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Chlor

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André Otto
Chlor
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Beschreibung Chlor

Inhalt

Chlor

Chlor ist das chemische Element mit dem Symbol $Cl$. Es ist ein 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 Trinkwasser und Schwimmbadwasser durch Chlorung desinfiziert. Übrigens: Unser Kochsalz ist eine Chlorverbindung, es dient sogar der Herstellung von Chlor. Doch dazu später mehr.

Chlor
Chlor

Entdeckung und Vorkommen von Chlor

Der deutsch-schwedische Apotheker und Chemiker Carl Wilhelm Scheele entdeckte Chlor bereits 1774. Scheele versetzte Braunstein, das ist Mangan(IV)-oxid ($MnO_2$), mit Salzsäure ($HCl$). Dabei bildete sich neben Mangan(II)-chlorid ($MnCl_2$) und Wasser auch das stechend riechende Chlor ($Cl_2$):

$MnO_2+4 ~HCl \longrightarrow ~MnCl_2 + 2~H_2O+Cl_2$

Chlor kommt auf der Erde meist in Form des Chloridions in Chlorid-Salzen vor. Am bekanntesten ist das Natriumchlorid ($NaCl$), das du sicher als Kochsalz oder Steinsalz kennst.

Die Stellung von Chlor im Periodensystem

Chlor hat die Ordnungszahl 17. Es steht im Periodensystem der Elemente in der VII. Hauptgruppe, der Gruppe der Halogene, und in der 3. Periode unter Fluor. Es zählt zu den Nichtmetallen. Als Element der VII. Hauptgruppe hat Chlor sieben Valenzelektronen, darunter ein ungepaartes Elektron. Das Chloratom ist damit ein Radikal. Das sieht in der Lewis‑Schreibweise so aus:
|$\overline {\underline {Cl}}$$\color{red} \cdot$
In chemischen Reaktionen mit anderen Elementen nimmt es meist ein Elektron auf. In Verbindungen mit elektronegativeren Elementen wie Fluor oder Sauerstoff gibt es auch Elektronen ab. Chlor kann in Verbindungen mit den Oxidationszahlen $-I$, $+I$, $+III$, $+V$ und $+VII$ auftreten. In den meisten seiner Verbindungen tritt Chlor aber in der Oxidationszahl $-I$ auf.

Chlor – Eigenschaften

Steckbrief   Chlor
$\text{Atommasse}$ $35,45~\frac{g}{mol}$
$\text{molare Masse} ~Cl_2$ $70,9~\frac{g}{mol}$
$\text{Dichte}$ $\rho = 3,2 \frac{g}{cm^{3}}$
$\text{Schmelzpunkt}$ $\text{Smp.} = -101,5 ^\circ\text{C}$
$\text{Siedepunkt}$ $\text{Sdp.} = -34,6^\circ\text{C}$
$\text{Farbe}$ $\text{gelb-grüne Dämpfe}$

Chlor liegt im Chlorgas nicht atomar vor, sondern als zweiatomiges Molekül $Cl_2$ mit der Strukturformel |$\overline {\underline {Cl}} –$ $\overline {\underline {Cl}}$. Da einzelne Chloratome mit einem ungepaarten Elektron Radikale sind, reagieren sie sofort unter Ausbildung einer Elektronenpaarbindung zum $Cl_2$ -Molekül:

|$\overline {\underline {Cl}}$$\color{red} \cdot$ + |$\overline {\underline {Cl}} \color{red} \cdot$ $\longrightarrow$ |$\overline {\underline {Cl}}$ $\color{red} –$ $\overline {\underline {Cl}}$|

Chemische Reaktionen von Chlor – Beispiele

Chlor ist ein sehr reaktionsfreudiges chemisches Element.

