تعریف کلر و تاریخچه آن

کلر چیست؟ نگاهی اجمالی به جایگاه این عنصر در جدول تناوبی

کلر با نماد شیمیایی Cl و عدد اتمی 17 ، یک هالوژن با رنگ زرد- سبز کم‌ رنگ و بویی تند و زننده است. این گاز دی‌ اتمیک (Cl₂) با واکنش ‌پذیری بسیار بالا به دلیل داشتن هفت الکترون در لایه ظرفیتش تمایل به گرفتن یک الکترون دیگر برای رسیدن به پایداری مشابه گازهای نجیب دارد.

این ویژگی کلر را به عنصری حیاتی در صنایع مختلف به ویژه در تصفیه آب و تولید مواد شیمیایی گوناگون تبدیل کرده است. کلر دارای 9 ایزوتوپ است که تنها ایزوتوپ‌ های با عدد جرمی 35، 37 و 36 پایدار هستند. نقطه جوش آن - 34.04 درجه سانتی ‌گراد و جرم اتمی آن 35.453 گرم بر مول است.

ریشۀ واژۀ کلر و ارتباط آن با ویژگی ‌های ظاهری این عنصر

واژه کلر (Chlorine) از واژه یونانی chloros به معنای سبز مایل به زرد گرفته شده است. این نامگذاری به دلیل رنگ سبز مایل به زرد گاز کلر در حالت آزاد است. در واقع هنگامی که کلر به صورت عنصری (گاز Cl₂) وجود دارد این رنگ متمایز را از خود نشان می ‌دهد. که سبب انتخاب این نام برای آن شده است. این رنگ به دلیل جذب و نشر نور توسط مولکول ‌های کلر در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیسی ایجاد می ‌شود.

بنابراین ریشه واژه کلر به طور مستقیم به رنگ ظاهری این عنصر در حالت گازی اشاره دارد. که یک ویژگی قابل مشاهده و شاخص برای شناسایی آن است. این رنگ سبز مایل به زرد یکی از اولین و برجسته ‌ترین ویژگی‌ هایی بود. که شیمیدانان هنگام کشف و مطالعه این عنصر به آن پی بردند.

کشف کلر: از تجربه ‌های کارل ویلهلم شیله تا شناخت کامل همفری دیوی

شیله در سال 1774 طی آزمایش ‌هایی با پیرولوزیت (دی‌اکسید منگنز) و اسید هیدروکلریک ، گازی با رنگ زرد- سبز تولید کرد. که آن را اسید مورایتیک دی ‌فلوژستیک نامید. او متوجه برخی از خواص این گاز مثل خاصیت سفید کنندگی و توانایی آن در واکنش با فلزات شد اما ماهیت عنصری آن را تشخیص نداد. شیله معتقد بود که این گاز نوعی ترکیب اکسیژن ‌دار است.

زیرا آن زمان نظریه فلوجستون در علم شیمی بسیار رواج داشت و اکسیژن به تازگی کشف شده بود. همفری دیوی در سال 1810 پس از آزمایش ‌های دقیق و تکرارپذیر بر روی گاز کشف‌ شده توسط شیله نشان داد. که این گاز در واقع یک عنصر شیمیایی است و نه یک ترکیب . او توانست ثابت کند که این گاز هیچگونه اکسیژنی در ترکیب خود ندارد. و به همین دلیل آن را کلرین (Chlorine) نامید ، که برگرفته از واژه یونانی chloros به معنای سبز مایل به زرد است.

دیوی با استفاده از روش ‌های الکترولیز موفق به جداسازی کلر به صورت خالص شد و به این ترتیب ماهیت عنصری آن را به طور قاطع اثبات کرد و کشف آن را به نام خود ثبت کرد. اگرچه شیله به طور تصادفی با کلر مواجه شد و برخی از خواص آن را تشخیص داد اما این همفری دیوی بود. که با آزمایش ‌های دقیق و تفکر علمی ، ماهیت عنصری آن را کشف و نامگذاری کرد و به شناخت کامل آن کمک کرد.

