Chlor (Cl) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Chlor ist ein chemisches Element voller Gegensätze. Als gelbgrünes Gas ist es giftig und stark reaktionsfähig. In Form von Chlorid-Ionen dagegen ist es für Menschen, Tiere und Pflanzen lebensnotwendig. Chlorverbindungen begegnen uns täglich: im Kochsalz, im Trinkwasser, in Kunststoffen, in Arzneimitteln und in zahlreichen industriellen Prozessen. Besonders bemerkenswert ist die Bedeutung von Chlor für die Trinkwasserdesinfektion, durch die weltweit viele wasserbedingte Infektionskrankheiten verhindert werden können. Gleichzeitig erfordern Chlorgas und bestimmte Chlorverbindungen einen verantwortungsvollen Umgang.

Chlor im Periodensystem – die wichtigsten Elementdaten

Was ist Chlor?

Chlor gehört zur 17. Gruppe des Periodensystems, den Halogenen. Sein Name leitet sich vom griechischen Wort chloros ab, das gelbgrün bedeutet. Diese Bezeichnung beschreibt die charakteristische Farbe des elementaren Chlorgases.

Ein Chloratom besitzt sieben Außenelektronen. Ihm fehlt damit nur ein Elektron zur voll besetzten äußeren Elektronenschale. Diese Elektronenstruktur erklärt die hohe Reaktionsfähigkeit des Elements und seine ausgeprägte Neigung, mit vielen Metallen Salze zu bilden.

Elementares Chlor liegt unter gewöhnlichen Bedingungen als zweiatomiges Molekül Cl₂ vor. Das Gas ist etwa zweieinhalbmal so dicht wie Luft und kann sich deshalb in schlecht belüfteten, tiefer gelegenen Bereichen ansammeln.

In der Natur kommt Chlor wegen seiner hohen Reaktivität praktisch nicht elementar vor. Stattdessen findet man es überwiegend chemisch gebunden, besonders als Chlorid-Ion (Cl⁻).

Warum ist Chlor so reaktionsfähig?

Die hohe Reaktivität des Chlors hängt mit seiner Elektronenstruktur zusammen. Chlor besitzt sieben Valenzelektronen und kann durch Aufnahme eines weiteren Elektrons die Edelgaskonfiguration von Argon erreichen.

Mit Metallen bildet Chlor häufig ionische Verbindungen. Ein bekanntes Beispiel ist die Reaktion mit Natrium:

2 Na + Cl₂ → 2 NaCl

Dabei entsteht Natriumchlorid, das gewöhnliche Kochsalz.

Mit Wasserstoff reagiert Chlor unter geeigneten Bedingungen zu Chlorwasserstoff:

H₂ + Cl₂ → 2 HCl

Diese Reaktion kann durch Licht ausgelöst werden und sehr heftig verlaufen. Löst sich Chlorwasserstoff in Wasser, entsteht Salzsäure.

Chlor ist außerdem ein starkes Oxidationsmittel. Es kann Elektronen von vielen anderen Stoffen aufnehmen und dadurch chemische Reaktionen auslösen. Diese Eigenschaft ist unter anderem für seine desinfizierende Wirkung verantwortlich.

Wie wurde Chlor entdeckt?

Die Geschichte des Chlors beginnt im Jahr 1774. Der schwedisch-deutsche Chemiker Carl Wilhelm Scheele untersuchte die Reaktion von Braunstein, einem manganhaltigen Mineral, mit Salzsäure. Dabei entstand ein gelbgrünes Gas mit stechendem Geruch.

Scheele erkannte die ungewöhnlichen Eigenschaften dieses Gases, betrachtete es jedoch noch nicht als eigenständiges chemisches Element. Nach der damals verbreiteten Vorstellung hielt man es für eine sauerstoffhaltige Verbindung.

Erst 1810 gelangte der britische Chemiker Humphry Davy zu der Erkenntnis, dass es sich um ein eigenständiges Element handelt. Er gab ihm den Namen Chlorine, aus dem sich die deutsche Bezeichnung Chlor ableitete.

