Chlor

Chlor in der Chemie

Chlor ist das chemische Element mit dem Symbol $\ce{Cl}$. Es ist ein sehr reaktionsfreudiges, stechend riechendes und sehr giftiges Gas. Früher wurde es sogar als Giftgas eingesetzt! Im Ersten Weltkrieg starben deswegen viele Soldaten an einer Chlorvergiftung. Trotz seiner Giftigkeit treffen wir im Alltag ständig auf Chlor. So wird beispielsweise Trinkwasser und Schwimmbadwasser durch Chlorung desinfiziert. Übrigens: Unser Kochsalz ist eine Chlorverbindung und es dient sogar der Herstellung von Chlor.

Chlorgas hat eine grünlich-gelbe Farbe, bei flüssigem Chlor geht die Farbe noch mehr ins Grüne.

Chlor – Steckbrief

Chlor ist das Element mit der Ordnungszahl $17$ und ist im Periodensystem der Elemente in der $\text{VII.}$ Hauptgruppe zu finden. Es gehört damit zu den Halogenen. Einige Eigenschaften von Chlor haben wir in einem kurzen Steckbrief zusammengefasst:

Chlor – Eigenschaften

Chlor liegt im Chlorgas nicht atomar vor, sondern als zweiatomiges Molekül $\left( \ce{Cl2} \right)$. Als solches kann es auch mit der folgenden Strukturformel dargestellt werden:

${\vert{\overline{\underline{\ce{Cl}}}}}-{{\overline{\underline{\ce{Cl}}}} \vert}$

Da einzelne Chloratome sieben Außenelektronen haben $\left( {\vert{\overline{\underline{\ce{Cl}}}\,\color{red}{\cdot}}} \right)$, verfügen sie über ein ungepaartes Elektron und sind damit Radikale. Als solche reagieren sie sofort unter Ausbildung einer Elektronenpaarbindung zum $\ce{Cl2}$-Molekül:

${\vert{\overline{\underline{\ce{Cl}}}\,\color{red}{\cdot}}} + {{{\color{red}\cdot}\,\overline{\underline{\ce{Cl}}}} \vert} \longrightarrow {\vert{\overline{\underline{\ce{Cl}}}}}{\color{red}-}{{\overline{\underline{\ce{Cl}}}} \vert}$

Die Elektronenpaarbindung der Chloratome kann unter bestimmten Bedingungen relativ leicht getrennt werden, wodurch wieder Chlorradikale entstehen. Deshalb ist Chlor ein sehr reaktives Element, das mit vielen anderen Stoffen chemische Reaktionen eingeht.

Weitere Eigenschaften von Chlor sind:

• Der Name Chlor leitet sich von dem griechischen Wort chlōrós ab, was soviel wie hellgrün oder gelbgrün bedeutet – das ist die typische Farbe von Chlorgas.
• Wie alle Halogene bildet Chlor Salze, indem es sich mit Metallen verbindet. Halogen heißt nichts anderes als Salzbildner.
• In der Natur kommt Chlor hauptsächlich in Form von Chloriden, also Chlorsalzen, vor. Das bekannteste Chlorsalz ist sicherlich Kochsalz, das ist Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$.
• Elementares Chlor lässt sich relativ leicht verflüssigen und bildet bei sehr tiefen Temperaturen gelbe Kristalle.
• Chor ist nach Fluor und Sauerstoff das Element mit der drittgrößten Elektronegativität (mit einem Wert von $3{,}16$ nach Pauling).
• Chlor tritt in Verbindungen meist mit der Oxidationszahl $\text{-I}$ auf, kann aber (v. a. in Verbindung mit Sauerstoff) auch positive Oxidationszahlen bis $\text{+VII}$ annehmen.
• In Wasser gelöstes Chlor wirkt in geringen Konzentrationen desinfizierend. Chlorgas ist hingegen sehr giftig.
• Mit Wasserstoff reagiert Chlor zu Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$, was unter Normalbedingungen ebenfalls ein Gas ist. In Wasser gelösten Chlorwasserstoff nennt man Salzsäure.
• Mit Wasserstoff und Sauerstoff kann Chlor verschiedene Säuren bilden, z. B. Chlorsäure $\left( \ce{HClO3} \right)$ oder Perchlorsäure $\left( \ce{HClO4} \right)$.

