氯气 (chlorine) 是氯元素形成的一种单质，化学式 $\mathrm{Cl}_2$ 。常温常压下为黄绿色，有强烈刺激性气味的剧毒气体，具有窒息 性，密度比空气大。熔点- $101.00^{\circ} \mathrm{C}$ ，沸点 $-34^{\circ} \mathrm{C}$ 。可溶于水和碱溶液，易溶于有机溶剂（如四氯化碳)，难溶于饱和食盐水。易压缩，可液化为黄绿色的油状液氯。
氯气中混合体积分数为 $5 \%$ 以上的氢气时遇强光可能会有爆炸的危险。氯气具有毒性，主要通过呼吸道侵入人体并溶解在黏 膜所含的水分里，会对上呼吸道䵒膜造成损害。氯气是氯碱工业的主要产品之一，能与有机物和无机物进行取代反应和加成反应 生成多种氯化物，也可用作为强氧化剂。主要用于生产塑料 (如PVC)、合成纤维、染料、农药、消毒剂、漂白剂以及各种氯化物。
自然界中的氯多以Cl-离子的形式存在于矿物或海水中，也有少数氯以游离态存在于大气层中，不过此时的氯气受紫外线经 常会分解成两个氯原子 (自由基)，氯气也是破坏臭氧层的主要单质之一。
氯气的发现
舍勒发现氯气是在1774年，当时他正在研究软锰矿（二氧化锰），当他使软锰矿与浓盐酸混合并加热时，产生了一种黄绿色的气体，他发现这是一种新的气体，并具有刺激性。
舍勒制备出氯气以后，把它溶解在水里，发现这种水溶液对纸张、蔬菜和花都具有永久性的漂白作用；他还发现氯气能与金属或金属氧化物发生化学反应。从1774年舍勒发现氯气以后，到1810年，许多科学家先后对这种气体的性质进行了研究。这期间，氯气一直被当作一种化合物。直到1810年，戴维经过大量实验研究，才确认这种气体是由一种化学元素组成的物质。他将这种元素命名为chlorine，这个名称来自希腊文，有“绿色的”意思。中国早年的译文将其译作“绿气”，后改为氯气
技术发展史
氯气的生产方法经历了漫长的发展过程。1774年，瑞典化学家舍勒用软锰矿（含有二氧化锰) 和浓盐酸作用，首先制得了氯 气，其反应方程式为：
$$4 \mathrm{HCl}(\text { 浓 })+\mathrm{MnO}_2 \triangleq \mathrm{MnCl}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{Cl}_2 \uparrow$$
然而，由于当时还不能够大量制得盐酸，故这种方法只限于实验室内制取氯气。后来，法国化学家贝托雷把氯化钠、软锰矿 和浓硫酸的混合物装入铅蒸馏器中，经过加热制得了氯气，其反应方程式为:
$$2 \mathrm{NaCl}+3 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4(\text { 浓 })+\mathrm{MnO}_2 \triangleq 2 \mathrm{NaHSO}_4+\mathrm{MnSO}_4+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+\mathrm{Cl}_2 \uparrow$$
因为此法原料易得，所以，自1774年舍勒制得氯气到1836年止，人们一直沿用贝托雷发明的方法来生产氯气。
1836年，古萨格发明了一种焦化塔，用来吸收路布蓝法生产纯碱 $\left(\mathrm{Na}_2 \mathrm{CO}_3\right)$ 的过程中排出的氯化氢气体（以前这种含氯化 氢的气体被认为是一种废气，从古萨格开始，才得到了充分利用) 得到盐酸，从此盐酸才成为一种比较便宜的酸，可以广为利 用. 舍勒发明的生产氯气的方法，经过改进，到此时才成为大规模生产氯气的方法。
1868年，狄肯和洪特发明了用氯化铜作催化剂，在加热时，用空气中的氧气来氧化氯化氢气体制取氯气的方法，其反应方程 式为:
$$4 \mathrm{HCl}+\mathrm{O}_2 \frac{\mathrm{CuCl}_2}{\Delta} 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{Cl}_2$$
这种方法被称为狄肯法（地康法）。
上面这些生产氯气的方法，虽然在历史上都起过一定的作用，但是它们与电解法生产氯气相比，无论从经济效益还是从生产 规模上，都大为逊色. 当电解法在生产上付诸实用时，上述生产氯气的方法就逐渐被淘汰了。
电解法的诞生要追溯到1833年。法拉第经过一系列的实验，发现当把电流作用在氯化钠的水溶液时，能够获得氯气，其反应 方程式为:
