تاریخچه کشف کلر و تحولات تاریخی آن

مقدمه ‌ای بر عنصر کلر

کلر عنصری با هویتی دوگانه هم عامل مرگبار در میدان ‌های جنگ و هم ستون فقرات صنایع مدرن ، داستان پیچیده ‌ای دارد. که از دل آزمایشگاه‌ های اولیه ‌ی شیمی بیرون آمده است. قبل از شناخت رسمی آن به عنوان یک عنصر مجزا نشانه ‌های حضورش در ترکیب‌ های شیمیایی مختلف به ‌صورت غیرمستقیم توسط دانشمندان قرون گذشته مشاهده شده بود. اما این کارل ویلهلم شیله بود که با آزمایش ‌های دقیق و شجاعانه‌ اش در اواخر قرن هجدهم پرده از راز این گاز زرد-سبز رنگ برداشت و به جهانیان عنصری جدید را معرفی کرد.

شناخت کامل خواص و قابلیت‌ های کلر سال‌ ها زمان برد. از نقش اولیه ‌ آن در سفیدسازی پارچه و ضدعفونی تا جایگاه تعیین ‌کننده‌ اش در انقلاب صنعتی و تولید انبوه مواد پلاستیکی ، کلر تحولاتی شگرف را پشت سر گذاشته است. این تحولات همزمان با چالش ‌های اخلاقی و زیست‌ محیطی بوده است. از کاربرد آن به عنوان سلاح شیمیایی مرگبار در جنگ جهانی اول گرفته تا نگرانی ‌های مربوط به اثرات مخرب تولید و مصرف بی ‌رویه‌ی آن بر محیط زیست. مسیر پر فراز و نشیب کلر نه تنها پیشرفت علم شیمی را منعکس می ‌کند بلکه نمادی از دوگانگی فناوری و مسئولیت انسانی است.

تعریف کلر: ویژگی ‌ها و خواص شیمیایی آن

کلر عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۷ و نماد Cl ، در گروه هالوژن‌ ها در جدول تناوبی قرار دارد. به طور طبیعی کلر به صورت مولکول دو اتمی (Cl₂) وجود دارد که گازی زرد-سبز رنگ ، با بوی تند و زننده و خفه کننده است. دمای ذوب و جوش آن به ترتیب ۱۰۱.۵- درجه سانتیگراد و ۳۴.۶- درجه سانتیگراد است. در دمای اتاق کلر گازی سمی و خورنده است که به راحتی در آب حل می ‌شود و محلول اسیدی ضعیفی تشکیل می ‌دهد.

خواص شیمیایی کلر به دلیل الکترونگاتیوی بالای آن بسیار واکنش ‌پذیر است. که نکته بسیار مهمی در خصوصیات شیمیایی و فیزیکی کلر می باشد. کلر تمایل زیادی به گرفتن یک الکترون و تشکیل آنیون کلرید (Cl⁻) دارد. این ویژگی کلر را به یک عامل اکسنده قوی تبدیل می‌ کند که با بسیاری از فلزات و نافلزات واکنش می دهد. واکنش کلر با فلزات ، کلریدهای فلزی را تولید می‌ کند مانند سدیم کلرید (NaCl) ، نمک طعام.

همچنین کلر با بسیاری از ترکیبات آلی واکنش داده و ترکیبات کلر دار تولید می کند. این واکنش ‌پذیری بالا کلر را برای کاربردهای مختلف در صنعت و پزشکی مفید می ‌سازد . با این حال واکنش ‌پذیری بالای کلر نیاز به احتیاط در استفاده از آن دارد. استنشاق کلر حتی در غلظت‌ های کم به سیستم تنفسی آسیب رسانده و در غلظت های بالا کشنده است. به همین دلیل دستورالعمل ‌های ایمنی دقیق در هنگام کار با کلر باید رعایت شوند. این گاز به دلیل اثرات سمی و خورندگی خود به عنوان یک سلاح شیمیایی نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