Isotope von Chlor

Bei Chloratomen gibt es, wie bei allen Elementen, verschiedene Isotope – also Atome mit gleicher Protonenzahl ($17$ im Fall von Chlor), aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Das häufigste in der Natur vorkommende Chlor-Isotop ist $\ce{^{35}Cl}$, also das Chloratom mit $18$ Neutronen ($35$ Nukleonen $-$ $17$ Protonen $=$ $18$ Neutronen). Das zweithäufigste Chlor-Isotop ist $\ce{^{37}Cl}$, welches ebenfalls stabil ist. Daneben tritt noch das instabile $\ce{^{36}Cl}$-Isotop in Spuren in der Atmosphäre auf.

Chlorvergiftung

Chlor ist in seiner elementaren Form hochgiftig. Da es so reaktiv ist, zerstört es Mikroorganismen (z. B. Bakterien), greift aber auch tierisches und pflanzliches Gewebe an.
Das Einatmen von Chlor kann schon bei relativ geringen Konzentrationen in der Atemluft $\left( 0{,}5-1\,\% \right)$ tödlich sein.
Das heißt aber nicht, dass Chlor in jeder Form giftig ist. Das Chlorid-Ion $\left( \ce{Cl-} \right)$, wie es beispielsweise im Kochsalz $\left( \ce{NaCl} \right)$ vorkommt, ist für uns überlebenswichtig. Es übernimmt viele wichtige Funktionen in unseren Zellen. Und in Form von Salzsäure $\left( \ce{HCl}_{\text{(aq)}} \right)$ ist es ein wichtiger Bestandteil unserer Magensäure.

Und was ist mit dem Chlor im Wasser von Schwimmbädern? Bei der sogenannten Chlorung wird das Wasser mit Chlor $\left( \ce{Cl2} \right)$ oder Chlorverbindungen wie Chlordioxid $\left( \ce{ClO2} \right)$ oder Natriumhypochlorit $\left( \ce{NaClO} \right)$ in geringen Konzentrationen versetzt. Das im Wasser gelöste Chlor reagiert dann zu Hypochloriger Säure $\left( \ce{HClO}_{\text{(aq)}} \right)$ und Salzsäure $\left( \ce{HCl}_{\text{(aq)}} \right)$:

$\ce{Cl2 + H2O -> HClO + HCl}$

In einer weiteren Reaktion entsteht dann das Hypochlorit-Ion $\left( \ce{ClO^-} \right)$, das für die desinfizierende Wirkung verantwortlich ist:

$\ce{HClO + H2O -> ClO^- + H3O^+}$

Dabei gibt es festgelegte Grenzwerte, die streng überwacht werden. Es kommt also auf die Konzentration an. So können Chlor und Chlorverbindungen einerseits in scharfen Desinfektions- oder Bleichmitteln eingesetzt werden, andererseits kann damit auch Trinkwasser aufbereitet, also von Keimen befreit werden.

Übrigens entsteht der Chlorgeruch erst, wenn Chlor mit verschiedenen Stoffen auf der Haut von Badegästen zu Chloraminen reagiert. Diese Chloramine sind auch für die Rötung der Augen verantwortlich, die du nach einigen Tauchgängen bekommen kannst.