Die Entdeckung verdeutlicht einen wichtigen Entwicklungsschritt der Chemie: Nicht jeder Stoff, der aus einer chemischen Reaktion hervorgeht, ist zwangsläufig eine Verbindung. Auch neue Elemente mussten zunächst als solche erkannt werden.

Wo kommt Chlor in der Natur vor?

Chlor gehört zu den verbreiteten Elementen der Erdkruste und ist besonders in den Weltmeeren reichlich vorhanden. Dort liegt es überwiegend als Chlorid vor.

Meerwasser enthält durchschnittlich etwa 19 Gramm Chlorid pro Kilogramm Meerwasser, wobei die Konzentration je nach Salzgehalt schwankt. Chlorid ist damit das mengenmäßig wichtigste gelöste Ion des Meerwassers.

Große Chloridmengen befinden sich außerdem in natürlichen Salzlagerstätten. Diese entstanden häufig durch die Verdunstung ehemaliger Meeresbecken.

Wichtige chlorhaltige Minerale sind:

• Halit (NaCl): Steinsalz, ein bedeutender Rohstoff für die chemische Industrie.

• Sylvin (KCl): Kaliumchlorid, unter anderem wichtig für die Düngemittelherstellung.

• Carnallit (KMgCl₃ · 6 H₂O): ein wasserhaltiges Kalium-Magnesium-Chlorid.

• Bischofit (MgCl₂ · 6 H₂O): ein wasserhaltiges Magnesiumchlorid.

Auch in Böden, Grundwasser, Seen und lebenden Organismen kommt Chlor in Form von Chlorid vor.

Chlor und Kochsalz – warum ist die Verbindung so ungefährlich?

Ein besonders anschauliches Beispiel für die Eigenschaften chemischer Verbindungen ist Kochsalz.

Elementares Chlor ist giftig. Elementares Natrium ist ein äußerst reaktionsfreudiges Metall, das mit Wasser heftig reagiert. Zusammen bilden beide Elemente jedoch Natriumchlorid (NaCl), einen stabilen kristallinen Stoff, der in angemessenen Mengen Bestandteil unserer Ernährung ist.

Der Grund liegt darin, dass Natrium und Chlor bei der Salzbildung Elektronen übertragen. Es entstehen positiv geladene Natrium-Ionen (Na⁺) und negativ geladene Chlorid-Ionen (Cl⁻).

Diese Ionen ordnen sich zu einem regelmäßigen Kristallgitter an. Die Eigenschaften des Salzes unterscheiden sich dadurch grundlegend von denen der Ausgangselemente.

Dieses Beispiel zeigt eine zentrale Erkenntnis der Chemie: Die Eigenschaften einer Verbindung lassen sich nicht einfach aus den Eigenschaften ihrer einzelnen Elemente ableiten.

Welche Bedeutung hat Chlor für den menschlichen Körper?

Chlor ist in Form von Chlorid-Ionen ein lebensnotwendiger Mineralstoff.

Chlorid gehört zu den wichtigsten Elektrolyten des menschlichen Körpers. Es trägt dazu bei, den Flüssigkeitshaushalt, den osmotischen Druck und das Säure-Basen-Gleichgewicht zu regulieren.

Gemeinsam mit Natrium- und Kalium-Ionen spielt Chlorid außerdem eine wichtige Rolle bei der elektrischen Erregbarkeit von Nervenzellen und der Funktion von Muskelzellen.

Eine weitere Aufgabe erfüllt Chlorid im Magen. Dort wird es für die Bildung der Magensäure benötigt, deren wesentlicher saurer Bestandteil Salzsäure (HCl) ist.

Magensäure unterstützt die Verdauung und trägt dazu bei, viele mit der Nahrung aufgenommene Mikroorganismen unschädlich zu machen.

Die biologische Bedeutung betrifft somit Chlorid-Ionen, nicht elementares Chlorgas.

Chlor im Trinkwasser – warum wird es zur Desinfektion eingesetzt?

Die Desinfektion von Trinkwasser gehört zu den wichtigsten Anwendungen der Chlorchemie.