  • Reaktion mit Metallen: Chlor reagiert mit allen Metallen. Dabei werden Salze gebildet, die Metallchloride. Sogar das Edelmetall Gold ($Au$) reagiert mit Chlor zu Gold(III)-chlorid ($AuCl_3$):
    $2 ~Au + 3 ~Cl_2 \longrightarrow 2 ~AuCl_3$
  • Reaktion mit Nichtmetallen: Chlor reagiert mit den meisten Nichtmetallen. Bei der Reaktion mit Phosphor ($P$) entsteht das Phosphortrichlorid ($PCl_3$):
    $2~ P+3 ~Cl_2 \longrightarrow 2 ~PCl_3$
  • Reaktionen mit organischen Verbindungen: Chlor reagiert beispielsweise mit Kohlenwasserstoffen, so bildet sich aus Methan ($CH_4$) und Chlor das Monochlormethan ($CH_3Cl$):
    $2 ~CH_4 + Cl_2 \longrightarrow 2 ~CH_3Cl + H_2$

Chlor – Herstellung

Chlor zählt zu den wichtigsten Grundchemikalien. Weltweit werden viele Millionen Tonnen produziert. In Deutschland wurden 2019 nach Angaben des Verbandes der chemischen Industrie (VCI) 3,7 Millionen Tonnen Chlor hergestellt.

Chlor wird aus Steinsalz, chemisch Natriumchlorid ($NaCl$), gewonnen. Das technisch dafür genutzte Verfahren ist die Chloralkali-Elektrolyse. Dabei finden an Elektroden – der negativ geladenen Kathode und der positiv geladenen Anodeelektrochemische 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 NaCl in die Kationen $Na^+$ und die Anionen $Cl^-$:

$NaCl \xrightarrow{in ~Wasser} Na^+ + Cl^-$

Die positiv geladenen Natriumionen wandern in Richtung der negativ geladenen Kathode. Durch Aufnahme von Elektronen entsteht Natrium, das mit Wasser zu Natronlauge ($NaOH$) reagiert.

Die negativ geladenen Chloridionen $Cl^-$ wandern zu der positiv geladenen Anode. Dort geben sie unter Bildung elementarer Chloratome Elektronen ($e^-$) ab und es entsteht zunächst atomares Chlor:

$Cl^- \longrightarrow Cl + e^-$

Jeweils zwei Chloratome verbinden sich dann zum Chlormolekül:

$2 ~Cl \longrightarrow Cl_2$

Technisch wird bei der Chloralkali-Elektrolyse zumeist das Diaphragmaverfahren eingesetzt, in jüngerer Zeit auch das Membranverfahren. Beim Diaphragmaverfahren trennt ein für die Natrium- und Chloridionen durchlässiges Diaphragma aus Asbest den Kathodenraum von dem Anodenraum. Beim Membranverfahren ist die trennende Membran für Chloridionen nicht durchlässig, sodass im Kathodenraum eine besonders reine Natronlauge entstehen kann.

Verwendung von Chlorverbindungen

  • Salzsäure bzw. Chlorwasserstoff $HCl$ ist die technisch wichtigste Chlorverbindung. Ihre Salze sind die Chloride, beispielsweise das Kupfer(I)-chlorid $CuCl$.

  • Anorganische Chloride werden in zahlreichen Prozessen verwendet, beispielsweise Titan(IV)-chlorid ($TiCl_4$), Aluminiumchlorid ($AlCl_3$) und Siliciumchlorid ($SiCl_4$). Aus Titanchlorid gewinnt man metallisches Titan. Aluminiumchlorid und Siliciumchlorid werden in der organischen Synthese benötigt.

  • Vinylchlorid ($CH_2 = CHCl$) dient als bedeutende organische Chlorverbindung 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 Dioxin. Dieses kann als Umweltschadstoff bei Verbrennungsprozessen entstehen.