آغاز تحقیقات درباره کلر: قبل از کشف رسمی

پیش از کشف رسمی کلر در سال ۱۷۷۴ توسط کارل ویلهلم شیله تحقیقاتی صورت گرفته بود که به ‌طور غیرمستقیم به این کشف مهم منجر شد. یکی از پیشگامان این زمینه دانیل رادرفورد بود که در سال ۱۷۷۲ گاز نیتروژن را شناسایی کرد. او در آزمایش ‌های خود با اسید نیتریک با گازی مواجه شد که نه اکسیژن بود و نه نیتروژن اما به دلیل عدم امکان تعیین دقیق ماهیت آن به تحقیقات خود ادامه نداد. این گاز در حقیقت مخلوطی از گازهای مختلف از جمله کلر بود . تحقیقات دیگری نیز در ارتباط با واکنش ‌های شیمیایی و تولید گازهای مختلف انجام می ‌شد.

اما شناخت دقیق ماهیت کلر نیازمند توسعه تکنیک‌ های تجزیه و آنالیز دقیق‌ تر گازها بود. شیله با مشاهده تولید گاز زرد-سبز رنگ طی واکنش اسید کلریدریک با پیرولوزیت (دی اکسید منگنز) به کشف کلر رسید. اما حتی او در ابتدا ماهیت واقعی این گاز را درک نکرد. این کشف در واقع نقطه عطف تحقیقات پیشین بود که با مشخص شدن ماهیت عنصری کلر توسط همفری دیوی اهمیت آن به طور کامل آشکار گردید. بنابراین می ‌توان گفت کشف کلر نتیجه‌ ی تکامل تدریجی درک علمی از گازها و پیشرفت روش‌ های شیمیایی در اواخر قرن هجدهم است.

کشف کلر توسط شناخته‌ شده‌ ترین شیمیدان ‌ها

اگرچه بسیاری از شیمیدانان قرن ۱۸ میلادی با کلر در آزمایش ‌های خود مواجه شدند ولی هیچ‌ کدام آن را به عنوان یک عنصر جدید شناسایی نکردند. کارل ویلهلم شیله شیمیدان سوئدی اولین کسی بود که در سال ۱۷۷۴ کلر را در حین آزمایش با پیرولوزیت (دی‌اکسید منگنز) و اسید مورایتیک (اسید هیدروکلریک) تولید کرد. او گاز زرد-سبز رنگی را مشاهده کرد که بویی تند و زننده داشت و خاصیت سفیدکنندگی نیز از خود نشان می ‌داد. با این حال شیله این گاز را به اشتباه به ‌عنوان ترکیبی از اسید مورایتیک و اکسیژن در نظر گرفت.

هنری دیوی شیمیدان انگلیسی در سال ۱۸۱۰ با تکرار آزمایش‌ های شیله و تحلیل دقیق ‌تر ویژگی ‌های گاز تولید شده ثابت کرد که این ماده یک عنصر شیمیایی جدید و مستقل است. آزمایش‌ های دیوی نشان داد که این گاز نمی‌ تواند به مواد ساده‌ تر تجزیه شود و با واکنش با فلزات نمک‌ های کلرید را تشکیل می ‌دهد. او این عنصر جدید را کلر نامید از واژه یونانی chloros به معنی زرد-سبز . بنابراین اگرچه شیله به طور غیرمستقیم به کشف کلر کمک کرد اما این دیوی بود که با آزمایش ‌های دقیق و تحلیل ‌های علمی ماهیت واقعی این عنصر را کشف و آن را به عنوان یک عنصر مستقل معرفی نمود. کشف کلر انقلابی در شیمی به وجود آورد و به فهم بهتر عنصرها و واکنش‌ های شیمیایی کمک شایانی کرد.

