utfall

KLOR2019: Internationellt år för grundämnenas periodiska system

www.cmb.gu.se

INSTITUTIONEN FÖR KEMI OCH MOLEKYLÄRBIOLOGI

I ren form är klor en gulgrön giftig gas med stark stickande lukt. Vid -34 °C kondenserar klor till en gul vätska som fryser vid -102 °C. Även i fast form är klor gult. Klor förekommer som tvåatomiga molekyler, Cl2, i både fast, flytande och gasform. Klorgas är relativt lättlöslig i vatten.

Klor tillhör de så kallade halogenerna, grupp 17 i periodiska systemet och klor är därför nära besläktat med grundämnena fluor, brom, jod, astat och teness. De båda grundämnena astat och teness är dock starkt radioaktiva och mycket lite är känt om dem. Det gemensamma för halogenerna är att de har sju elektroner i sitt yttersta elektronskal. Atomerna är starkt elektronegativa, klor kommer på tredje plats på Paulings elektronegativitetsskala efter fluor och syre. Hög elektronegativitet betyder att kloratomer har en stark tendens att attrahera elektroner i kemiska bindningar. När klor reagerar med metaller tar klor upp en elektron och bildar kloridjoner, Cl-, där klor har ett fyllt yttre elektronskal. Med ickemetallerna bildas polära kovalenta bindningar.

Klor

Klorets egenskaper

År 2019 fyller det periodiska systemet 150 år. Svenska kemister har spelat en stor roll vid upptäckten av jordens grundämnen. Visste du att Sverige är ett av de länder där flest grundämnen upptäckts?

I den här broschyren kan du lära dig allt om grundämnet klor (Cl), om dess egenskaper, kemi, föreningar, framställning, användningsområden och historia.

En klov fylld med klorgas. Lägg märke till den gulgröna färgen. Foto: Petra Rönnholm.

Klorets kemiKlorgas är mycket reaktiv och reagerar med de flesta andra grundämnen. Om klorgasen är fuktig, det vill säga är blandad med vattenånga, ökar ofta reaktiviteten. Det är endast ädelgaserna (förutom xenon), syre och kväve som inte reagerar med klor ens vid hög temperatur. Många metaller brinner i klorgas, åtminstone om metallen är finfördelad. Om man strör fint kopparpulver i klorgas antänds kopparmetallen spontant, och det bildas koppar(II)klorid, CuCl2. Natrium reagerar långsamt med klor vid rumstemperatur

Visste du att Göteborgs universitet erhöll grundämnet klor som faddergrundämne för att ...... Den främsta källan för grundämnet klor är havsvatten, något som det finns gott om på västkusten och Göteborgs universitet bedriver omfattande forskning om havet. ... Tidigare låg det dessutom en stor klorgasfabrik i Bous, strax norr om Göteborg. ... Det finns också en historisk koppling mellan klor och Göteborg. Klorets upptäckare, Carl Wilhelm Scheele, började sin kemiska bana just i Göteborg.

och bildar natriumklorid (koksalt, NaCl). Vid upphettning går reaktionen snabbt och natriummetallen fattar eld. Om klorgas blandas med vätgas vid rumstemperatur sker ingen märkbar spontan reaktion. Om blandningen däremot belyses med ultraviolett ljus, till exempel solljus, sker reaktionen explosionsartat. Reaktionsprodukten, väteklorid (HCl) är en färglös gas som löser sig i vatten och bildar en stark syra, saltsyra. I saltsyran är vätekloridmolekylerna helt protolyserade till H+ (egentligen H3O

+) och Cl-.

Att klorgas är så reaktivt gör att klor också är mycket giftigt för levande organismer. Inandning av klorgas är livsfarligt, eftersom kloret reagerar med kroppens byggstenar, till exempel fetter och proteiner. Det är detta som gör att klor används som desinfektionsmedel eftersom det då tar död på oönskade mikroorgansimer.