Strukturformel von Dioxin
Dioxin
  • Desinfektionsmittel sind oft Chlorverbindungen. So wird Chlor für die Chlorung von Wasser verwendet. Die dabei entstehende hypochlorige Säure ($HOCl$) zersetzt sich zu Chlorwasserstoff ($HCl$) und atomarem Sauerstoff ($O$), der desinfizierend wirkt.
    $Cl_2+H_2O \longrightarrow HOCl+HCl$
    $HOCl \longrightarrow HCl + O$
    Chlorkalk (Calciumhypochlorid, $CaCl(OCl)$) ist ein weiteres wichtiges Desinfektionsmittel. Es entsteht aus der Reaktion von Löschkalk (Calciumhydroxid) mit Chlor:
    $Ca(OH)_2 +Cl_2 \longrightarrow CaCl(OCl)+H_2O$

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Übersicht zum Element Chlor mit seinen Eigenschaften, seiner Herstellung und wichtigen Chlorverbindungen. Um die Inhalte zu verstehen, solltest du schon über Vorkenntnisse in Chemie verfügen und dich in den Themen Basen, Säuren und Salze sowie bei der Oxidation und Reduktion auskennen.

Übungen und Arbeitsblätter

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Chlor aus dem Video zu testen.

Transkript Chlor

Guten Tag und herzlich willkommen.  In diesem Video befassen wir uns noch einmal mit den Halogenen, den Elementen der siebten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Wir sprechen heute über Chlor: Cl.  Die Entdeckung des Chlors: Chlor wurde 1774 entdeckt, sein Entdecker war der schwedische Apotheker und Chemiker Carl Wilhelm Scheele. Scheele stellte Chlor aus Braunstein und Salzsäure her: MnO2+4HCL->MnCl2+2H2O+Cl2. Braunstein ist Mangan(4)-oxid, ein Reaktionsprodukt ist Mangan(2)-chlorid. Eigenschaften des Chlors: Bei Chlor handelt es sich um ein typisches Nichtmetall. Bei Raumbedingungen ist Chlor ein Gas mit gelbgrüner Farbe, verflüssigtes Chlor ist grün. Chlor hat eine relativ niedrige Siedetemperatur von -34°C. Schon bei verhältnismäßig geringem Druck von 6,7 bar wird Chlor flüssig, man kann es daher sehr gut in Stahlflaschen oder Kesselwagen transportieren. Die Dichte des Chlors beträgt etwa 3g/l. Das bedeutet, dass Chlor etwa 2 1/2 Mal schwerer als Luft ist. Als typisches Nichtmetall stellt Chlor eine Molekülverbindung dar. Wie entsteht diese? Nehmen wir an, wir haben zwei Chloratome, links und rechts, so bildet sich aus den beiden Chloratomen Cl das Teilchen Cl2, ein Chlormolekül. Schreibt man die Chloratome ausführlicher, mit allen ihren Außenelektronen, so muss man an jedem Chloratom 7 Außenelektronen schreiben. 6 Außenelektronen werden durch Paare Bindungsstriche verdeutlicht. Das 7. Außenelektron ist jeweils nicht gepaart. Daher spricht man auch von Chlorradikalen. Die ungepaarten Außenelektronen, jetzt rot, spielen eine besondere Bedeutung bei der chemischen Bindung, sie vereinigen sich zu einem Elektronenpaar und es entsteht das Chlormolekül. Die neue entstandene Bindung wird durch den roten Bindungsstrich verdeutlicht. Genaueres zur chemischen Bindung erfahrt ihr in den Videos Lewisformel. Chlor ist ein sehr reaktionsfreudiges chemisches Element. Es reagiert mit Metallen wie zum Beispiel Gold. Das Reaktionsprodukt ist ein Salz, Gold(3)-chlorid. Chlor reagiert mit Nichtmetallen, wie zum Beispiel Phosphor. 