Chlor im Periodensystem

Chlor ist das Element mit der Ordnungszahl $17$. Es steht im Periodensystem der Elemente in der $\text{VII.}$ Hauptgruppe (der Gruppe der Halogene) und in der 3. Periode (unter Fluor). Es zählt zu den Nichtmetallen. Als Element der $\text{VII.}$ Hauptgruppe hat Chlor sieben Valenzelektronen, darunter ein ungepaartes Elektron. Ein einzelnes Chloratom ist damit ein Radikal. Das sieht in der Lewis‑Schreibweise so aus:

${\vert{\overline{\underline{\ce{Cl}}}\,\color{red}{\cdot}}}$

In chemischen Reaktionen mit anderen Elementen nimmt das Chloratom meist ein Elektron auf. In Verbindungen mit elektronegativeren Elementen (Fluor oder Sauerstoff) gibt es hingegen bis zu sieben Elektronen ab. Chlor kann in Verbindungen mit den Oxidationszahlen $\text{-I}$, $\text{+I}$, $\text{+III}$, $\text{+IV}$, $\text{+V}$, $\text{+VI}$ und $\text{+VII}$ auftreten. In den meisten seiner Verbindungen tritt Chlor aber in der Oxidationszahl $\text{-I}$ auf.

Vorkommen von Chlor

Chlor kommt auf der Erde meist in Form des Chlorid-Ions $\left( \ce{Cl-} \right)$ in Chlorid-Salzen vor. Am bekanntesten ist das Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$, das du sicher als Kochsalz kennst. Es kommt in Form von Steinsalz in der Erdkruste und als Meersalz in den Ozeanen vor. Daneben gibt es noch weitere Vorkommen von Chlor:

• Es gibt viele Minerale, die Chlorid-Salze enthalten. Das Mineral Halit ist reines Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$, Sylvin ist reines Kaliumchlorid $\left( \ce{KCl} \right)$. Aber auch Chloride mit anderen Metallen (und Mischungen davon) kommen in der Natur vor.
• Elementares Chlorgas ist in geringen Mengen in der Erdatmosphäre vorhanden. Es wird mitunter von Vulkanen ausgestoßen – aber auch von Menschen hergestelltes Chlor oder Chlorverbindungen finden den Weg in die Atmosphäre. Chlor und Chlorradikale in der Ozonschicht haben wesentlich zur Bildung des Ozonlochs beigetragen.
• Einige Meereslebewesen wie Seetang, Schwämme oder Korallen nehmen Meersalz auf und wandeln das Chlorid in verschiedene chlororganische Verbindungen um, also Verbindungen, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Chlor enthalten.
• Chlorid-Ionen spielen auch im menschlichen Körper eine lebenswichtige Rolle. Sie sind beispielsweise zur Regelung des Wasserhaushalts und zum Ausgleich elektrischer Ladungen in Zellen unerlässlich. In unserer Magensäure kommt Chlor in Form von Salzsäure, also gelöstem Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$, vor.
• Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$ ist die wichtigste Chlorverbindung. Als Salzsäure, also in wässriger Lösung, hat der Stoff eine immense Bedeutung für viele technische Anwendungen – auch zur Herstellung vieler weiterer Stoffe in der chemischen Industrie.

Reaktionen mit Chlor

Chlor ist ein sehr reaktionsfreudiges chemisches Element. Einige besonders wichtige Arten von Reaktionen sehen wir uns im Folgenden genauer an.

• Reaktionen mit Metallen:
  Chlor reagiert mit allen Metallen. Dabei werden Salze gebildet, die Metallchloride. Sogar das Edelmetall Gold $\left( \ce{Au} \right)$ reagiert mit Chlor. Dabei entsteht Gold(III)-chlorid $\left( \ce{AuCl3} \right)$:
  $\ce{2 Au + 3 Cl2 -> 2 AuCl3}$
• Reaktionen mit Nichtmetallen:
  Chlor reagiert mit den meisten Nichtmetallen. Auch hier stellt es meist den elektronegativeren Reaktionspartner dar. Eine typische Reaktion ist diejenige mit Phosphor $\left( \ce{P} \right)$, bei der Phosphortrichlorid $\left( \ce{PCl3} \right)$ entsteht:
  $\ce{2 P + 3 Cl2 -> 2 PCl3}$
• Reaktionen mit organischen Verbindungen:
  Chlor kann auch mit organischen Verbindungen reagieren, also mit Kohlenwasserstoffen und deren Derivaten. Aus Chlor und Methan $\left( \ce{CH4} \right)$ bildet sich beispielsweise Monochlormethan $\left( \ce{CH3Cl} \right)$, das auch Methylchlorid genannt wird:
  $\ce{CH4 + Cl2 -> CH3Cl + HCl}$
  Bei dieser Reaktion wird außerdem Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$ freigesetzt.

