Химические свойства
Хлорноватистая кислота
МСТПХ наименование : Хлорноватистая кислота, хлорная (I) кислота, хлоранил, гидроксидохлор
Другие наименования : Гипохлорит водорода, гидроксид хлора, электролизированная вода, электролизируемая окислительная вода, электроактивированная вода
Номер по реестру CAS : 7790-92-3
Молярная масса : 52.46 g/mol
Молекулярная формула : HOCl
Внешний вид : Бесцветный водный раствор
Растворимость в воде : Растворимая
Кислотность : 7.53
Электролиз
В области химии и производства электролиз представляет собой процесс, в котором используется однонаправленный постоянный электрический ток (DC) для запуска определенной химической реакции. Электролиз в промышленных масштабах очень важен, поскольку представляет собой этап получения элементов путем разбивки натуральных источников. Для получения хлорноватистой кислоты можно использовать электролиз хлорида натрия (NaCl) и воды (H2O). Технология электролиза была впервые описана Майклом Фарадеем, издавшим «Законы электролиза» в 1830-х годах. Проведение электрического тока через два электрода в соляном растворе может привести к образованию газообразного хлора, гипохлорита натрия (отбеливателя или NaOCl), хлорноватистой кислоты, гидроксида натрия, водородного газа, озона и иных проявляющихся окислителей.
Ключевым моментом электролиза является взаимообмен атомов и ионов путем удаления или же добавления электронов из внешней цепи. Электрический потенциал подается на пару электродов, погруженных в электролит. Каждый электрод притягивает разнозаряженные ионы. Положительно заряженные ионы (катионы) движутся к отрицательному (катоду). Отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к положительному (аноду). В химии потеря электронов называется окислением, а их увеличение – восстановлением.
Например, первым шагом в процессе получения хлорноватистой кислоты является электролиз соляного раствора для получения газообразных водорода и хлора. Эти газообразные элементы пузырятся в процессе электролиза и собираются воедино.
2 NaCl(s) + 2 H20(l) → 2 NaOH(aq) + H2(g) + Cl2(g)
Технология мембранных ячеек
Ионообменная мембрана изготовлена из полимера, который позволяет пропускать через нее положительные ионы. Это означает, что через мембрану могут проходить только ионы натрия из раствора хлорида натрия, но никак не ионы хлорида. Преимущество данного метода заключается в том, что раствор гидроксида натрия, образующийся в правом отсеке, никогда не смешается с раствором хлорида натрия. Используемый раствор хлорида натрия должен быть чистым. Если он будет содержать в себе ионы любых других металлов, то они также пройдут через мембрану и таким образом загрязнят раствор гидроксида натрия.
На катоде выделяется водород :
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
На катоде выделяется гидроксид натрия :
Na+(aq) + OH-(aq) → NaOH(aq)
Хлор выделяется на аноде :
2Cl-(aq) - 2e- → Cl2(g)
Он имеет небольшую примесь кислорода из-за произошедшей реакции :
4OH-(aq) - 4e- → 2H2O(l) + O2(g)
Добавление хлора в воду дает и хлористоводородную кислоту (HCl), и хлорноватистую кислоту (HOCl) :
Cl2(g) + H2O ⇌ HOCl(aq) + HCl(aq)
Cl2(g) + 4 OH− ⇌ 2 ClO-(aq) + 2 H2O(l) + 2 e−
Cl2(g) + 2 e− ⇌ 2 Cl-(aq)
Величина рН определяет наличие свободного хлора в водных растворах. При 5<рН>6 хлор представляет собой около 100% хлорноватистой кислоты (HOCl). Когда рН опускается ниже 5, хлор начинает превращаться в Cl2 (газообразный). При 6<рН он становится ионом гипохлорита натрия (OCl-).
Хлорноватистая кислота довольно слабая (pKa составляет всего около 7,5). Это означает, что она медленно разлагается в ионы водорода и гипохлорита, как указано в уравнении: : HOCl ⇌ H+ + OCl-
Когда уровень pH находится между 6,5 и 8,5, разложение является неполным и, в некоторой степени, присутствуют как HOCl, так и OCl-вид. Когда уровень рН ниже 6,5, HOCl не проявляется вообще, а при уровне выше 8,5 происходит полное разложение до OCl.
Поскольку гермицидные эффекты HOCl намного выше, чем у OCl, предпочтительным является хлорирование при более низком рН. Гермицидная эффективность хлорноватистой кислоты (HOCl) намного выше, чем у иона гипохлорита натрия (OCl-). Как упомяналось выше, распределение видов хлора между HOCl и OCl- определяется посредством рН.
Поскольку HOCl доминирует при низком рН, то и само хлорирование обеспечивает более эффективную дезинфекцию именно при низком рН. При высоком рН доминирует OCl, что приводит к снижению эффективности дезинфекции.
Обеззараживание бактерий
Хлор является чрезвычайно эффективным дезинфицирующим средством для борьбы с бактериями. Исследования, проведенные в 1940-х годах, проанализировали уровни обеззараживания по времени для кишечной палочки, синегнойной палочки, сальмонеллы брюшного тифа и дизентерийной палочки (Butterfield et al., 1943). Результаты показали, что HOCl более эффективна для борьбы с указанными бактериями, нежели OCl. Это было подтверждено несколькими исследователями, которые пришли к выводу, что при борьбе с бактериями HOCl в 70-80 раз эффективнее, чем OСl (Culp/Wesner/Culp, 1986). С 1986 года были опубликованы сотни публикаций, подтверждающих превосходство HOCl над OCl- (посетите базу данных исследований ).
Самая большая проблема заключалась в том, чтобы вместо газообразного хлора или гипохлорита натрия создать хлорноватистую кислоту при почти нейтральном рН, и добиться стабильных результатов. Хлорноватистая кислота является метастабильной молекулой. Она постоянно стремится вернуться в соляной раствор или превратиться в гипохлорит.
Технология отдельных ячеек
Одним из самых больших достижений является разработка технологии отдельных ячеек, в которой образуется единый поток свободного хлора без побочного продукта гидроксида натрия (NaOH). Эта технология привела к получению более устойчивых растворов хлорноватистой кислоты и позволила обеспечить больший контроль над уровнем pH в свободном хлоре. Поскольку уровень рН различается в зависимости от источника во всем мире, изменение его показателей в растворе позволяет обеспечить больший контроль и объем образования свободного хлора между уровнями рН 5 и 7, в котором преобладает хлорноватистая кислота (HOCl).
Анодная реакция :
2Cl-(l) → Cl2(g) + 2e-
Катодная реакция :
2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH- (aq)
Получение свободного хлора :
Cl2 (g) + H2O → HOCl + HCl
Cl2 (g) + 2OH-(aq) → OCl- (aq) + Cl-(aq) + H2O(l)