Unbehandeltes Wasser kann Krankheitserreger enthalten, darunter bestimmte Bakterien, Viren und Parasiten. Chlor und geeignete chlorhaltige Desinfektionsmittel können viele dieser Mikroorganismen inaktivieren.

Wird Chlor in Wasser eingeleitet, reagiert ein Teil davon mit Wasser:

Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HOCl

Dabei entsteht unter anderem hypochlorige Säure (HOCl). Sie ist ein besonders wirksamer Bestandteil der Desinfektion.

Abhängig vom pH-Wert liegt die hypochlorige Säure teilweise als Hypochlorit-Ion (OCl⁻) vor. Beide Formen werden als freies verfügbares Chlor zusammengefasst, unterscheiden sich jedoch in ihrer Desinfektionswirkung.

Die Wirksamkeit hängt unter anderem von Konzentration, Kontaktzeit, Temperatur, pH-Wert und Wasserzusammensetzung ab.

In der Trinkwasseraufbereitung wird Chlor deshalb kontrolliert und unter Einhaltung gesetzlicher Vorgaben eingesetzt. Nicht jedes Trinkwasser wird dauerhaft gechlort; auch andere Aufbereitungs- und Desinfektionsverfahren kommen zum Einsatz.

Warum riecht es manchmal im Schwimmbad nach Chlor?

Der typische stechende Geruch vieler Schwimmbäder wird häufig als Chlorgeruch bezeichnet. Tatsächlich stammen besonders intensive Gerüche oft von Chloraminen und anderen Reaktionsprodukten.

Chloramine können entstehen, wenn chlorhaltige Desinfektionsmittel mit stickstoffhaltigen Verunreinigungen reagieren, beispielsweise mit Bestandteilen von Schweiß oder Urin.

Insbesondere Trichloramin kann in Hallenbädern die Augen und Atemwege reizen.

Ein starker Schwimmbadgeruch bedeutet deshalb nicht automatisch, dass besonders viel wirksames freies Chlor im Wasser vorhanden ist. Er kann vielmehr auf eine erhöhte Belastung durch bestimmte Desinfektionsnebenprodukte hinweisen.

Eine gute Wasseraufbereitung, ausreichender Wasseraustausch, geeignete Lüftung und gründliches Duschen vor dem Schwimmen helfen, solche Belastungen zu verringern.

Wie wird Chlor industriell hergestellt?

Chlor wird großtechnisch vor allem durch die Chloralkali-Elektrolyse hergestellt.

Als Ausgangsstoff dient eine konzentrierte wässrige Natriumchlorid-Lösung. Durch elektrischen Strom werden chemische Reaktionen an den Elektroden ausgelöst.

Die vereinfachte Gesamtreaktion lautet:

2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

Dabei entstehen drei wichtige Industrieprodukte:

• Chlor (Cl₂)

• Wasserstoff (H₂)

• Natronlauge (NaOH)

In modernen Anlagen wird häufig das Membranverfahren verwendet. Eine spezielle Membran trennt die Reaktionsräume und ermöglicht die kontrollierte Herstellung der Produkte.

Die Chloralkali-Elektrolyse ist ein bedeutender Grundprozess der chemischen Industrie, weil alle drei Produkte in zahlreichen weiteren Herstellungsverfahren benötigt werden.

Wofür wird Chlor verwendet?

Chlor und seine Verbindungen sind für viele industrielle Produktionsketten unverzichtbar. Die Einsatzgebiete reichen von der Wasseraufbereitung bis zur Kunststoffherstellung.

Desinfektion und Wasseraufbereitung

Chlorhaltige Desinfektionsmittel werden zur Behandlung von Trinkwasser, Schwimmbadwasser und in bestimmten hygienischen Anwendungen eingesetzt.

Ihre Wirkung beruht auf der Fähigkeit geeigneter Chlorverbindungen, wichtige Zellbestandteile und biologische Strukturen von Mikroorganismen chemisch zu verändern.

Herstellung von PVC

Eine besonders bekannte Anwendung ist die Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC).

PVC ist ein weitverbreiteter Kunststoff, der unter anderem für Rohre, Fensterprofile, Kabelisolierungen und Bodenbeläge verwendet wird.