Chlor kommt also in einer ganzen Reihe von Verbindungen vor. Diese lassen sich in folgende Gruppen einteilen:

• Halogenkohlenwasserstoffe: Das sind organische Chlorverbindungen, die sich hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und einem Halogen – in diesem Fall Chlor – zusammensetzen. Typische Vertreter sind Chloralkane und Chloralkene. Solche Verbindungen können künstlich synthetisiert werden, aber auch biogen entstehen, also von Lebewesen produziert werden. Das einfachste Beispiel ist Methylchlorid $\left( \ce{CH3Cl} \right)$.
• Chlorwasserstoff: Es handelt sich streng genommen nur um eine einzige chemische Verbindung aus Chlor und Wasserstoff. Diese ist allerdings sehr wichtig und kommt häufig in der Chemie zum Einsatz. Vor allem in wässriger Lösung, also sogenannte Salzsäure $\left( \ce{HCl}_{\text{(aq)}} \right)$, ist Chlorwasserstoff von immenser Bedeutung.
• Halogenide: Damit sind üblicherweise Salze gemeint, die sich aus einem Metall und einem Halogen – in diesem Fall Chlor – zusammensetzen. Das bekannteste Beispiel ist Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$. Aber auch Chlorverbindungen mit Nichtmetallen werden oft als Chloride bezeichnet, wie das bereits angesprochene Phosphortrichlorid $\left( \ce{PCl3} \right)$. Streng genommen liegt hier das Chloratom jedoch nicht als Chlorid-Ion $\left( \ce{Cl-} \right)$ vor, denn Nichtmetalle verbinden sich untereinander nicht ionisch, sondern kovalent.
• Chloroxide: Diese stellen eine besondere Gruppe der Chlorverbindungen mit anderen Nichtmetallen dar. Denn Sauerstoff ist verglichen mit Chlor das elektronegativere Element, deshalb nimmt hier das Chlor nicht die Oxidationsstufe $\text{-I}$ an, sondern kann mehrere verschiedene positive Oxidationsstufen annehmen. So gibt es beispielsweise Dichloroxid $\left( \ce{Cl2O} \right)$ und Chlordioxid $\left( \ce{ClO2} \right)$. In ersterem hat Chlor die Oxidationsstufe $\text{+I}$, in zweiterem die Oxidationsstufe $\text{+IV}$. Sauerstoff hat dabei stets die Oxidationsstufe $\text{-II}$.
• Chlorsauerstoffsäuren: Das sind Verbindungen aus Wasserstoff, Chlor und Sauerstoff, die Eigenschaften einer Säure haben, ähnlich wie die zuvor genannte Salzsäure. Da hier allerdings Sauerstoff beteiligt ist, nimmt Chlor wieder positive Oxidationsstufen an. Es gibt Chlorsäure $\left( \ce{HClO3} \right)$, Perchlorsäure $\left( \ce{HClO4} \right)$, Chlorige Säure $\left( \ce{HClO2} \right)$ und Hypochlorige Säure $\left( \ce{HClO} \right)$. Die dazugehörigen Salze (die mit Metallen anstelle des Wasserstoffs gebildet werden) heißen Chlorate, Perchlorate, Chlorite und Hypochlorite.

Übung zu den Reaktionen mit Chlor

Herstellung von Chlor

Chlor zählt zu den wichtigsten Grundchemikalien. Weltweit werden jedes Jahr viele Millionen Tonnen produziert. In Deutschland werden rund $5$ Mio. Tonnen Chlor pro Jahr hergestellt.

