧元素，並且他認為應該將這種綠色的氣體視為一種新的元素，氯元素就這樣被發現了。

性質

物理性質

在常溫下，氯氣是一種黃綠色、刺激性氣味、有毒的氣體。壓力為1.01×10⁵Pa時，氯單質的沸點為−34.4℃，熔點為−101.5℃。氯氣可溶於水和鹼性溶液，易溶於二硫化碳和四氯化碳等有機溶劑，難溶於飽和氯化鈉溶液，飽和時1體積水溶解2體積氯氣。

氯氣溶於水，生成氫氯酸跟次氯酸，化學式如下：

${\displaystyle {\rm {Cl_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons HCl+HClO}}}$

此反應為可逆反應。

化學性質

氯氣的化學性質很活潑，它是一種活潑的非金屬單質。

氯原子的最外電子層有7個電子，在化學反應中容易結合一個電子，使最外電子層達到8個電子的穩定狀態，因此氯氣具有強氧化性。氯氣的強氧化性表現為以下幾個方面：

鐵和氯氣的反應

與金屬反應

氯氣可與鈉等活潑金屬直接化合。也能跟銅等不活潑金屬起反應。

${\displaystyle {\rm {2\ Na+Cl_{2}\rightarrow 2\ NaCl}}}$（生成白煙）

${\displaystyle {\rm {Cu+Cl_{2}{\stackrel {\Delta }{\longrightarrow }}CuCl_{2}}}}$（生成棕黃色的煙）

當氯氣和鐵系元素反應時，只有鐵能被氧化至+3價，其餘為+2價（FeCl₂不能由單質直接化合生成）：

${\displaystyle {\rm {2\ Fe+3\ Cl_{2}{\stackrel {\Delta }{\longrightarrow }}2\ FeCl_{3}}}}$（生成棕褐色的煙）

${\displaystyle {\rm {Co+Cl_{2}{\stackrel {\Delta }{\longrightarrow }}CoCl_{2}}}}$

${\displaystyle {\rm {Ni+Cl_{2}{\stackrel {\Delta }{\longrightarrow }}NiCl_{2}}}}$

與非金屬反應

氫氣可在氯氣中點燃並產生氯化氫。反應的化學方程式：

${\displaystyle {\rm {Cl_{2}+H_{2}\rightarrow 2\ HCl}}}$

值得一提的是反應條件對上述反應的現象有很大影響：

1. 如果氫氣與氯氣事先充分混合，在光照條件下發生爆炸；
2. 如果氫氣在氯氣中安靜地燃燒，現象為蒼白色火焰，同時伴有白霧（氯化氫溶解於空氣中的水形成的鹽酸小液滴）生成。

和有機物反應

氯可以和烷烴發生取代反應，如氯和甲烷在光照下反應，生成氯甲烷，隨着反應的進行，還會生成二氯甲烷、三氯甲烷，直至四氯化碳。^[1]

漂白性

濕潤的氯氣可用於紙漿和棉布的漂白，不同於SO₂的漂白性，氯氣的漂白性為不可還原且較為強烈，因此不宜以此作為絲綢的漂白劑。

之所以強調濕潤的是因為

${\displaystyle {\rm {Cl_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons HCl+HClO}}}$

${\displaystyle {\rm {HClO\rightleftharpoons HCl+[O]}}}$（生成的${\displaystyle {\rm {[O]}}}$是游離氧，正是這個游離氧，氧化了有機染料使之褪色）次氯酸的分解反應在光照或受熱時速度加快。

因此乾燥的氯氣並不具有這個性質。

其它反應

氯氣和四甲基氯化銨、氧化鉍在濃鹽酸中反應，可以得到[(CH₃)₄N]₃{[Bi₂Cl₉](Cl₂)}，這是一種穩定的化合物，在180 °C以上才會放出氯氣。^[2]

毒性

氯氣具有強烈的刺激性、窒息氣味，可以刺激人體呼吸道黏膜，輕則引起胸部灼熱、疼痛和咳嗽，嚴重者可導致死亡。^[3]

應用

自來水消毒

自來水過去常用氯氣消毒，1L水裏約通入0.002g氯氣，消毒原理是其與水反應生成了次氯酸，它的強氧化性能殺死水裏的病菌。因為次氯酸易分解難保存、成本高、毒性較大，用氯氣消毒可使水中次氯酸的溶解、分解、合成達到平衡，濃度適宜，水中殘餘毒性較少，所以不直接用次氯酸為自來水殺菌消毒。自來水現在提倡用二氧化氯消毒。二氧化氯消毒劑是國際上公認的高效消毒滅菌劑，它可以殺滅一切微生物，包括細菌繁殖體，細菌芽孢，真菌，分枝桿菌和病毒等，並且這些細菌不會產生抗藥性。二氧化氯對微生物細胞壁有較強的吸附穿透能力，可有效地氧化細胞內含巰基的酶，還可以快速地抑制微生物蛋白質的合成來破壞微生物。二氧化氯消毒劑被確認為是醫療衛生、食品加工中的消毒滅菌、食品（肉類、水產品、果蔬）的防腐、保鮮、環境、飲水和工業循環及污水處理等方面殺菌、清毒、除臭的理想藥劑，是國際上公認的氯系消毒劑最理想的更新換代產品。

醫藥工業

常用於製藥，常參與含氯基化合物的合成。如：馬來酸氨氯地平片；N-(2-甲基-2,3-二氫-1H-吲哚基)-3-氨磺酰基-4-氯-苯甲酰胺。

農藥工業

常用作生產高效殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、植物生長刺激劑的原料。

冶金工業

主要用於生產金屬鈦、鎂等。

化學武器

第二次伊珀爾戰役中曾被當作化學武器使用。

參考文獻

1. 王金龍. 甲烷與氯氣取代反應實驗光照條件的探究[J]. 化學教學, 2006(10):8-10.
2. Nikita A. Korobeynikov, Andrey N. Usoltsev, Boris A. Kolesov, Pavel A. Abramov, Pavel E. Plyusnin, Maxim N. Sokolov, Sergey A. Adonin. Dichlorine-containing chlorobismuthate( iii ) supramolecular hybrid: structure and experimental studies of stability. CrystEngComm. 2022, 24 (17): 3150–3152 [2022-05-14]. ISSN 1466-8033. doi:10.1039/D2CE00210H （英語）.
3. 氯氣（Chlorine Gas）之簡介. （原始內容存檔於2012-01-10） （中文（臺灣））.