Sodiul și clorul

Sodiul este un metal alcalin moale, argintiu, foarte reactiv: se taie cu cuțitul, se oxidează rapid în aer și se păstrează sub petrol, ferit de apă. Cu apa formează hidroxid de sodiu și hidrogen: $2Na+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH+{\mathrm{H}}_2\uparrow$. Clorul este un gaz galben-verzui, toxic, cu miros înțepător, mai dens decât aerul. Sodiul și clorul reacționează formând clorura de sodiu, solidă și albă: $2Na+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2NaCl$. Clorul dezinfectează apa potabilă în doze controlate și este materie primă pentru mase plastice, solvenți și înălbitori. Sarea de bucătărie este un compus ionic ale cărui proprietăți diferă de ale sodiului și ale clorului din care provine.

Proprietăți fizice. Sodiul are densitatea $0,97$ g/cm³, mai mică decât a apei, și se topește la $98{}^{\circ }\mathrm{C}$. Fiecare atom de sodiu cedează un electron, iar fiecare atom de clor îl primește; ionii $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ și $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ alcătuiesc rețeaua cristalină a clorurii de sodiu. Clorul are masa molară $71$ g/mol, deci este de $71/29\approx 2,4$ ori mai dens decât aerul și se acumulează în zonele joase.

Exemplu 1, sodiul cu apa. Se introduc $4,6$ g de sodiu în $95,6$ g de apă, cu $M(\mathrm{Na})=23$ g/mol. Reacția este puternic exotermă, iar hidrogenul degajat se aprinde, deci sodiul nu se stinge cu apă.

1. $n(\mathrm{Na})=4,6/23=0,2$ mol.
2. Din ecuație rezultă $0,2$ mol $\mathrm{NaOH}$ și $0,1$ mol ${\mathrm{H}}_2$.
3. $m(\mathrm{NaOH})=0,2\cdot 40=8$ g; $m({\mathrm{H}}_2)=0,1\cdot 2=0,2$ g.
4. Masa soluției este $4,6+95,6-0,2=100$ g, deci concentrația procentuală masică este $8\%$.

Exemplu 2, obținerea clorului și a hidroxidului de sodiu. Prin electroliza soluției apoase de clorură de sodiu se obțin clor, hidrogen și hidroxid de sodiu: $2NaCl+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH+{\mathrm{H}}_2+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$. Din $585$ g de $\mathrm{NaCl}$, cu $M(\mathrm{NaCl})=58,5$ g/mol, randamentul fiind $80\%$ pentru clor:

1. $n(\mathrm{NaCl})=585/58,5=10$ mol.
2. Teoretic se obțin $5$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$, adică $5\cdot 22,4=112$ L.
3. Practic se obțin $112\cdot 0,80=89,6$ L de clor.

Electroliza clorurii de sodiu topite produce sodiu metalic la catod și clor la anod: $2NaCl\to 2Na+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$.

Exemplu 3, clorul cu fierul. Sârma de fier încălzită arde în clor cu fum brun-roșcat, format din clorură de fier(III): $2Fe+3C{\mathrm{l}}_2\to 2FeC{\mathrm{l}}_3$. Pentru $5,6$ g de fier, cu $M(\mathrm{Fe})=56$ g/mol și $M(\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_3)=162,5$ g/mol:

1. $n(\mathrm{Fe})=5,6/56=0,1$ mol.
2. Raportul $\mathrm{Fe}:\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2=2:3$ dă $n(\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2)=0,15$ mol, adică $V=0,15\cdot 22,4=3,36$ L.
3. Se formează $0,1$ mol $\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_3$, adică $m=0,1\cdot 162,5=16,25$ g.

Fierul își schimbă numărul de oxidare de la $0$ la $+3$, iar clorul de la $0$ la $-1$; clorul este oxidantul.

Importanță practică. Clorura de sodiu conservă alimentele, este materie primă pentru $\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ și $\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$ și se folosește iarna pentru topirea gheții; soluția de $0,9\%$ este serul fiziologic. Sodiul metalic servește ca reducător și ca agent de răcire în reactoarele nucleare cu neutroni rapizi, iar vaporii de sodiu dau lumina galbenă a lămpilor stradale. Hidrogenul și clorul din electroliza soluției de sare sunt materii prime pentru acidul clorhidric. Clorul dezinfectează apa de la robinet și piscinele; se manipulează numai în spații ventilate, deoarece irită căile respiratorii. Hipocloritul de sodiu este substanța activă a înălbitorilor și a dezinfectanților de uz casnic. Clorul este materie primă pentru policlorura de vinil (PVC), din care se fac țevi și materiale de construcție, și pentru numeroși solvenți.