Chlor wird aus Steinsalz, chemisch Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$, gewonnen. Das technisch dafür genutzte Verfahren ist die Chloralkali-Elektrolyse. Dabei finden an Elektroden – der negativ geladenen Kathode und der positiv geladenen Anode – elektrochemische Reaktionen statt.
Chlor entsteht in einer elektrochemischen Reaktion an der positiv geladenen Anode.

Anfangs wird das Steinsalz in Wasser gelöst. In wässriger Lösung dissoziiert das Salz $\ce{NaCl}$ in die Kationen $\ce{Na+}$ und die Anionen $\ce{Cl-}$:

$\ce{NaCl \xrightarrow{\ce{H2O}} Na^+ + Cl^-}$

Die positiv geladenen Natrium-Ionen $\left( \ce{Na+} \right)$ wandern in Richtung der negativ geladenen Kathode. Durch Aufnahme von Elektronen entsteht Natrium, das mit Wasser zu Natronlauge $\left( \ce{NaOH}_{\text{(aq)}} \right)$ reagiert.
Die negativ geladenen Chlorid-Ionen $\left( \ce{Cl-} \right)$ wandern zu der positiv geladenen Anode. Dort geben sie unter Bildung elementarer Chloratome Elektronen $\left( \ce{e-} \right)$ ab und es entsteht zunächst atomares Chlor:

$\ce{Cl^- -> Cl + e^-}$

Jeweils zwei Chloratome verbinden sich dann zu einem Chlormolekül:

$\ce{2 Cl -> Cl2}$

Technisch wird bei der Chloralkali-Elektrolyse zumeist das Diaphragmaverfahren eingesetzt, in jüngerer Zeit auch das Membranverfahren. Beim Diaphragmaverfahren trennt ein für die Natrium- und Chlorid-Ionen durchlässiges Diaphragma aus Asbest oder Teflon den Kathodenraum vom Anodenraum. Beim Membranverfahren ist die trennende Membran nur für Natrium-, nicht aber für Chlorid-Ionen durchlässig. So entsteht im Kathodenraum eine besonders reine Natronlauge.

Nachweis von Chlor

Chlor erkennt man an dem typischen stechenden Geruch, allerdings ist das Gas giftig und sollte nicht direkt eingeatmet werden. Ein chemischer Nachweis des Elements ist die Reaktion mit einem Iodid, z. B. Kaliumiodid $\left( \ce{KI} \right)$ oder Natriumiodid $\left( \ce{NaI} \right)$ in Lösung. Denn durch Chlor können Iodid-Ionen zu elementarem Iod $\left( \ce{I2} \right)$ oxidiert werden:

$\ce{Cl2 + 2 I^- -> 2 Cl^- + I2}$

Die violette Färbung, die dem elementaren Iod zuzuordnen ist (bräunlich auf Filterpapier), ist ein deutliches Zeichen für die Reaktion mit Chlor.

Chlorid-Ionen $\left( \ce{Cl-} \right)$ lassen sich mithilfe von Silber-Ionen $\left( \ce{Ag+} \right)$ nachweisen, denn mit diesen bilden sie Silberchlorid $\left( \ce{Ag+} \right)$, ein schwerlösliches Salz. Dieses fällt beispielsweise in einer Silbernitrat-Lösung $\left( \ce{AgNO3}_{\text{(aq)}} \right)$ mit Chlorid-Ionen als weißer Niederschlag aus:

$\ce{Cl^- + AgNO3 -> AgCl \downarrow + NO3^-}$

In ähnlicher Weise bilden Silber-Ionen allerdings auch mit Iodid- oder Bromid-Ionen schwerlösliche Salze und damit einen Niederschlag. Um welches Halogen es sich letztendlich handelt, kann anhand der Färbung des Niederschlags entschieden werden.