تاریخچۀ استفاده از کلر در صنایع شیمیایی و نقش آن در توسعه صنعتی

استفاده صنعتی از کلر پس از کشف ماهیت عنصری آن توسط همفری دیوی در سال 1810 آغاز شد. در ابتدا کاربرد اصلی آن در تولید سفیدکننده ‌ها برای صنایع نساجی و کاغذسازی بود. زیرا خاصیت اکسیدکنندگی قوی کلر امکان سفید کردن پارچه ‌ها و کاغذ ها را فراهم می‌کرد. به مرور زمان و با شناخت بیشتر خواص آن کاربرد کلر در گندزدایی آب آشامیدنی و فاضلاب نیز گسترش یافت و تأثیر شگرفی بر بهداشت عمومی و کاهش بیماری ‌ها داشت.

با پیشرفت علم شیمی و فناوری کلر به ماده اولیه ‌ی تولید طیف وسیعی از ترکیبات کلردار تبدیل شد. که تحول عظیمی در صنایع مختلف و افزایش میزان خرید پودر کلر ایجاد کرد. از جمله این ترکیبات می ‌توان به حلال ‌ها ، پلاستیک ‌های PVC ، آفت‌کش‌ ها و بسیاری از مواد شیمیایی صنعتی دیگر اشاره کرد. این کاربردهای گسترده به افزایش تولید ، ایجاد صنایع جدید و بهبود کیفیت زندگی کمک شایانی نمود.

کلر در جنگ ‌ها و کاربردهای نظامی: مرور تاریخی تا قوانین بین ‌المللی

استفاده از کلر به عنوان سلاح شیمیایی در جنگ جهانی اول با حمله گاز کلر آلمان در ایپر در سال 1915 آغاز شد. و سبب تلفات گسترده و واکنش بین ‌المللی شد. این واقعه به همراه استفاده از دیگر سلاح‌ های شیمیایی در طول جنگ ، به تصویب پروتکل ژنو در 1925 منجر شد که استفاده از سلاح ‌های شیمیایی را ممنوع اعلام می کرد. با وجود این استفاده محدود از سلاح‌ های شیمیایی در جنگ جهانی دوم و سایر درگیری ‌ها ادامه یافت.

به دنبال این تجارب تلخ ، کنوانسیون سلاح‌ های شیمیایی (CWC) در سال 1997 به تصویب رسید. و سازمان منع سلاح‌ های شیمیایی (OPCW) برای نظارت بر اجرای آن تشکیل شد. CWC تولید ، ذخیره‌ سازی و استفاده از سلاح ‌های شیمیایی را به طور کامل ممنوع اعلام کرد هرچند استفاده از کلر در مصارف صنعتی و غیرنظامی تحت شرایط خاص همچنان مجاز است.

پیشرفت ‌های فناورانه در کشف خواص کلر و تأثیر آن بر علوم شیمی

پیشرفت ‌های فناورانه نقش محوری در کشف و درک خواص کلر داشته ‌اند. توسعه روش ‌های الکترولیز در اواخر قرن 18 و اوایل قرن 19 به ‌ویژه توسط همفری دیوی امکان جداسازی و شناسایی کلر به عنوان یک عنصر را فراهم کرد. بهبودهای بعدی در تکنیک ‌های طیف ‌سنجی نظیر طیف‌ سنجی جرمی به تعیین دقیق جرم اتمی و شناسایی ایزوتوپ ‌های کلر کمک شایانی نمود.

پیشرفت در روش ‌های کروماتوگرافی نیز جداسازی و شناسایی ترکیبات کلردار پیچیده را ممکن ساخت . این پیشرفت ‌ها در کنار توسعه روش‌ های سنتز شیمیایی و راکتورهای صنعتی زمینه را برای تولید انبوه ترکیبات کلردار و استفاده گسترده از آن‌ ها در صنایع مختلف فراهم آورد. با پیشرفت ابزارهای تحلیلی درک ما از خواص شیمیایی کلر نیز ارتقاء یافت.

طیف ‌سنجی مادون قرمز (IR) و طیف‌ سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ‌ای (NMR) اطلاعات ارزشمندی در مورد ساختار و پیوندهای شیمیایی ترکیبات کلردار ارائه دادند. مدل ‌سازی کامپیوتری نیز به پیش ‌بینی خواص ترکیبات جدید و بهینه ‌سازی فرآیندهای شیمیایی کمک می‌کند. این پیشرفت ‌ها نه تنها به درک عمیق‌ تر از رفتار شیمیایی کلر سبب شده بلکه در گسترش شاخه ‌های مختلف علوم شیمی از جمله شیمی آلی ، معدنی و فیزیک نقش مهمی داشته است.