KlorföreningarPå grund av klorets höga elektronegativitet är oxidationstalet -I det i särklass vanligaste. Sådana föreningar kallas klorider och beroende på skillnaden i elektronegativitet kan sådana föreningar vara antingen molekylföreningar eller jonföreningar. Metallklorider är jonföreningar medan ickemetallerna bildar kovalenta bindningar till klor. De flesta metallklorider är lättlösliga i vatten; viktiga undantag är silverklorid, bly(II)klorid och koppar(I)klorid. Klorider av ickemetaller kan vara antingen gaser (till exempel HCl), vätskor (till exempel PCl3) eller fasta ämnen (till exempel PCl5).

Fluor och syre är mer elektronegativa än klor, och i föreningar med syre och fluor har klor oxidationstal som är större än noll. Den viktigaste klorföreningen med oxidationstalet +I är natriumhypoklorit (NaClO) som är natriumsaltet av syran hypokloryrlighet eller underklorsyrlighet (HClO). Vattenlösningar av natriumhypoklorit används i stora mängder som desinfektions- och blekmedel, ett känt varumärke är Klorin®. Klorfluorid (ClF) är en färglös gas och klor(I)oxid (Cl2O) är en gulröd gas. I klordioxid (ClO2) har klor oxidationstalet +IV. Det är en gulbrun gas som är mycket explosiv i ren form men som ändå används vid blekning av pappersmassa. Klor med oxidationstalet +VI finner vi i klorsyra (HClO3) och dess salter, klorater. Dessa är mycket starka oxidationsmedel, och bildar ofta explosiva blandningar med brännbara ämnen. ”Svavlet” i en tändsticka består av kaliumklorat (KClO3) blandat med svavel och gummi. Tändsticksaskens plån innehåller röd fosfor som reagerar häftigt med kaliumkloratet får tändstickans svavel att fatta eld. Klorets högsta oxidationstal, +VII, finner vi i perklorsyran (HClO4) och dess salter, perklorater. Även dessa är starka oxidationsmedel. Ammoniumperklorat (NH4ClO4) används bland annat i drivmedel för rymdraketer.

I naturen förekommer klor nästan uteslutande som kloridjoner. Den fasta jordskorpan innehåller relativt lite klor (c:a 0,03%), eftersom de flesta klorider är vattenlösliga och därför lakas ut av vatten med tiden. I torra miljöer finns det ändå enorma avlagringar av natriumklorid som bildats genom intorkning av forntida hav. Havsvatten innehåller ungefär 3,5% upplösta salter, och den största delen är natriumklorid, koksalt. Ungefär 1,9% av havsvattnet består av klor.

Klorets användningsområden

Varje år tillverkas miljontals ton klor genom elektrolys av natriumkloridlösning, vilket ger klorgas och natriumhydroxid. Om man vill framställ en mindre mängd klorgas i ett laboratorium, är däremot den enklaste metoden att droppa koncentrerad saltsyra på kaliumpermanganat (KMnO4). På grund av klorets giftighet måste detta göras i dragskåp!

Ungefär 1,9% av havsvattnet består av klor.

Klor har länge använts som blekmedel, först för att bleka lin och senare för att bleka till exempel pappersmassa. Klorets blekande förmåga beror på att kloret reagerar med de ämnen som ger linfibrerna eller pappersmassan dess färg, och sönderdelar dem till färglösa ämnen.

Klor används också som desinfektionsmedel för att döda bakterier och virus. Vattnet i simbassänger kloreras för att hindra att bakterier förökar sig i vattnet, och många kommuner tillsätter låga koncentrationer av klor till dricksvattnet för att hindra att bakterier sprids.

Stora mängder klor används för att tillverka olika kemikalier. En av de produkter som tillverkas i störst mängd är saltsyra.

Klor används även för att tillverka många organiska ämnen, till exempel lösningsmedlen kloroform och diklormetan.