$$2 \mathrm{NaCl}+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \stackrel{\text {通电 }}{=} 2 \mathrm{NaOH}+\mathrm{H}_2 \uparrow+\mathrm{Cl}_2 \uparrow$$
后来，英国科学家瓦特也发现了这种方法，并在1851年获得了一份关于生产氯气的英国专利。但是由于当时没有实用的直流 发电机以产生足够的电流，所以电解法也只能停留在实验室规模，不能付诸工业生产，而被束之高阁。一直到十九世纪七十至八 十年代，出现了比较好的直流发电机，电解法才得到广泛的应用。从此，氯气的工业生产跨入了一个新纪元。然而当时电解制取 氯气所使用的电极为坔，致使电解得到的氯气、氢气中混有相当多的汖蒸气。这种“坔法制氯”对环境危害很大，所以新的“离子交 换膜法”制取氯气，更环保，更节能。（坔法制氯是制取氯气的主流方法，如2010年中国有46\%的氯气，2000年西欧50.1\%的氯 气都为此法生产的）。
1. 性状：黄绿色、有刺激性气味的气体。
2.熔点 $\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right) ：-101$ (101 kpa)
3.沸点 $\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right)$ : -34.0 (101 kpa)
4.相对密度 (水=1）：1.41（101 kpa, 20°°)
5.相对蒸气密度 (空气=1）：2.5
6.饱和蒸气压 $(\mathrm{kPa}) ： 673\left(20^{\circ} \mathrm{C}\right)$
7. 临界温度 $\left({ }^{\circ} \mathrm{C}\right)$ ： 144
8.临界压力 (MPa) : $7.71$
9.辛醇/水分配系数：0.85
10.溶解性：1体积水在常温下可溶解 2 体积氯气。
物质结构
1.原子结构：氯原子最外层有7个电子，反应中易得到1个电子或共用一个电子对达到稳定结构（共价键）。
2. 分子结构: 氯分子为双原子分子，分子式为 $\mathrm{Cl}_2$ 。
3.摩尔折射率: $11.74$
4.摩尔体积 $\left(\mathrm{cm}^3 / \mathrm{mol}\right): 51.3$
5.等张比容 $(90.2 \mathrm{~K})$ ： $109.0$
6.表面张力（dyne/cm）：20.4
7.极化率 $\left(10^{-24} \mathrm{~cm}^3\right): 4.65$
8.单一同位素质量: $69.937705 \mathrm{Da}$
9.标称质量: $70 \mathrm{Da}$
10.平均质量: $70.906 \mathrm{Da}$
漂白性
氯气具有漂白性，这与它和水的反应有关。
氯气与水反应：Cl₂+H₂O=HCl+HClO
氯气能与水发生歧化反应生成盐酸和次氯酸，而次氯酸具有强氧化性，具有漂白性，同时也有消毒作用。
助燃性
氯气支持燃烧，许多物质都可在氯气中燃烧（除少数物质如木炭等）。
与金属反应
1.与钠的反应: $2 \mathrm{Na}+\mathrm{Cl}_2=2 \mathrm{NaCl}$
现象: 钠在氯气里剧烈燃烧，产生大量的白烟，放热。
2.与铜的反应: $\mathrm{Cu}+\mathrm{Cl}_2=\mathrm{CuCl}_2$
现象: 红热的铜丝在氯气里剧烈燃烧，瓶里充满棕黄色的烟，加少量水后，溶液呈蓝 绿色 (绿色较明显)，加足量水后，溶液完全显蓝色。
3.与铁的反应: $2 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{Cl}_2=2 \mathrm{FeCl}_3$
现象: 铁丝在氯气里剧烈燃烧，瓶里充满棕红色烟，加少量水后，溶液呈黄色。
4.与镁的反应: $\mathrm{Mg}_{\mathrm{C}} \mathrm{Cl}_2=\mathrm{MgCl}_2$
现象: 非常剧烈的燃烧，生成白色的烟。
注: 氯气具有强氧化性，加热下可以与多数金属反应，如金、铂在热氯气中燃烧，而 与Fe、Cu等变价金属反应则生成高价金属氯化物。
常温下，干燥氯气或液氯不与铁反应，只能在加热情况下反应，所以可用钢瓶储存氯 气 (液氯)。
与非金属单质反应
1.与氢气的反应:
$$\mathrm{H}_2+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 光照 }}{=} 2 \mathrm{HCl}$$