2P+3Cl2->2PCl3. Es bildet sich Phosphortrichlorid. Chlor reagiert mit organischen Verbindungen wie Kohlenwasserstoffen, zum Beispiel: CH4+Cl2->Ch3Cl+HCl. Es entstehen Monochlormethan und Chlorwasserstoff. Herstellung von Chlor: Chlor wird aus Steinsalz gewonnen, NaCl. Um aus der chemischen Verbindung Natriumchlorid (NaCl) Chlor zu erhalten, verwendet man die Chloralkalielektrolyse. Speziell wendet man dabei das Diaphragmaverfahren und in letzter Zeit das Membranverfahren an. Zunächst wird Natriumchlorid (NaCl) in Wasser gebracht, dabei dissoziiert es. NaCl dissoziiert in wässriger Lösung in Na++Cl-. Die Chloridionen Cl- wandern an die positiv geladene Elektrode, die Anode. Dort verlieren sie gemäß Cl->Cl+e- ein Elektron. Für den nächsten Reaktionsschritt muss man die Teilchenzahl dieser Reaktion verdoppeln. Anschließend reagieren 2 Chloratome zu 1 Chlormolekül. 2Cl->Cl2. Verbindungen des Chlors: Eine wichtige Chlorverbindung ist Salzsäure, HCl. Ein Salz der Salzsäure ist Kupfer(1)-chlorid. Die Salze der Salzsäure heißen Chloride. Es gibt eine große Zahl organischer Verbindungen, die Chlor enthalten. Als Beispiel möchte ich Dioxin nennen. Dioxin ist extrem giftig und ein Umweltschadstoff.  Verwendung von Chlor: Chlor ist eine Grundchemikalie. In der Bundesrepublik Deutschland wurden zum Beginn des 21. Jahrhunderts 4,8 Millionen Tonnen jährlich produziert. Chlor erfreut sich einer unrühmlichen Vergangenheit. Es wurde im 1. Weltkrieg im Jahre 1915 bei Ypern in Flandern an der deutschfranzösischen Front als Giftgas eingesetzt. Mehrere Tausend Soldaten starben und erhielten lebenslange Verletzungen. Ein großer Teil des Chlors wird in der Industrie für die Herstellung des Vinylchlorids verwendet. Vinylchlorid ist der Ausgangsstoff für einen Kunststoff: Polyvinylchlorid. Chlor wird für die Herstellung von Kunststoffen, Arzneistoffen und Pestiziden benötigt. Aus Chlor stellt man anorganische Chloride her: Titan(4)-chlorid, Aluminiumchlorid und Siliciumchlorid. Aus Titanchlorid gewinnt man metallisches Titan, Aluminiumchlorid und Siliciumchlorid werden in der organischen Synthese benötigt. Ein weiteres Einsatzgebiet des Chlors ist die Desinfektion. Chlor wurde viele Jahre für die Chlorung von Wasser verwendet. Cl2+H2O->HOCl+HCl. Die entstehenden hypochlorige Säure HOCl zersetzt sich, entwickelt HCl (Chlorwasserstoff) und elementarer Sauerstoff wird frei. Das führt den Desinfektionseffekt herbei. Man verwendet Chlor für die Herstellung eines wichtigen Desinfektionsmittels: Chlorkalk. Ca(OH)2+Cl2->CaCl(OCl)+H2O. Der Chlorkalk wird aus Kalziumhydroxid, Löschkalk und Chlor gewonnen. Um den Einsatz von Chlor für die Desinfizierung von Wasser zu vermeiden, wird ClO2 Chlordioxid verwendet. Ich bedanke mich für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen. 

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Chlor Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chlor kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Hauptgruppe, in der sich Chlor befindet.

    Tipps

    Chlor gehört zu der Hauptgruppe der Halogene.

    Lösung

    Chlor gehört zu den Halogenen. Die Halogene befinden sich in der siebten Hauptgruppe. Du erkennst das auch an der Anzahl der Außenelektronen, die Chlor besitzt. Die Anzahl der Außenelektronen entspricht der Hauptgruppennummer. Damit hat Chlor also auch sieben Außenelektronen.

  • Beschreibe die Herstellung von Chlor.

    Tipps

    Chlor kann durch ein Elektrolyseverfahren hergestellt werden. Elektrolyse wird hier in wässriger Lösung ausgeführt.