جایگاه کلر در صنایع پتروشیمی و تولید پلیمرهای کلردار

کلر در صنایع پتروشیمی و تولید پلیمرهای کلردار نقشی حیاتی و چند وجهی ایفا می ‌کند. این نقش به دلیل واکنش ‌پذیری بالای کلر و توانایی آن در ایجاد پیوندهای قوی با اتم ‌های کربن است. که سبب تولید طیف وسیعی از ترکیبات کلردار با خواص متنوع می ‌شود. این ماده به عنوان یک ماده ‌ی اولیه اساسی در تولید بسیاری از ترکیبات شیمیایی و پلیمرهای کلردار عمل می‌ کند.

واکنش ‌پذیری بالای آن امکان ایجاد پیوندهای قوی با اتم ‌های کربن را فراهم می ‌کند. و سبب تولید طیف وسیعی از ترکیبات می ‌شود. که به عنوان بلوک‌ های سازنده در صنایع مختلف به کار می ‌روند. به عنوان مثال کلر نقش کلیدی در تولید وینیل کلراید (VC) دارد که ماده اصلی برای ساخت پلی ‌وینیل کلراید (PVC) است. همچنین در تولید حلال ‌های کلردار مانند دی‌ کلرومتان (DCM) و کلروفرم (CHCl₃) و همچنین در فرآیندهای کلرزنی هیدروکربن ‌ها برای تولید مواد اولیه‌ ی دیگر به کار می ‌رود.

کلر در سنتز مستقیم و غیرمستقیم طیف گسترده‌ ای از پلیمرهای کلردار نقش دارد. پلی‌ وینیل کلراید (PVC) ، پلی ‌وینیلیدن کلراید (PVDC) و به‌ طور غیرمستقیم در تولید پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) یا تفلون و پلی ‌وینیلیدن فلوراید (PVDF) از مهمترین این پلیمرها هستند. این پلیمرها به دلیل خواص منحصر به فردی مانند مقاومت در برابر خوردگی ، مقاومت در برابر آتش ، عایق حرارتی و الکتریکی و انعطاف‌ پذیری در صنایع مختلفی مانند ساختمان‌ سازی ، خودرو سازی ، بسته‌ بندی ، پوشش‌ ها و عایق‌ ها کاربردهای وسیعی دارند.

سیر تکاملی روش ‌های تولید کلر: از سل‌ های جیوه ‌ای تا فرآیندهای غشایی

دراوایل قرن بیستم سلول ‌های جیوه‌ ای به عنوان روش غالب تولید کلر مورد استفاده قرار می ‌گرفتند. این روش اگرچه راندمان بالایی داشت و سود سوزآور با غلظت بالا تولید می ‌کرد. اما به دلیل استفاده از جیوه و خطر آلودگی زیست ‌محیطی ناشی از انتشار آن ، مورد انتقاد قرار گرفت. مخازن جیوه و امکان نشت آن ، علاوه بر مشکلات زیست ‌محیطی خطرات جدی برای سلامت کارگران نیز به همراه داشت.

در دهه‌ های میانی قرن بیستم سلول ‌های دیافراگمی به عنوان جایگزینی برای سلول ‌های جیوه ‌ای معرفی شدند. این روش ‌ها از یک دیافراگم متخلخل برای جداسازی محصولات استفاده می ‌کردند. و میزان آلودگی جیوه را به طور چشمگیری کاهش دادند. با این حال راندمان سلول ‌های دیافراگمی کمتر از سلول ‌های جیوه‌ ای بود و غلظت سود سوزآور تولیدی نیز پایین ‌تر بود . همچنین اختلاط جزئی محصولات در این روش کیفیت محصول نهایی را تحت تأثیر قرار می‌ داد.

در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن 21 تکنولوژی سلول ‌های غشایی به عنوان روش برتر تولید کلر ظهور کرد. این روش ‌ها از غشاهای تبادل یونی با انتخاب ‌پذیری بالا استفاده می ‌کنند. که جداسازی کامل محصولات را تضمین می‌ کند. سلول‌ های غشایی راندمان بالاتر ، غلظت سود سوزآور بالاتر و آلودگی زیست‌ محیطی بسیار کمتری نسبت به روش ‌های قبلی دارند. به همین دلیل این روش در حال حاضر به عنوان روش غالب در تولید کلر در سطح جهان مورد استفاده قرار می ‌گیرد.