Framställning av klor

Klor används vid tillverkning av polyvinylklorid (PVC), ett av de viktigaste plastmaterialen som började tillverkas industriellt i slutet av 1930-talet. I ren form ar PVC sprött och man måste därför tillsätta olika tillsatsämnen för att ge PVC-plasten önskade egenskaper. Miljö- och hälsoskäl har gjort att användningen av PVC i våra hem har minskat på senare år, men PVC har fortfarande viktiga användningsområden i avloppsrör och elektriska ledningar. I slutet av 1940-talet började man tillverka grammofonskivor av PVC – så kallade vinylskivor – som återigen har ökat i popularitet de senaste tio åren.

Även om klor i ren form är mycket giftigt är kloridjoner livsviktiga för alla levande organismer vi känner till. Klor (i form av kloridjoner) är det tionde mest förekommande grundämnet i människokroppen. En fullvuxen människa (70 kg) innehåller knappt 100 g klor vilket betyder att en dryg procent av våra kroppar består av klor. Klor är nödvändigt för att kontrollera kroppens vätskebalans och påverkar flödet av vatten och joner in och ut från celler. Kloridhalten i blod är ungefär 0,3%.

En särskild funktion hos klor i kroppen är saltsyran i magsäcken. Magsyran hjälper både till med att döda bakterier och bryta ned maten. Magsyran har ett pH-värde runt 2, och är frätande på andra vävnader än magsäckens slemhinnor. Den frätande syran bildas i särskilda celler, paritalceller, i magsäckens slemhinna. Saltsyran bildas genom en serie kemiska reaktioner. Första steget är bildningen av kolsyra (H2CO3) från koldioxid och vatten, en reaktion som katalyseras av enzymet karboanhydras. I nästa steg protolyseras kolsyran till vätejoner och vätekarbonatjoner (HCO3

-). Cellen kan sedan pumpa ut de positivt laddade vätejonerna ur cellen, samtidigt som lika många kaliumjoner pumpas i motsatt riktning. Vätekarbonatjonerna pumpas ut i blodet medan kloridjoner tas upp från blodet. Reaktionen kan sammanfattas:

CO2 + H2O + Cl- HCO3- + HCl.

Klor och dess användning har också några negativa sidor. Kemiska föreningar som innehåller klor-kol-bindningar är ovanliga i naturen, vilket gör att många organiska klorföreningar bryts ned långsamt i naturen. Några kända exempel är insektsgiftet DDT som började användas på 1940-talet. Eftersom DDT bryts ned långsamt och lagras i fettvävnad fick den storskaliga användningen av DDT allvarliga konsekvenser. Det ledde

Klor används som desinfektionsmedel exempelvis i simbassänger.

bland annat till att äggskalen hos många fåglar blev så tunna att äggen sprack då fåglarna ruvade. Opinionen mot DDT fick fart när den amerikanska marinbiologen Rachel Carson skrev boken Tyst vår (Silent Spring) år 1962. Bokens titel syftar på att det blev färre fåglar som sjöng på våren. DDT är nu förbjudet i de flesta länder – i Sverige sedan 1970-talet.

Andra farliga miljögifter som innehåller klor är PCB, en grupp kemiska ämnen som bland annat användes som fyllning i elektriska transformatorer och vissa byggmaterial. Även PCB är förbjudet i de flesta länder. Klor ingår också i en grupp föreningar – fluorklorerade kolväten (CFC eller freoner) som användes flitigt i kylskåp och sprayburkar, men som visade sig skada atmosfärens ozonskikt och numera är förbjudna. När människan började sprida klorerade organiska föreningar i naturen, fick en liten grupp bakterier av släktena Dehalococcoides och Dehalobacter en ny nisch. De kan bryta ned miljögifterna till oskadliga ämnen och var okända för forskarna fram till 1997.

Klorgas har också använts som kemiskt stridsmedel, första gången den 22 april 1915 vid belgiska Ypres under första världskriget. Tusentals franska soldater dog i attacken.