    Lösung

    Chlor wird aus Steinsalz gewonnen. Dabei wird das Verfahren der Chloralkalielektrolyse angewendet. An eine Salzlösung wird eine Spannung angelegt. Dabei wandern die negativ geladenen Chlorid-Ionen zur Anode und werden dort oxidiert. Dabei geben sie ihr Elektron ab und Chlor entsteht.

    Anode: $2~Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2~e^-$

  • Entscheide, in welchem Gefäß sich Chlor nach der Synthese auffangen lassen kann.

    Tipps

    Ist Chlor leichter oder schwerer als Luft?

    Lösung

    Chlor hat eine Dichte von 3 $\frac{g}{l}$. Luft ist 2,5 mal leichter als Chlor. Dieses Wissen dient nun als Grundlage für die Wahl eines geeigneten Auffanggefäßes. Da Chlor schwerer ist als Luft, sammelt es sich am Boden des Gefäßes. Es sollte also auf keinen Fall ein Reagenzglas sein, welches nach unten geöffnet ist. Hier lassen sich leichtere Gase, wie Wasserstoff, sammeln. Außerdem eigenen sich auch keine flachen, offenen Gefäße, wie eine Petrischale, da sich hier das Gas schnell mit der Umgebungsluft vermischen kann. Diese sind eher für Feststoffe geeignet.

    Geeignet sind also hohe Gefäße mit schmaler Öffnung oben, wie das Reagenzglas und der Erlenmeyerkolben.

  • Bestimme die Siedepunkte der Halogene.

    Tipps

    Es besteht ein Verhältnis zwischen der Lage in der Hauptgruppe und der Siedetemperatur.

    Iod ist bei Raumtemperatur fest.

    Lösung

    Mit steigender Ordnungszahl erhöht sich die Siedetemperatur. In der siebten Hauptgruppe sind Fluor, Chlor, Brom und Iod von Interesse. So hat Fluor die niedrigste Siedetemperatur von -188°C. Chlor hat, wie im Video vorgestellt, eine Siedetemperatur von -34°C, die von Brom liegt bei 58,5°C und Iod hat eine Schmelztemperatur von 184°C. Die steigenden Siede- und Schmelzpunkte kannst du auch am Aggregatzustand der Elemente bei Raumtemperatur erkennen. Während Fluor und Chlor Gase sind, ist Brom flüssig und Iod sogar fest.

  • Nenne den Namen der Salze der Salzsäure.

    Tipps

    Ein Salz der Salzsäure ist Kupfer(I)-chlorid.

    Lösung

    Eine wichtige Chlorverbindung ist die Salzsäure $HCl$. Diese Säure reagiert mit unedlen Metallen und Basen zu Salzen. Die Salze der Salzsäure enthalten natürlich auch Chlor. Das kannst du auch am Namen erkennen. Die Salzsäure gibt ihr Proton ab und es entsteht ein negativ geladenes Ion, das Chlorid-Ion $Cl^-$. Entsprechend heißen auch die Salze Chloride. Die Endung -id ist typisch für Anionen und zeigt dir an, dass das Anion keinen Sauerstoff enthält. Im Gegensatz dazu enthalten Chlorat-Ionen ${ClO_3}^-$ Sauerstoff.

  • Formuliere folgende Reaktionen mit Chlor.

    Tipps

    Bei einer Reaktionsgleichung steht auf der Eduktseite die gleiche Anzahl an Atomen wie auf Produktseite.

    Lösung

    Chlor ist sehr reaktionsfreudig. Mit Wasserstoff reagiert Chlor zu Chlorwasserstoff, welcher in wässriger Lösung dann Salzsäure bildet. Auch mit Metallen reagiert Chlor. Dabei entsteht allgemein aus einem Metall und einem Nichtmetall ein Salz. In diesem Fall reagiert Zink mit Chlor zu Zinkchlorid.

    Chlor spielt aber auch in der organischen Chemie eine große Rolle. So kann es mit Kohlenwasserstoffverbindungen zu Chlorkohlenwasserstoffverbindungen reagieren. In diesem Fall reagiert Chlor mit Monochlormethan zu Dichlormethan.

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