Гипохлори́т на́трия (на́трий хлорноватистоки́слый, химическая формула — NaOClНесмотря на то, что в настоящей статье используется формула гипохлорита натрия NaOCl (натрий не связан с хлором напрямую), в научной литературе фигурирует как формула NaOCl, так и NaClO, причём последний вариант встречается довольно часто. В настоящей статье использован вариант NaOCl, что связано с подобным написанием формулы в специальной литературе последних лет:
) — неорганическая натриевая соль хлорноватистой кислоты. Тривиальные названия водного раствора соли — «лабарракова вода» или «жавелевая вода»Строго говоря, и «лабарракова вода» и «жавелевая вода» обозначают водные растворы смеси солей (хлорида и гипохлорита), соответственно, натрия и калия, что объясняется технологией производства: их получали, пропуская газообразный хлор через водный раствор гидроксида или карбоната щелочного металла. Вместе с тем, хотя исторически название «жавелевая вода» относилась к гипохлориту калия, на практике (в том числе и в литературе) под этим названием нередко фигурирует и гипохлорит натрия..
Соединение в свободном состоянии очень неустойчиво, обычно используется в виде относительно стабильного пентагидрата NaOCl · 5HO или водного раствора, имеющего характерный резкий запах.
Сильный окислитель, содержит 95,2 % активного хлораПод «активным хлором» понимается количество хлора, выделяющегося при взаимодействии с HCl. В чистом хлоре содержится 100 % «активного хлора». Содержание «активного хлора» в процентах рассчитывается как отношение массы одного моля хлора (70,9 г) к массе искомого вещества, способного при реакции с HCl выделить один моль хлора (74,5 г для NaOCl).. Обладает антисептическим и дезинфицирующим действием. Используется в качестве бытового и промышленного отбеливателя и дезинфектанта, средства очистки и обеззараживания воды, окислителя для некоторых процессов промышленного химического производства. Применяется в медицине в качестве бактерицидного и стерилизующего средства, а также в пищевой промышленности и сельском хозяйстве.
По мнению издания The 100 Most Important Chemical Compounds (Greenwood Press, 2007), гипохлорит натрия входит в сотню самых важных химических соединений.
История открытия В 1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле был открыт хлор. Спустя 11 лет в 1785 году (по другим данным — в 1787 году), другой химик, француз Клод Луи Бертолле, обнаружил, что водный раствор этого газа (см. уравнение (1)) обладает отбеливающими свойствамиДо открытия отбеливающих свойств хлора и его производных отбелка ткани представляла собой весьма трудоёмкий и длительный процесс, часто длившийся до восьми недель. Полотно вымачивали в кислом молоке или пахте, а также долго выдерживали под солнцем. Только в 1756 году была совершена первая попытка применить химическое отбеливание для отбеливания ткани: шведский химик Френсис Хоум предложил использовать слабый раствор серной кислоты, сократив время процедуры до 12 часов..
Cl2 + H2O <=> HCl + HOCl
Небольшое Парижское предприятие Societé Javel, открытое в 1778 году на берегах Сены и возглавляемое Леонардом Альбаном (), адаптировало открытие Бертолле к промышленным условиям и начало выпуск белильной жидкости, растворяя газообразный хлор в воде. Однако получаемый продукт был очень нестабильным, поэтому в 1787 году процесс был модифицирован. Хлор стали пропускать через водный раствор поташа (карбоната калия) (см. уравнение (2)), в результате чего образовывался стабильный продукт, обладающий высокими отбеливающими свойствами. Альбан назвал его «Eau de Javel» («жавелевая вода»). Новый продукт стал моментально популярен во Франции и Англии из-за лёгкости его перевозки и хранения.
Cl2 + 2K2CO3 + H2O -> 2KHCO3 + KOCl + KCl
В 1820 году французский фармацевт Антуан Лабаррак () заменил поташ на более дешёвую каустическую соду (гидроксид натрия) (см. уравнение (3)). Получившийся раствор гипохлорита натрия получил название «Лабарракова вода» (). Он стал широко использоваться для отбеливания и дезинфекции. Реакция протекает в холодном разбавленном растворе:
Cl2 + 2NaOH -> NaCl + NaOCl + H2O
Несмотря на то, что дезинфицирующие свойства гипохлорита были обнаружены в первой половине XIX века, использование его для обеззараживания питьевой воды и очистки сточных вод началось только в конце века. Первые системы водоочистки были открыты в 1893 году в Гамбурге; в США первый завод по производству очищенной питьевой воды появился в 1908 году в Джерси-Сити.