Identificare. Ionul $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ colorează flacăra în galben intens. Ionul $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ formează cu azotatul de argint un precipitat alb, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}+\mathrm{A}{\mathrm{g}}^{+}\to \mathrm{AgCl}\downarrow$, insolubil în acid azotic.

Ecuațiile cerute trebuie asociate condițiilor de reacție. Sodiul cu oxigenul formează oxid, $4Na+{\mathrm{O}}_2\to 2N{\mathrm{a}}_2\mathrm{O}$, sau peroxid în exces de oxigen, $2Na+{\mathrm{O}}_2\to \mathrm{N}{\mathrm{a}}_2{\mathrm{O}}_2$. Cu apa rece, din $0,20$ mol sodiu se obțin $0,10$ mol hidrogen, dacă apa este în exces.

Clorul reacționează cu hidrogenul, fierul, cuprul, apa și hidroxidul de sodiu:

• ${\mathrm{H}}_2+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2HCl$, exploziv la lumină;
• $2Fe+3C{\mathrm{l}}_2\to 2FeC{\mathrm{l}}_3$; clorul oxidează fierul până la $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}$;
• $\mathrm{Cu}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to \mathrm{CuC}{\mathrm{l}}_2$;
• $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{HCl}+\mathrm{HClO}$; acidul hipocloros se descompune la lumină și apa de clor înălbește;
• $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2NaOH\to \mathrm{NaCl}+\mathrm{NaClO}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$, la rece.

Clorul deplasează bromul și iodul: $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2NaBr\to 2NaCl+\mathrm{B}{\mathrm{r}}_2$ și $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2+2KI\to 2KCl+{\mathrm{I}}_2$. Distinge reacția de combinare cu metale, deplasarea halogenilor și reacția clorului cu apa sau cu baza.

Exemplu în stilul complementului grupat. Se dau patru afirmații:

1. fierul arde în clor și formează $\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_3$;
2. cuprul arde în clor și formează $\mathrm{CuC}{\mathrm{l}}_2$;
3. clorul se dizolvă parțial în apă și formează acid clorhidric și acid hipocloros;
4. clorul deplasează fluorul din fluorura de sodiu.

Variantele de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte
• D. Numai 4 este corectă
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false

Rezolvare: clorul oxidează fierul până la $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}$ și cuprul până la $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$, deci 1 și 2 sunt adevărate; reacția cu apa dă $\mathrm{HCl}$ și $\mathrm{HClO}$, deci 3 este adevărată; clorul este oxidant mai slab decât fluorul și nu îl deplasează din fluoruri, deci 4 este falsă. Sunt adevărate 1, 2 și 3. Răspuns: A.

Exemplu numeric, cu reactant limitant. Se pun în contact $2,3$ g sodiu și $2,24$ L clor (c.n.).

1. $n(\mathrm{Na})=2,3/23=0,1$ mol; $n(\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2)=2,24/22,4=0,1$ mol.
2. Ecuația $2Na+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2NaCl$ cere $0,05$ mol $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ pentru $0,1$ mol Na, deci sodiul este reactantul limitant.
3. Se formează $0,1$ mol $\mathrm{NaCl}$, adică $5,85$ g; rămân $0,05$ mol clor, adică $1,12$ L.

Greșeli frecvente

• Greșit: $\mathrm{NaCl}$ păstrează proprietățile sodiului metalic și ale clorului gazos.
  Corect: compusul ionic are proprietăți proprii, fiind o sare solidă albă.
• Greșit: $\mathrm{Na}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{NaOH}+{\mathrm{H}}_2$ este o ecuație egalată.
  Corect: $2Na+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH+{\mathrm{H}}_2$.
• Greșit: Un incendiu de sodiu se stinge cu apă.
  Corect: sodiul reacționează violent cu apa și degajă hidrogen inflamabil; se acoperă cu nisip uscat sau cu un stingător pentru metale.
• Greșit: Clorul și fierul formează $\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_2$, fiindcă fierul este metal.
  Corect: clorul este un oxidant puternic și oxidează fierul până la $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{3+}$, deci se formează $\mathrm{FeC}{\mathrm{l}}_3$.

Înainte și după