واکنش‌ ها و تجربیات ابتدایی در آزمایشگاه

واکنش‌ های ابتدایی کشف کلر اغلب به ‌صورت غیرعمدی و بدون درک کامل ماهیت ماده ‌ تولید شده انجام می‌ شدند. کارل ویلهلم شیله در سال ۱۷۷۴ در حین آزمایش با پیرولوزیت (MnO₂) و اسید مورایتیک (HCl) به ‌طور اتفاقی گازی زرد-سبز رنگ با بوی تند و زننده تولید کرد. او این گاز را هوای دود شده نامید و تصور می‌ کرد که نوعی ترکیب اکسیژن‌ دار است نه یک عنصر مستقل. واکنش شیله در واقع اکسیداسیون یون کلرید (Cl⁻) به کلر مولکولی (Cl₂) بود: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂.

این واکنش گرچه به کشف کلر منجر شد اما درک کامل آن سال ‌ها طول کشید. دانشمندان دیگر با استفاده از روش ‌های مشابه این گاز را تولید کردند اما ماهیت آن را به‌ صورت یک عنصر جدید تشخیص ندادند. تحقیقات بعدی به ‌ویژه توسط همفری دیوی با ارائه شواهد تجربی قوی نشان داد که این گاز یک عنصر شیمیایی مستقل است که کلر نامیده می ‌شود. این کشف تحول شگرفی در شیمی ایجاد کرد و زمینه را برای استفاده ‌های گسترده از کلر در صنعت و کاربردهای دیگر فراهم کرد.

نقش کلر در انقلاب شیمیایی قرن ۱۹

کشف کلر توسط کارل ویلهلم شیله در سال ۱۷۷۴ و اثبات ماهیت عنصری آن توسط همفری دیوی در ۱۸۱۰ نقشی محوری در انقلاب شیمیایی قرن نوزدهم ایفا کرد. این کشف درک شیمیایی از پیوندهای شیمیایی و واکنش ‌ها را متحول ساخت. مطالعات بر روی واکنش ‌پذیری بالای کلر و توانایی آن در تشکیل ترکیبات مختلف به گسترش شیمی معدنی کمک شایانی کرد. شناسایی کلریدها به عنوان یک دسته مهم از ترکیبات زمینه را برای کشف و مطالعه‌ ی عناصر و ترکیبات جدید هموار نمود . همچنین کشف کلر توسعه ‌ی نظریه ‌های اتمی و مولکولی را سرعت بخشید.

مطالعه‌ رفتار کلر در واکنش‌ ها به شیمیدانان در درک بهتر پیوندهای یونی و کووالانسی کمک کرد. این پیشرفت‌ ها به تبیین دقیق ‌تر قوانین بنیادی شیمی و پیش ‌بینی واکنش ‌ها منجر شد. علاوه بر این کاربرد کلر در صنایع به ویژه در سفیدسازی پارچه و تصفیه آب باعث پیشرفت‌ های قابل توجهی در فناوری و بهداشت عمومی گردید. این کاربردها تقاضا را برای تولید کلر افزایش داد و محرک توسعه ‌ی روش‌ های تولید صنعتی آن بود. کشف کلر نه تنها درک مفاهیم بنیادی شیمی را ارتقا داد بلکه به پیشرفت صنایع و بهداشت عمومی نیز کمک کرد و به عنوان یک عامل محرک در انقلاب شیمیایی قرن نوزدهم شناخته می‌ شود.

کلر و کاربردهای اولیه در صنعت

کشف کلر در اواخر قرن هجدهم به سرعت منجر به کاربردهای صنعتی آن شد. در ابتدا خاصیت سفیدکنندگی قوی کلر انقلابی در صنعت نساجی ایجاد کرد. روش‌ های سنتی سفید کردن پارچه ‌ها طولانی و پرهزینه بودند ولی کلر با اکسیداسیون رنگدانه ‌ها به ‌سرعت و با هزینه‌ ی کمتر پارچه ‌ها را سفید می‌ کرد. این امر به افزایش تولید و کاهش هزینه‌ ها در صنعت نساجی منجر شد. با شناخت بیشتر خواص ضدعفونی ‌کنندگی کلر کاربردهای آن به صنایع دیگر نیز گسترش یافت. تولید مواد ضدعفونی ‌کننده و پاک ‌کننده ‌ها یکی از مهمترین این کاربردها بود.