کلر در تصفیه آب: تحولی تاریخی در بهداشت عمومی

قبل از کشف خواص ضدعفونی‌ کنندگی کلر و نحوه استفاده از پودر کلر در استخر در اوایل قرن بیستم بیماری ‌های منتقله از طریق آب مانند وبا و تیفوئید عامل اصلی مرگ و میر در سراسر جهان بودند. روش ‌های تصفیه ‌ آب سنتی مانند ته نشینی و فیلتراسیون نمی‌ توانستند به ‌طور مؤثر میکروارگانیسم‌ های بیماری ‌زا را از بین ببرند. عدم دسترسی به آب آشامیدنی سالم زندگی میلیون ‌ها نفر را تحت الشعاع قرار می‌ داد و مانع از پیشرفت جوامع می ‌شد.

استفاده از کلر به عنوان ضدعفونی ‌کننده‌ی آب ، انقلابی در بهداشت عمومی ایجاد کرد. افزودن مقادیر کنترل ‌شده ‌ی کلر به آب باعث از بین رفتن باکتری ‌ها و ویروس‌ های بیماری ‌زا شده و شیوع بیماری‌ های منتقله از طریق آب را به طور چشمگیری کاهش داد. این امر منجر به افزایش امید به زندگی ، کاهش مرگ و میرکودکان و بهبود کلی سلامت عمومی در سراسر جهان شد.

اگرچه کلرزنی آب مزایای بسیاری داشته است اما چالش ‌هایی نیز وجود دارد. کلر با مواد آلی در آب واکنش داده و ترکیبات جانبی بالقوه مضر مانند تری هالومتان‌ ها تولید می کند. به همین دلیل توسعه ‌ روش ‌های تصفیه‌ ی پیشرفته‌ تر و استفاده از روش ‌های مکمل مانند فیلتراسیون غشایی و UV، به‌ منظور بهینه‌ سازی فرآیند تصفیه و کاهش خطرات احتمالی در حال انجام است.

اهمیت شناسایی و مطالعه ترکیبات کلرینه در تاریخ شیمی آلی

شناسایی و مطالعه ترکیبات کلرینه نقش اساسی در پیشرفت شیمی آلی داشته است. این ترکیبات به عنوان بلوک ‌های سازنده ‌ بسیاری از مواد شیمیایی مهم از داروها و آفت‌کش‌ ها گرفته تا پلاستیک ‌ها و حلال ‌ها مورد استفاده قرار گرفته ‌اند. مطالعه ‌ی واکنش ‌های کلرزنی درک ما را از مکانیسم ‌های واکنش‌ های شیمیایی افزایش داده و به توسعه ‌ روش ‌های جدید سنتز آلی کمک کرده است.

علاوه بر این ویژگی ‌های طیفی منحصر به فرد ترکیبات کلرینه به توسعه و بهبود تکنیک ‌های طیف‌سنجی منجر شده که ابزارهای ضروری در شناسایی و تحلیل مواد آلی هستند. با این حال اهمیت مطالعه ‌ی ترکیبات کلرینه فراتر از کاربردهای آن است.

روندهای جهانی در تولید و مصرف کلر: گذشته و حال

روندهای جهانی در تولید و مصرف کلر نشان دهنده‌ افزایش مداوم در تولید با نوساناتی در نرخ رشد و تغییراتی در الگوهای مصرف است. در اوایل قرن بیستم تولید کلر به طور عمده توسط روش دیافراگم و سلول جیوه ‌ای انجام می ‌شد. با افزایش تقاضا برای ترکیبات کلرینه شده در صنایع مختلف مانند تولید کاغذ ، نساجی و آب آشامیدنی تولید به آرامی افزایش یافت.

پس از جنگ جهانی دوم رشد تولید کلر به طور قابل توجهی تسریع شد به دلیل افزایش تقاضا برای پلاستیک‌ های PVC ، حلال ‌ها و آفت‌کش ‌ها. در این دوره روش‌ های جدید الکترولیز مانند سلول ‌های غشایی توسعه یافتند که کارایی و راندمان را افزایش دادند.