现象: 光照条件下 $\mathrm{H}_2$ 与 $\mathrm{Cl}_2$ 迅速反应，瓶内气体变无色，并在瓶口处出现白雾。
$$\mathrm{H}_2+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 点燃}}{=}2 \mathrm{HCl}$$
现象: $\mathrm{H}_2$ 在 $\mathrm{Cl}_2$ 中安静地燃烧，发出苍白色火焰，瓶口处出现白雾。
注：将点燃的氢气放入氯气中，氢气只在管口与少量的氯气接触，产生少量的热；点 燃氢气与氯气的混合气体时，大量氢气与氯气接触，迅速化合放出大量热，使气体急剧膨 胀而发生爆炸。工业上制盐酸使氯气在氢气中燃烧。氢气在氯气中爆炸极限是 $9.8 \% \sim$ $52.8 \%$ 。
现象：产生白色烟雾
注: 在一定条件下，氯气还可与S、Si等非金属直接化合。
2.与磷的反应: $$2 \mathrm{P}+3 \mathrm{Cl}_2(少量) \stackrel{\text { 点燃 }}{=} 2 \mathrm{PCl}_3$$
$$2 \mathrm{P}+5 \mathrm{Cl}_2(\text { 过量 }) \stackrel{\text { 点燃 }}{=} 2 \mathrm{PCl}_5$$
现象：产生白色烟雾
3.与硫的反应: $$2 \mathrm{~S}+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 点燃 }}{=} \mathrm{S}_2 \mathrm{Cl}_2$$
注: 在一定条件下，氯气还可与S、Si等非金属直接化合。
与无机化合物反应
1.与二氧化硫和水反应: $$\mathrm{SO}_2+\mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}=\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4+2 \mathrm{HCl}$$
2. 与碱溶液反应: $$\mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{NaOH}=\mathrm{NaCl}+\mathrm{NaClO}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$
$$2 \mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2=\mathrm{CaCl}_2+\mathrm{Ca}(\mathrm{ClO})_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$
注：上述两反应中， $\mathrm{Cl}_2$ 作氧化剂和还原剂，是歧化反应。
3.与盐溶液反应: $$\mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{FeCl}_2=2 \mathrm{FeCl}_3$$
$$\begin{aligned}& \mathrm{Cl}_2+\mathrm{Na}_2 \mathrm{~S}=2 \mathrm{NaCl}+\mathrm{S} \downarrow \\& \mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{I}^{-}=2 \mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{I}_2 \downarrow \\& \mathrm{Cl}_2+2 \mathrm{Br}{ }^{-}=2 \mathrm{Cl}^{-}+\mathrm{Br}_2\end{aligned}$$
注：中学阶段用来证明氯气非金属性和氧化性比硫强。
4. 与二硫化碳反应: $$\mathrm{CS}_2+3 \mathrm{Cl}_2 \rightarrow \mathrm{CCl}_4+\mathrm{S}_2 \mathrm{Cl}_2$$
注：反应条件为 $90^{\circ} \mathrm{C}$ 到 $100^{\circ} \mathrm{C}$ 。
与有机化合物反应
1.与甲烷的反应: $$\mathrm{CH}_4+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 光照 }}{=} \mathrm{CH}_3 \mathrm{Cl}+\mathrm{HCl}$$