کلر و ترکیبات آن مانند هیپوکلریت سدیم (آب ژاول) به ‌عنوان مواد ضدعفونی‌ کننده ‌ی قوی در مصارف خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار گرفتند. این امر به بهداشت عمومی و کاهش بیماری‌ های عفونی کمک شایانی کرد. کاربردهای دیگر کلر در صنایع کاغذسازی و آبکاری نیز مورد توجه قرار گرفت. در صنعت کاغذسازی کلر برای سفید کردن خمیر کاغذ استفاده می ‌شد و در صنعت آبکاری در فرآیند تولید برخی فلزات به‌ کار برده می ‌شد. در مجموع استفاده اولیه از کلر در صنعت انقلابی در صنایع مختلف ایجاد کرد و تاثیر شگرفی بر بهداشت عمومی و کیفیت محصولات داشت.

تأثیر کشف کلر در پزشکی و بهداشت عمومی

پیش از کشف کلر بیماری ‌های عفونی ناشی از آب آلوده و عدم بهداشت مرگ و میر بالایی داشتند. کاربرد کلر در تصفیه آب آشامیدنی انقلابی در کنترل بیماری ‌های آب ‌زاد مانند وبا و تیفوئید ایجاد کرد. افزودن کلر به آب ، باکتری ‌ها و ویروس ‌های بیماری ‌زا را از بین برده و از شیوع این بیماری‌ ها جلوگیری می ‌کند. این روش ساده و کم‌ هزینه به طور گسترده در سراسر جهان پذیرفته شد و جان میلیون‌ ها نفر را نجات داد . علاوه بر تصفیه آب کلر و ترکیبات آن مانند هیپوکلریت سدیم (آب ژاول) در ضدعفونی سطوح ، تجهیزات پزشکی و ابزارهای جراحی به کار می‌ رود. این امر خطر عفونت ‌های بیمارستانی و انتقال بیماری ‌ها را به طور قابل توجهی کاهش داده و خرید کلر کلران سمنان 65 درصد را بیش از پیش حائز اهمیت کرده است.

تحولات علمی پس از کشف کلر: کشف ترکیبات کلریدی

واکنش ‌پذیری بالای کلر منجر به کشف و سنتز طیف وسیعی از ترکیبات کلریدی شد که بسیاری از آنها کاربردهای صنعتی و پزشکی گسترده ای یافته ‌اند . یکی از مهمترین ترکیبات کلریدی ، کلرید سدیم (نمک طعام) است که از زمان ‌های بسیار قدیم شناخته شده و در تغذیه انسان نقش حیاتی دارد. پس از کشف کلر درک ماهیت شیمیایی نمک و اهمیت آن در بیولوژی بهتر شد .کشف و توسعه سایر ترکیبات کلریدی از جمله کلرید کلسیم ، کلرید پتاسیم و کلرید آهن به پیشرفت کشاورزی و صنعت کمک شایانی کرد.

کلرید کلسیم در تولید بتن ، جاده سازی و تصفیه آب کاربرد دارد. کلرید پتاسیم به عنوان کود شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. و کلرید آهن در تصفیه آب و تولید رنگ کاربرد دارد. مطالعات بر روی ترکیبات کلریدی به درک بهتر پیوندهای شیمیایی و واکنش ‌های شیمیایی کمک کرد. توسعه‌ ی روش ‌های جدید سنتز ترکیبات کلریدی به پیشرفت شیمی آلی و معدنی کمک کرده است. مطالعات طیف ‌سنجی و ساختاری ترکیبات کلریدی به توسعه فناوری ‌های جدید در زمینه ‌های مختلف منجر شده است. در مجموع کشف کلر و توسعه ترکیبات کلریدی موجب پیشرفت‌ های قابل‌توجهی در شیمی ، پزشکی ، کشاورزی و صنعت شده است.