در حال حاضر تولید کلر در سطح جهانی بسیار بالاست و به طور پیوسته در حال افزایش است اگرچه نرخ رشد در دهه‌ های اخیر کمی کاهش یافته است. روش ‌های الکترولیز غشایی به روش غالب تبدیل شده ‌اند و به دلیل راندمان بالاتر و کاهش آلودگی جیوه به تدریج جایگزین روش‌ های قدیمی‌ تر می‌ شوند. مصرف کلر به طور قابل توجهی در صنایع مختلف متمرکز است:

- پلاستیک PVC

- آب آشامیدنی و تصفیه آب

- مواد شیمیایی

- کاغذ و خمیر کاغذ

پیش‌بینی می ‌شود که تولید و مصرف کلر همچنان افزایش یابد اما با نرخ رشد کمتری نسبت به گذشته. افزایش تقاضا در کشورهای در حال توسعه و نیاز به تصفیه ‌ آب باعث افزایش تقاضا خواهد شد.

کلر در صنعت کاغذ و خمیرکاغذ: تحولی در رنگ ‌بری و ضدعفونی

استفاده از کلر در صنعت کاغذ و خمیر کاغذ به طور قابل توجهی در طول زمان تکامل یافته است. در گذشته کلر عنصر کلیدی در فرآیند رنگ ‌بری خمیر کاغذ بود اما نگرانی ‌های زیست ‌محیطی منجر به جستجوی روش ‌های جایگزین شده است. در گذشته استفاده از گاز کلر (Cl₂) به طور مستقیم برای رنگ ‌بری خمیر کاغذ روشی رایج بود. این روش بسیار مؤثر و سریع بود.

اما باعث تولید ترکیبات آلی کلرینه (AOX) از جمله دیوکسین ‌ها و فوران ‌ها می‌ شد که بسیار سمی و پایدار هستند. این مواد شیمیایی به محیط زیست آسیب جدی وارد می کنند و برای سلامتی انسان مضر می باشند. همچنین به جای گاز کلر از ترکیباتی مانند هیپوکلریت سدیم و دی‌اکسید کلر نیز استفاده می شد. اگرچه این ترکیبات کمتر از گاز کلر AOX تولید می ‌کردند اما هنوز هم برخی از ترکیبات خطرناک را به همراه داشتند.

کلر و ترکیبات آن همچنین برای ضدعفونی آب و تجهیزات در کارخانه‌ های کاغذسازی به کار می ‌رفتند. به دلیل نگرانی ‌های زیست‌ محیطی و فشارهای قانونی صنعت کاغذسازی به طور فزاینده ‌ای از روش ‌های جایگزین برای رنگ ‌بری و ضدعفونی استفاده می‌ کند.این روش‌ ها شامل موارد زیر است:

- رنگ‌بری بدون کلر (Elemental Chlorine Free - ECF): در این روش ‌ها از دی ‌اکسید کلر به عنوان ماده‌ اصلی رنگ‌ بری استفاده می ‌شود. دی‌اکسید کلر نسبت به گاز کلر کمتر AOX تولید می ‌کند.

- رنگ ‌بری کاملاً بدون کلر (Totally Chlorine Free - TCF): در این روش از هیچ نوع کلر یا ترکیبات کلرینه استفاده نمی‌ شود. روش‌های TCF از مواد رنگ ‌بر جایگزین مانند اکسیژن ، پراکسید هیدروژن (H₂O₂) ، پراکسیدازها و اوزن استفاده می‌ کنند.

امروزه استفاده از دی ‌اکسید کلر روشی متداول است که میزان مواد جانبی مضر را نسبت به روش ‌های قدیمی ‌تر کاهش می ‌دهد. روش ‌های بدون کلر نیز در حال توسعه و استفاده هستند هرچند ممکن است هزینه ‌ها و زمان فرآیند بیشتر باشد.

با پیشرفت تکنولوژی ، روش ‌های ضدعفونی نیز تغییر کرده‌اند. در حالی که کلر پیشتر در این زمینه هم کاربرد داشت اکنون از روش ‌های جایگزین مانند اشعه ماوراء بنفش و ازن بیشتر استفاده می ‌شود.