Физические свойства Безводный гипохлорит натрия представляет собой неустойчивое бесцветное кристаллическое вещество. Элементный состав: Na (30,9 %), Cl (47,6 %), O (21,5 %).
Хорошо растворим в воде: 53,4 г в 100 граммах воды (130 г на 100 г воды при 50 °C).
У соединения известно три кристаллогидрата: моногидрат NaOCl · HO — крайне неустойчив, разлагается выше 60 °C, при более высоких температурах — со взрывом. NaOCl · 2,5HO — более устойчив, плавится при 57,5 °C. пентагидрат NaOCl · 5HO — наиболее устойчивая форма, представляет собой бледно-зеленовато-жёлтые (технического качества — белые) ромбические кристаллы (a = 0,808 нм, b = 1,606 нм, c = 0,533 нм, Z = 4). Не гигроскопичен, хорошо растворим в воде (в г/100 граммов воды, в пересчёте на безводную соль): 26 (−10 °C), 29,5 (0 °C), 38 (10 °C), 82 (25 °C), 100 (30 °C). В воздухе расплывается, переходя в жидкое состояние, из-за быстрого разложения. Температура плавления: 24,4 °C (по другим данным: 18 °C), при нагревании (30—50 °C) разлагается.
Плотность водного раствора гипохлорита натрия при 18 °C: 1 % 2 % 4 % 6 % 8 % 10 % 14 % Плотность, г/л 1005,3 1012,1 1025,8 1039,7 1053,8 1068,1 1097,7 18 % 22 % 26 % 30 % 34 % 38 % 40 % 1128,8 1161,4 1195,3 1230,7 1268,0 1308,5 1328,5
Температура замерзания водных растворов гипохлорита натрия различных концентраций: 0,8 % 2 % 4 % 6 % 8 % 10 % 12 % 15,6 % Температура замерзания, °C −1,0 −2,2 −4,4 −7,5 −10,0 −13,9 −19,4 −29,7
Термодинамические характеристики гипохлорита натрия в бесконечно разбавленном водном растворе: стандартная энтальпия образования, ΔH: −350,4 кДж/моль; стандартная энергия Гиббса, ΔG: −298,7 кДж/моль.
Химические свойства
Разложение и диспропорционирование Гипохлорит натрия — неустойчивое соединение, легко разлагающееся с выделением кислорода:
2NaOCl ->[70~^\circ\text{C}] 2NaCl{} + O2
Самопроизвольное разложение медленно происходит даже при комнатной температуре: за 40 суток пентагидрат (NaOCl · 5HO) теряет 30 % активного хлора. При температуре 70 °C разложение безводного гипохлорита протекает со взрывом.
При нагревании параллельно происходит реакция диспропорционирования (дисмутации):
3NaOCl ->[50~^\circ\text{C}] NaClO3{} + 2NaCl
Гидролиз и разложение в водных растворах Растворяясь в воде, гипохлорит натрия диссоциирует на ионы:
NaOCl -> Na+{} + OCl-
Так как хлорноватистая кислота (HOCl) очень слабая (pK = 7,537), гипохлорит-ион в водной среде подвергается гидролизу:
OCl-{} + H2O <=> HOCl + OH-
Именно наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах гипохлорита натрия объясняет его сильные дезинфицирующие и отбеливающие свойства (см. раздел «Физиологическое действие и воздействие на окружающую среду»).
Водные растворы гипохлорита натрия неустойчивы и со временем разлагаются даже при обычной температуре (0,085 % в сутки). Распад ускоряет освещение, ионы тяжёлых металлов и хлориды щелочных металлов; напротив, сульфат магния, ортоборная кислота, силикат и гидроксид натрия замедляют процесс; при этом наиболее устойчивы растворы с сильнощелочной средой (pH > 11).
В сильнощелочной среде (pH > 10), когда гидролиз гипохлорит-иона подавлен, разложение происходит следующим образом:
2OCl- -> 2Cl- + O2
При температурах выше 35 °C распад сопровождается реакцией диспропорционирования (дисмутации):
3OCl- -> 2Cl- + ClO3-
При диапазоне pH от 5 до 10, когда концентрация хлорноватистой кислоты в растворе становится заметной, разложение идёт по следующей схеме:
HOCl + 2OCl- -> ClO3- + 2Cl- + H+
HOCl + OCl- -> O2 + 2Cl- + H+
В кислой среде разложение HOCl ускоряется, а в очень кислой среде (pH < 3) при комнатной температуре наблюдается распад по следующей схеме:
4HOCl -> 2Cl2 + O2 + 2H2O
Если для подкисления используется соляная кислота, в результате выделяется хлор:
NaOCl + 2HCl -> NaCl + Cl2 ^ + H2O
Пропуская через насыщенный водный раствор гипохлорита натрия углекислый газ, можно получить раствор хлорноватистой кислоты:
NaOCl + H2O + CO2 -> NaHCO3 + HOCl
Окислительные свойства Водный раствор гипохлорита натрия — сильный окислитель, вступающий в многочисленные реакции с разнообразными восстановителями, независимо от кислотно-щелочного характера среды.