Seine Polymerketten enthalten Chloratome. Diese beeinflussen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials.

PVC kann je nach Zusammensetzung hart oder flexibel eingestellt werden. Dafür werden unterschiedliche Zusatzstoffe eingesetzt.

Chemische Industrie

Chlor wird als Ausgangsstoff oder Reaktionspartner für die Herstellung zahlreicher Chemikalien benötigt.

Dazu gehören bestimmte Lösungsmittel, Zwischenprodukte, Kunststoffe und Stoffe, die in der pharmazeutischen Industrie weiterverarbeitet werden.

Dabei ist wichtig: Chlor muss nicht im fertigen Produkt enthalten sein. In manchen Synthesen wird es lediglich in einem Zwischenschritt eingesetzt.

Bleichmittel und Reinigungsmittel

Bestimmte Chlorverbindungen, insbesondere Hypochlorite, werden als Bleich- und Desinfektionsmittel verwendet.

Ihre oxidierende Wirkung ermöglicht es, Farbstoffe chemisch zu verändern und bestimmte Mikroorganismen zu inaktivieren.

Chlorhaltige Reiniger dürfen niemals unkontrolliert mit Säuren oder anderen Reinigungsmitteln gemischt werden. Dabei können gefährliche Gase entstehen.

Warum ist Chlorgas gefährlich?

Elementares Chlor ist ein giftiges, stark reizendes Gas.

Beim Kontakt mit feuchten Schleimhäuten reagiert Chlor mit Wasser. Dabei entstehen unter anderem Salzsäure und hypochlorige Säure, die das Gewebe schädigen können.

Mögliche Folgen einer Exposition sind Reizungen von Augen und Atemwegen, Husten und Atembeschwerden. Höhere Konzentrationen können schwere Lungenschäden verursachen und lebensbedrohlich sein.

Da Chlorgas schwerer als Luft ist, kann es sich unter ungünstigen Bedingungen in tiefer gelegenen Räumen oder Senken ansammeln.

Der Umgang mit elementarem Chlor erfordert daher geeignete technische Schutzmaßnahmen, geschlossene Anlagen und wirksame Sicherheitskonzepte.

Chlor und die Umwelt

Chlorverbindungen sind in der Natur weitverbreitet. Ihre Umweltwirkungen unterscheiden sich jedoch erheblich.

Gewöhnliche Chloride wie Natriumchlorid sind natürliche Bestandteile vieler Gewässer. Zu hohe Salzkonzentrationen können allerdings Süßwasserorganismen und Böden belasten.

Einige organische Chlorverbindungen sind besonders langlebig und können sich in der Umwelt anreichern. Andere werden vergleichsweise schnell abgebaut.

Historisch problematisch waren beispielsweise bestimmte chlororganische Pflanzenschutzmittel und Industriechemikalien.

Auch bei der Wasserdesinfektion können unter bestimmten Bedingungen unerwünschte Nebenprodukte entstehen. Deshalb werden die eingesetzten Verfahren und Konzentrationen überwacht und optimiert.

Die Umweltverträglichkeit lässt sich folglich nicht allein daran beurteilen, ob eine Verbindung Chlor enthält. Entscheidend sind ihre konkrete chemische Struktur, ihre Eigenschaften und ihre Freisetzung.

Chlor und die anderen Halogene

Chlor gehört zur Gruppe der Halogene. Zu dieser Elementfamilie zählen außerdem Fluor, Brom, Iod, Astat und das künstlich erzeugte Tenness.

Halogene besitzen sieben Außenelektronen und zeigen deshalb einige gemeinsame chemische Eigenschaften.

Fluor (F) steht direkt über Chlor im Periodensystem. Es ist das elektronegativste Element und unter gewöhnlichen Bedingungen noch reaktionsfreudiger als Chlor.

Brom (Br) steht unter Chlor. Elementares Brom ist bei Raumtemperatur eine rotbraune Flüssigkeit.