Klorets historiaKemister hade fått fram klorgas vid kemiska reaktioner åtminstone sedan 1600-talet, och vem som först fick känna på den stickande klorgaslukten kommer vi aldrig att få veta. Ingen av dessa kemister tycks dock ha fäst särskild uppmärksamhet vid gasen, så det vore fel att påstå att någon av dem upptäckte kloret. De framställde klor utan att upptäcka det. Den förste som med säkerhet förstod att klor var ett nytt ämne och beskrev dess egenskaper var svensken Carl Wilhelm Scheele.

Scheele föddes den 9 december 1742 i Stralsund som sjunde barnet till Margaretha Eleonora och Joachim Christian Scheele. Fadern var bryggare i Stralsund, huvudstaden i vad som då var Svenska Pommern, men numera är en del av Tyskland. Släkten bestod av borgare och präster så långt någon kunde minnas, men den unge Wilhelm kom att gå en annan bana: vid 15 års ålder skickades han till Göteborg för att utbildas till apotekare. Den unge Scheele fick sin utbildning på apoteket Enhörningen, som låg på Södra Hamngatan i centrala Göteborg. Huset där Scheele fick sin utbildning brann visserligen ned 1802, men Apoteket Enhörningen återuppbyggdes och fanns kvar på samma adress till 1915. Idag huserar ett gym och en frisersalong på adressen i ett osedvanligt fult hus byggt 1970. Scheele var en ovanlig apotekarlärling. Nattetid roade han sig med att läsa kemiska böcker och utföra kemiska experiment i apotekets laboratorium. Snart hade han samlat på sig en omfattande kunskap.

Det finns inget känt porträtt av Scheele från hans livstid. Den mest pålitliga bilden är denna medalj, som präglades av Kungl. Vetenskapsakademien kort efter Scheeles död. Foto: Anders Lennartson.

Tjugotvå år gammal flyttade Scheele till Malmö, där han fortsatte sitt experimenterande, och efter ytterligare två år flyttade han vidare till Stockholm. Ett lyckokast var när Scheele fick en anställning i Uppsala våren 1770. Genom en händelse lärde han känna Johan Gottlieb Gahn, som studerade kemi och övertalade Scheele att söka upp kemiprofessorn Torbern Bergman. Denne hade en bakgrund som fysiker och zoolog, och den första tiden som professor hade han saknat laboratorium, så därför hade Bergman ännu inte mycket prak-tiska kemierfarenheter att skryta med. Scheele däremot, visste det mesta som fanns att veta om kemi, men saknade å andra sidan Bergmans sinne för struktur och de större helhetsbilderna. Det är uppenbart att de båda unga männen hade mycket att lära av varandra och mot alla odds blev professorn och apotekargesällen nära vänner.

Bergman förslog att Scheele skulle analysera mineralet brunsten, som idag kallas pyrolusit, och till största delen består av mangan(IV)oxid, MnO2. Det var en omfattande undersökning som skulle ta ungefär tre år att slutföra. Då Scheele var klar hade han bland annat konstaterat att brunstenen innehöll ett helt nytt ämne som vi idag kallar mangan. Metalliskt mangan framställdes av Scheeles vän Gahn sommaren 1774. Scheele upptäckte också att det ibland fanns små vita kristaller i brunsten – dessa består av bariumsulfat –, och Scheele blev den förste som beskrev bariumföreningar och visade att barium och kalcium var två olika ämnen. Metalliskt barium kunde man dock inte framställa på 1700-talet. Det var engelsmannen Humphry Davy som slutligen lyckades år 1808.

Apoteket Enhörningen, där Scheele fick sin utbildning, låg i centrala Göteborg. Apoteket låg där den röda bilen står parkerad. Foto: Anders Lennartson.

Carl Wilhelm Scheele var den förste som förstod att klor var ett nytt ämne.