نقش کلر در جنگ ‌ها : استفاده از گاز کلر در جنگ جهانی اول

استفاده از کلر در جنگ جهانی اول نقطه عطفی تاریک در تاریخ جنگ ‌افزاری بود. پیش از آن جنگ ‌ها عمدتاً با سلاح ‌های متعارف انجام می‌ شدند ولی جنگ جهانی اول شاهد به‌ کارگیری گسترده سلاح ‌های شیمیایی از جمله گاز کلر بود. این گاز سمی با استنشاق باعث آسیب شدید به ریه ‌ها و سیستم تنفسی شده و به مرگ منجر می‌ شد . آلمان ‌ها در ۲۲ آوریل ۱۹۱۵، در جنگ یپر (Ypres) برای اولین بار از گاز کلر علیه نیروهای متفقین استفاده کردند. این حمله غافلگیرانه موجب تلفات سنگین و وحشت در میان سربازان شد. گاز کلر به دلیل رنگ زرد-سبز خود و بوی تند و زننده ‌اش به راحتی قابل تشخیص نبود و سربازان بی‌ خبر از خطرات آن در معرض این سلاح کشنده قرار گرفتند.

حمله گاز کلر ضمن ایجاد تلفات انسانی موجب ایجاد وحشت و هراس در خطوط مقدم جبهه شد . استفاده از گاز کلر در جنگ جهانی اول نشان دهنده ‌ی یک تغییر بنیادین در ماهیت جنگ بود. این سلاح جدید نه تنها موجب تلفات انسانی می ‌شد، بلکه تاثیر روانی شدیدی بر سربازان و غیرنظامیان می ‌گذاشت. در واکنش به این رویداد طرفین درگیر شروع به توسعه ماسک‌ های گاز و سایر اقدامات دفاعی کردند. اما این اقدامات تنها تا حدی از تلفات جلوگیری می ‌کرد و جنگ شیمیایی همچنان ادامه یافت. استفاده از گاز کلر و سایر سلاح ‌های شیمیایی در جنگ جهانی اول به عنوان یکی از جنایات هولناک علیه بشریت یاد می ‌شود و باعث وضع کنوانسیون‌ های بین ‌المللی برای ممنوعیت استفاده از سلاح‌ های شیمیایی شد ، اگرچه متاسفانه این ممنوعیت همواره رعایت نشده است.

توسعه صنایع شیمیایی و کلر در قرن ۲۰

قرن بیستم شاهد تحول عظیم در صنایع شیمیایی به ویژه در کاربردهای کلر بود. گسترش دانش شیمی و مهندسی شیمی منجر به توسعه فرآیندهای صنعتی کارآمدتر برای تولید کلر و ترکیبات آن شد. این پیشرفت ‌ها زمینه را برای استفاده گسترده از کلر در تولید طیف وسیعی از مواد صنعتی از جمله پلاستیک‌ ها فراهم کرد. کلر عنصر کلیدی در تولید پلی وینیل کلراید (PVC) است ، پلاستیکی همه کاره که به طور گسترده در ساخت لوله‌ ها ، پوشش‌ های کف ، لوازم خانگی و بسیاری از محصولات دیگر استفاده می‌ شود. افزایش تقاضا برای PVC در قرن بیستم سبب افزایش تولید کلر و توسعه‌ ی صنایع مرتبط با آن شد . علاوه بر PVC ، کلر در تولید طیف وسیعی از پلیمرهای دیگر حلال‌ ها ، مواد ضدعفونی‌ کننده و سایر مواد شیمیایی صنعتی مورد استفاده قرار گرفت. کاربردهای جدید کلر به طور مداوم در حال توسعه بودند و صنایع شیمیایی را به سمت تولید محصولات پیچیده تر و متنوع تر سوق دادند.