Iod (I) ist unter gewöhnlichen Bedingungen ein dunkler Feststoff. Es besitzt unter anderem eine wichtige biologische Bedeutung für die Bildung von Schilddrüsenhormonen.

Innerhalb der Halogengruppe verändern sich die physikalischen Eigenschaften deutlich. Die Schmelz- und Siedetemperaturen steigen im Allgemeinen von Fluor zu Iod.

Fünf interessante Fakten über Chlor

1. Chlor wurde bereits 1774 hergestellt, aber erst 1810 als Element erkannt. Carl Wilhelm Scheele entdeckte das Gas, während Humphry Davy später seine elementare Natur nachwies.

2. Giftiges Chlor und lebenswichtiges Chlorid sind chemisch nicht dasselbe. Erst die chemische Form bestimmt, wie ein Stoff reagiert und welche Wirkung er besitzt.

3. Chlor gehört zu den wichtigsten Elementen der Trinkwasserhygiene. Geeignete Chlorverbindungen können viele Krankheitserreger im Wasser wirksam inaktivieren.

4. Der typische Schwimmbadgeruch stammt häufig von Chloraminen. Ein intensiver Geruch ist daher kein verlässliches Zeichen für besonders viel wirksames freies Chlor.

5. Chlor ist Bestandteil eines der bekanntesten Kunststoffe. Polyvinylchlorid, kurz PVC, wird weltweit für zahlreiche Bau- und Industrieprodukte eingesetzt.

Chlor und andere Elemente im Periodensystem

Chlor steht in der dritten Periode unmittelbar zwischen Schwefel (S) und Argon (Ar). Seine sieben Außenelektronen erklären die große chemische Reaktionsfähigkeit.

Mit Natrium (Na) bildet Chlor das bekannte Kochsalz Natriumchlorid.

Mit Wasserstoff (H) entsteht Chlorwasserstoff, dessen wässrige Lösung als Salzsäure bezeichnet wird.

Mit Sauerstoff (O) bildet Chlor verschiedene Oxide und sauerstoffhaltige Säuren beziehungsweise deren Salze.

Mit Magnesium (Mg) entsteht Magnesiumchlorid (MgCl₂), das unter anderem in natürlichen Salzlagerstätten vorkommt.

Auch Calcium (Ca) bildet mit Chlor eine wichtige Verbindung: Calciumchlorid (CaCl₂), das beispielsweise als Trockenmittel eingesetzt wird.

Eine Übersicht über Chlor, seine Nachbarelemente und die gesamte Halogengruppe bietet das Online-Periodensystem von blume.

Fazit: Chlor zwischen Lebensnotwendigkeit und chemischer Reaktivität

Chlor gehört zu den chemischen Elementen, deren Eigenschaften besonders deutlich von ihrer chemischen Form abhängen.

Als elementares Gas ist Chlor giftig und hochreaktiv. Als Chlorid-Ion ist es dagegen ein unverzichtbarer Bestandteil des menschlichen Körpers und der natürlichen Stoffkreisläufe.

Die technische Bedeutung reicht von der Trinkwasserdesinfektion über die Herstellung von PVC bis zur Produktion zahlreicher Grundchemikalien. Gleichzeitig erfordern Chlorgas und bestimmte Chlorverbindungen einen sorgfältigen Umgang.

Chlor zeigt damit eindrucksvoll, wie aus einem gefährlichen Element durch chemische Bindungen lebenswichtige und technisch nützliche Stoffe entstehen können.

Literatur und wissenschaftliche Quellen

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Insbesondere die Darstellung zu Chlor.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Ergänzende elementkundliche Einordnung.

Wissenschaftliche Referenzquellen

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodensystem und Standardatomgewichte. https://iupac.org/

Royal Society of Chemistry: Periodic Table – Chlorine. https://www.rsc.org/periodic-table/element/17/chlorine

National Institute of Standards and Technology (NIST): Chemische und physikalische Referenzdaten. https://www.nist.gov/

World Health Organization (WHO): Guidelines for Drinking-water Quality. https://www.who.int/

Centers for Disease Control and Prevention (CDC): Informationen zur Wasserdesinfektion und zu Chlor. https://www.cdc.gov/