$$\mathrm{CH}_3 \mathrm{Cl}+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 光照 }}{=} \mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}_2+\mathrm{HCl}$$
$$\mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}_2+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 光照 }}{=} \mathrm{CHCl}_3+\mathrm{HCl}$$
$$\mathrm{CHCl}_3+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\text { 光照 }}{=} \mathrm{CCl}_4+\mathrm{HCl}$$
现象: 黄绿色气体消失，容器内壁出现液珠，容器内压强下降。氯气与甲烷反应时，四个反应同时进行。
2.与乙烯的反应: $$\mathrm{CH}_2=\mathrm{CH}_2+\mathrm{Cl}_2 \rightarrow \mathrm{CH}_2 \mathrm{ClCH}_2 \mathrm{Cl}(1,2-二氯乙烷) (加成反应)$$
3.与苯的反应：$$c1ccccc1+\mathrm{Cl}_2 \longrightarrow Clc1ccccc1+\mathrm{HCl}$$
4.与环丙烷的开环反应
$$\Delta+\mathrm{Cl}_2 \stackrel{\mathrm{FeCl}_3}{\longrightarrow} \mathrm{ClCH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}$$
化学工业
化学工业用于生产次氯酸钠、氯化铝、三氯化铁、漂白粉、溴素、三氯化磷等无机化工产品，还用于生产有机氯化物，如氯乙酸、环氧氯丙烷、一氯代苯等。也用于生产氯丁橡胶、塑料及增塑剂。日用化学工业用于生产合成洗涤剂原料烷基磺酸钠和烷基苯磺酸钠等
制环氧丙烷
在氯醇法生产环氧丙烷的过程中，有一步反应是丙烯与次氯酸反应生成氯醇，因此可将氯水用于氯醇化反应中，同时氯水可 部分代替生产所用工艺水。
反应方程式如下:
$$\begin{aligned}& \mathrm{Cl}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}=\mathrm{HClO}+\mathrm{HCl} \\& \mathrm{C}_3 \mathrm{H}_6+\mathrm{HClO}=\mathrm{C}_3 \mathrm{H}_7 \mathrm{ClO} \\& \mathrm{C}_3 \mathrm{H}_7 \mathrm{ClO}+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2=\mathrm{C}_3 \mathrm{H}_6 \mathrm{O}+\mathrm{CaCl}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}\end{aligned}$$
制备氯化铁
此方法利用工业盐酸或酸洗废液与废铁屑反应，生成氯化亚铁溶液，氯化亚铁溶液与废铁屑组成的循环吸收液与氯气发生氧 化还原反应，氯气将 $\mathrm{Fe}^{2+}$ 氧化为 $\mathrm{Fe}^{3+} ， \mathrm{Fe}^{3+}$ 被吸收液中的铁屑还原为 $\mathrm{Fe}^{2+}$ ， $\mathrm{Fe}^{2+}$ 继续与氯气反应，形成循环吸收。
涉及应方程式有：
$$\begin{aligned}& \mathrm{Fe}+2 \mathrm{H}^{+}=\mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_2 \uparrow \\& 2 \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{Cl}_2=2 \mathrm{Fe}^{3+}+2 \mathrm{Cl}^{-} \\& 2 \mathrm{Fe}^{3+}+\mathrm{Fe}=3 \mathrm{Fe}^{2+} 。\end{aligned}$$