Основные варианты развития окислительно-восстановительного процесса и стандартные электродные потенциалы полуреакций в водной средеПриведены значения при температуре 25 °C и давлении 1 атм. Величины потенциалов выражены в вольтах по отношению к стандартному потенциалу водородного электрода, принятому при всех температурах за нуль.: в кислой среде:
NaOCl + H+ -> Na+ + HOCl 2HOCl + 2H+ + 2e- -> Cl2 + 2H2O
HOCl + H+ + 2e- -> Cl- + H2O
в нейтральной и щелочной среде:
OCl- + H2O + 2e- -> Cl- + 2OH-
2OCl- + H2O + 2e- -> Cl2 ^ + 4OH-
Некоторые окислительно-восстановительные реакции с участием гипохлорита натрия:
Иодиды щелочных металлов окисляются до иода (в слабокислой среде), иодата (в нейтральной среде) или периодата (в щелочной среде):
NaOCl + 2NaI + H2O -> NaCl + I2 v + 2NaOH 3NaOCl + NaI -> 3NaCl + NaIO3 4NaOCl + NaI -> 4NaCl + NaIO4
сульфиты окисляются в сульфаты, нитриты – в нитраты, оксалаты и формиаты – в карбонаты и т. п.:
NaOCl + K2SO3 -> NaCl + K2SO4 2NaOCl + Ca(NO2)2 -> 2NaCl + Ca(NO3)2 NaOCl + NaOH + HCOONa -> NaCl + Na2CO3 + H2O
Фосфор и мышьяк растворяются в щелочном растворе гипохлорита натрия, образуя соли фосфорной и мышьяковой кислот:
2As + 6NaOH + 5NaOCl -> 2Na3AsO4 + 5NaCl + 3H2O
Аммиак под действием гипохлорита натрия через стадию образования хлорамина, превращается в гидразин (аналогично реагирует и мочевина):
NaOCl + NH3 -> NaOH + NH2Cl NH2Cl + NaOH + NH3 -> N2H4 + NaCl + H2O
См. подробнее подраздел «Производство гидразина».
Соединения металлов с низшими степенями окисления превращаются в соединения с высшими степенями окисления:
NaOCl + PbO -> NaCl + PbO2 2NaOCl + MnCl2 + 4NaOH -> Na2MnO4 + 4NaCl + 2H2O 3NaOCl + 2Cr(OH)3 + 4NaOH -> 2Na2CrO4 + 3NaCl + 5H2O
По аналогии можно осуществить превращения: Fe(II) → Fe(III) → Fe(VI); Co(II) → Co(III) → Co(IV); Ni(II) → Ni(III); Ru(IV) → Ru(VIII); Ce(III) → Ce(IV) и прочие.
Идентификация Среди качественных аналитических реакций на гипохлорит-ион можно отметить выпадение коричневого осадка метагидроксида при добавлении при комнатной температуре испытуемого образца к щелочному раствору соли одновалентного таллия (предел обнаружения 0,5 мкг гипохлорита):
2NaOCl + Tl2SO4 + 2NaOH -> 2TlO(OH) v + 2NaCl + Na2SO4
Другой вариант — иодкрахмальная реакция в сильнокислой среде и цветная реакция с 4,4’-тетраметилдиаминодифенилметаном или n, n’-диокситрифенилметаном в присутствии бромата калия.
Распространённым методом количественного анализа гипохлорита натрия в растворе является потенциометрический анализ методом добавок анализируемого раствора к стандартному раствору (МДА)МДА — метод основан на прибавлении точно измеренного объёма пробы к стандартному раствору определяемого иона, специфически определяемого ионоселективным электродом. или метод уменьшения концентрации анализируемого раствора при его добавлении к стандартному раствору (МУА)МУА — метод основан на прибавлении точно измеренной пробы к раствору, содержащему ион, который стехиометрически взаимодействует с определяемым ионом и специфически определяется ионоселективным электродом. с использованием бром-ионоселективного электрода (Br-ИСЭ).
Также используется титриметрический метод с использованием иодида калия (косвенная иодометрия).
Коррозионное воздействие