Så här beskrev Scheele själv sin upptäckt: ”På ½ uns fint rifven Brunsten slogs 1 uns ren Spiritus salis. Sedan denna blandning stått 1 tima uti kölden, hade syran antagit mörkbrun färg. En del af denna uplösning göts i et Glas, som stäldes öpet i värman. Solutionen gaf lukt, lik varm aqua regis, och efter ¼ timas förlopp, var hon klar ofärgad som vatten, samt lukten försvunnen.” Översatt till modern svenska lyder samma text: ”På 14 gram finmald brusten hälldes 27 gram ren saltsyra. Sedan lösningen stått en timma i kylan hade syran fått en mörkbrun färg. En del av denna lösning hälldes i ett glas, som ställdes öppet i värmen. Lösningen luktade som varmt kungsvatten och efter en kvart var lösningen klar och ofärgad som vatten samt lukten försvunnen.”

Scheele studerade den nya gasens egenskaper och lade bland annat märke till klorgasens blekande egenskaper. Scheele presenterade sina resultat i artikeln Om Brun-sten eller Magnesia och dess Egenskaper som han skickade till Kungl. Vetenskapsakademien i Stockholm. Scheeles text lästes upp i Akademien den 12 januari 1774. Eftersom Scheeles text var så lång, delades den upp i två delar som trycktes i andra och tredje numret av Vetenskapsakademiens tidskrift, Kungl. Vetenskapsakademiens Handlingar för 1774. Det var landets främsta forum för vetenskap, där landets ledande vetenskapsmän under 1700- och 1800-talet, till exempel Carl von Linné, publicerade sina främsta upptäckter.

Sommaren 1775 flyttade Scheele till Köping, där han drev apoteket till sin död, den 21 maj 1786. Han hade då inte bara upptäckt grundämnet klor, utan publicerat en lång rad viktiga upptäckter som gör honom till en av de mest framgångsrika forskarna i Sverige någonsin.

Våren 1771 upptäckte Scheele att en lösning av brunsten i saltsyra utvecklade en gulgrön gas som hade en lukt liknade den från kungsvatten (en blandning av salpetersyra och saltsyra) och var ”högst besfvärlig för Lungorna”. Detta var Scheeles första kontakt med klor. Klorgasen bildades genom att saltsyran oxiderades av mangan(IV)oxid i brunstenen:

MnO2 (s) + 4 HCl (aq) Cl2 (g) + MnCl2 (aq) + 2 H2O (l)

Brunsten, mineralet som Scheele undersökte och som ledde till upptäckten av klor. Foto: Petra Rönnholm.

En lösning av brunsten i saltsyra utvecklade

en gulgrön gas: klorgas.

KällförteckningTexten är till stor del en bearbetning av följande tre arbeten:

- Anders Lennartson: Periodiska systemet, Studentlitteratur, Lund, 2011.

- Anders Lennartson: Carl Wilhelm Scheele: bryggarsonen som blev världsberömd kemist, Kemivärlden, Nr 4, 2015, sid. 24 – 25.

- Anders Lennartson, Björn Lindeke och Bo Ohlson: Ett kemiskt äventyr – Carl Wilhelm Scheele och hans värld. Apotekarsocieteten, Stockholm 2015.

Uppgifter har även hämtats från John Emsley: Nature’s Building Blocks, Oxford University Press, Oxford, 2001.

INSTITUTIONEN FÖR KEMI OCH MOLEKYLÄRBIOLOGIWWW.CMB.GU.SE

Scheele och hans samtida förstod inte att klor var ett grundämne i modern mening. Eftersom klor bildades genom oxidation av saltsyra trodde man länge att klorgasen innehåller syre. Den som slutligen lyckades slå fast att klor är ett grundämne var den engelske kemisten Sir Humphry Davy. Eftersom ingen lyckats framställa syre från klor, föreslog han år 1810 att klor är ett grundämne. Det skulle ta ett decennium innan alla låtit sig övertygas. Namnet klor kommer av det grekiska ordet chloros, som betyder gröngul och syftar på gasens färg. Det är samma grekiska ord som gett oss ordet klorofyll.

© I

nsti

tuti

onen

för

kem

i och

mol

ekyl

ärbi

olog

i, G

öteb

orgs

uni

veri

stet

. 201

9. F

oto

fram

sida

: © S

hutt

erst

ock.