制盐酸
工业上制取盐酸时，首先在反应器中将氢气点燃，然后通入氯气进行反应，制得氯化氢气体，反应方程式为：$$H_2+Cl_2=2HCl .$$氯化氢气体冷却后被水吸收成为盐酸。在氯气和氢气的反应过程中，有毒的氯气被过量的氢气所包围，使氯气得到充分反应，防止了对空气的污染。
制聚氯乙烯
重单体制法可分为两种路线，一种是以乙烯为原料的石油路线，即氧氯化法。由石油裂解分离出乙烯，然后用氧气和HCI (裂解副产物）作用生成的 $\mathrm{Cl}_2$ 与乙烯发生氯化反应，生成二氯乙烷，再裂解出氯化氢得氯乙烯。
其总反应方程式为：
$$4 \mathrm{CH}_2=\mathrm{CH}_2+\mathrm{O}_2+2 \mathrm{Cl}_2 \rightarrow 4 \mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl}+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$$
另一种为乙炔电石法。以电石为原料制备乙炔，然后与氯化氢反应制得氯乙烯。
反应方程式为：
$$\mathrm{CaC}_2+2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow 4 \mathrm{CHCH}+\mathrm{Ca}(\mathrm{OH})_2 ;$$
$$\mathrm{CHCH}+\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{CH}_2=\mathrm{CHCl} (反应条件为 \mathrm{HgCl}_2 / \mathrm{C} 120-180^{\circ} \mathrm{C} )。$$
电子工业
在电子工业中，高纯氯气主要用于电子工业干刻、光导纤维、晶体生长和热氧化。
干法蚀刻
干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。
干刻又叫干法蚀刻，是指气固反应，气相产物主要有GaCl2，AsCl2和氢气，使用氯气做等离子蚀刻时，通常采用5%的高纯氯气+95%的氦气。
用氯气氧化降解制备纳米微晶纤维素
中国专利公开了用氯气氧化降解制备纳米微晶纤维素的方法，与水解法制备纳米微晶纤维素相比，氯气氧化降解法利用了氯气水解所产生的次氯酸钠的漂白作用，可以使制得的纳米微晶纤维素光亮、洁白。
氯气还用于大规模集成电路、光纤、高温超导等技术领域
医药工业
氯气常用于制药，常参与含氯有机化合物的合成。如：马来酸氨氯地平片；N-(2-甲基-2,3-二氢-1H-吲哚基)-3-氨磺酰基-4-氯-苯甲酰胺。
其他方面
用于啤酒厂的污水处理
中国专利公布了用氯气对啤酒厂污水进行处理的方法。氯气价格低廉，用量少，消毒可靠，工艺成熟，是自来水公司普遍使用的消毒剂，氯气还可以除臭、除微生物，对生物耗氧量和化学耗氧量去除率也很高，可确保回收水质的稳定，因而比较适合啤酒厂污水的处理。
自来水消毒
自来水常用氯气消毒，1 L水里约通入0.002 g氯气，消毒原理是其与水反应生成了次氯酸，它的强氧化性能杀死水里的病菌。而之所以不直接用次氯酸为自来水杀菌消毒，是因为次氯酸易分解难保存、成本高、毒性较大，则用氯气消毒可使水中次氯酸的溶解、分解、合成达到平衡，浓度适宜，水中残余毒性较少。
去除乙炔中的硫、磷杂质
乙炔气是PVC生产的主要原料。工业乙炔气中，硫、磷是以 $\mathrm{H}_2 \mathrm{S}$ 和 $\mathrm{H}_3 \mathrm{P}$ 气体形式存在的，这2种气体超标，会使生产PVC所用 的催化剂中毒。利用氯水中的$\mathrm{CIO^-}$的强氧化性，对乙炔气进行喷淋洗涤，可除去 $\mathrm{H}_2 \mathrm{S}$ 和 $\mathrm{H}_3 \mathrm{P}$ 。
反应方程式如下：
$$\begin{aligned}& 4 \mathrm{ClO}^{-}+\mathrm{H}_2 \mathrm{~S} \rightarrow \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4+4 \mathrm{Cl}^{-} \\& 4 \mathrm{ClO}^{-}+\mathrm{H}_3 \mathrm{P} \rightarrow \mathrm{H}_3 \mathrm{PO}_4+4 \mathrm{Cl}^{-}\end{aligned}$$