Verwendung von Chlor

Chlor und vor allem Chlorverbindungen können vielseitig verwendet werde:

• Salzsäure bzw. Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$ ist die technisch wichtigste Chlorverbindung. Ihre Salze sind die Chloride, beispielsweise Kupfer(I)-chlorid $\left( \ce{CuCl} \right)$ und natürlich Natriumchlordid $\left( \ce{NaCl} \right)$, also Kochsalz. Salzsäure und ihre Salze sind unverzichtbare Grundstoffe für die Herstellung vieler verschiedener Chemikalien. Kochsalz ist für uns Menschen und für unzählige andere Lebewesen überlebenswichtig.

• Chlorsalze, die sogenannten anorganischen Chloride, werden in zahlreichen Prozessen verwendet. Besonders wichtig sind beispielsweise Titan(IV)-chlorid $\left( \ce{TiCl4} \right)$, Aluminiumchlorid $\left( \ce{AlCl3} \right)$ und Siliciumchlorid $\left( \ce{SiCl4} \right)$. Aus Titanchlorid wird elementares Titan gewonnen. Aluminiumchlorid und Siliciumchlorid werden in der organischen Synthese, also zur Herstellung organischer Verbindungen, benötigt.

• Vinylchlorid, auch Chlorethen $\left( \ce{CH2=CHCl} \right)$ genannt, ist eine der bedeutendsten organischen Chlorverbindungen und dient zur Herstellung des Kunststoffs Polyvinylchlorid, besser bekannt unter der Abkürzung PVC.
  Es gibt viele weitere organische Verbindungen, die Chlor enthalten. Darunter fällt auch das extrem giftige Tetrachloridbenzodioxin, kurz TCDD. Dieses kann als Umweltschadstoff bei Verbrennungsprozessen entstehen.

• Sogenannte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) waren früher weit verbreitete Treibgase, Kältemittel und Lösungsmittel. Ihre Verwendung wurde allerdings stark eingeschränkt, nachdem bekannt wurde, dass sie als Gase in der Atmosphäre ganz wesentlich für die Zerstörung der Ozonschicht und das sogenannte Ozonloch verantwortlich sind.

• Desinfektionsmittel sind oft Chlorverbindungen. So wird Chlor für die Chlorung von Wasser verwendet. Die dabei im Wasser entstehende Hypochlorige Säure $\left( \ce{HOCl} \right)$ zersetzt sich zu Chlorwasserstoff $\left( \ce{HCl} \right)$ und atomarem Sauerstoff $\left( \ce{O} \right)$, der desinfizierend wirkt:
  $\ce{Cl2 + H2O -> HOCl + HCl}$
  $\ce{HOCl -> HCl + O}$
  Ein weiteres wichtigiges Desinfektionsmittel ist Chlorkalk, das ist Calciumhypochlorid $\left( \ce{CaCl(OCl)} \right)$. Es entsteht aus der Reaktion von Löschkalk, also Calciumhydroxid $\left( \ce{Ca(OH)2} \right)$ mit Chlor:
  $\ce{Ca(OH)2 + Cl2 -> CaCl(OCl) + H2O}$
  Desinfektionsmittel werden zur Reinigung, insbesondere in der Medizin, eingesetzt. Die Chlorung von Wasser wird in Schwimmbädern angewendet, aber auch bei der Abwasserreinigung und der Aufbereitung von Trinkwasser.

• Auch als Bleichmittel spielen Chlor und Chlorkalk eine wichtige Rolle.

• Chlorgas und andere Chlorverbindungen können aufgrund ihrer Toxizität auch als chemische Kampfstoffe eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise im Ersten Weltkrieg geschehen. Heute sind solche Chemiewaffen international geächtet. Einige Chlorverbindungen werden aber noch als Pestizide verwendet.

• Chlorverbindungen kommen auch in pharmazeutischen Produkten vor. Das zeigt die Vielseitigkeit dieses sehr reaktionsfreudigen Elements.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Chlor