Хлорид-ион: свойства, распространение и значение для организма

Введение

Основной анион, присутствующий в морской воде

Ион хлора — это анион (отрицательно заряженный ион) с зарядом Cl−. Хлоридные соли, такие как хлорид натрия, часто растворимы в воде. Это важный электролит, содержащийся во всех жидкостях организма, необходимый для поддержания кислотно-щелочного баланса, передачи нервных импульсов и регулирования потока жидкости внутрь и наружу клеток. Другие примеры ионных хлоридов включают хлорид натрия NaCl, хлорид кальция CaCl2 и хлорид аммония [NH4]Cl. Хлорид также может быть нейтральным атомом хлора, ковалентно связанным одинарной связью с остальной частью молекулы. Например, метилхлорид CH3Cl — это органическое соединение с ковалентной связью C–Cl, в котором хлор не является анионом. Другие примеры ковалентных хлоридов — тетрахлорид углерода CCl4, хлорид сульфурила SO2Cl2 и монохлорамин NH2Cl.

Электронные свойства

Ион хлорида (диаметр 167 пм) значительно больше атома хлора (диаметр 99 пм). У атома хлора слабее удержание валентных электронов, поскольку анион хлорида содержит на один электрон больше. Ион бесцветен и диамагнитен. В водном растворе он обычно хорошо растворим, однако некоторые соли хлоридов, такие как хлорид серебра, хлорид свинца(II) и хлорид ртути(I), растворимы в воде лишь в небольшой степени. В водном растворе хлорид-ион связан с протонной частью молекул воды.

Природная природа

В природе хлорид встречается главным образом в морской воде, концентрация ионов хлорида в которой составляет 19400 мг/л. Меньшие количества, однако при более высоких концентрациях, встречаются в некоторых внутренних морях и в подземных рассольных скважинах, таких как Большое Солёное озеро в штате Юта и Мёртвое море в Израиле. Большинство солей хлорида растворимы в воде, поэтому минералы, содержащие хлорид, обычно встречаются в больших количествах только в засушливом климате или глубоко под землей. К таким минералам, содержащим хлорид, относятся галит (хлорид натрия NaCl), сильвит (хлорид калия KCl), бишофит (MgCl2∙6H2O), карналлит (KCl∙MgCl2∙6H2O) и каинит (KCl∙MgSO4∙3H2O). Он также встречается в минералах, образующихся при испарении, таких как хлорапатит и содалит.

Роль в биологии

Хлорид имеет важное физиологическое значение, включающее регулирование осмотического давления, электролитного баланса и кислотно-щелочного гомеостаза. Хлорид присутствует во всех жидкостях организма и является наиболее распространенным внеклеточным анионом, составляющим около трети тоничности внеклеточной жидкости. Хлорид – важный электролит, играющий ключевую роль в поддержании клеточного гомеостаза и передаче потенциалов действия в нейронах. Он может проходить через хлоридные каналы (включая GABAA-рецептор) и транспортироваться транспортерами KCC2 и NKCC2. Обычно (хотя и не всегда) хлорид имеет более высокую концентрацию во внеклеточной среде, что обуславливает отрицательный потенциал обращения (около −61 мВ при 37 °C в клетке млекопитающего). Характерные концентрации хлорида в модельных организмах: в E. coli и дрожжах составляют 10–200 мМ (в зависимости от среды), в клетках млекопитающих – 5–100 мМ, а в плазме крови – 100 мМ. Концентрация хлорида в крови называется хлоридами сыворотки и регулируется почками. Ион хлорида является структурным компонентом некоторых белков, например, фермента амилазы. Благодаря этим функциям хлорид относится к числу необходимых минеральных веществ в рационе (указанных под названием элемента хлор). Уровень хлоридов сыворотки в основном регулируется почками посредством различных транспортеров, расположенных вдоль нефрона. Большая часть хлорида, фильтруемого в клубочке, реабсорбируется как проксимальными, так и дистальными канальцами (преимущественно проксимальными) посредством активного и пассивного транспорта.

Коррозия

Наличие хлоридов, таких как в морской воде, значительно ухудшает условия для возникновения точечной коррозии большинства металлов (включая нержавеющие стали, алюминий и высоколегированные материалы). Коррозия стали, вызванная хлоридами в бетоне, приводит к локальному разрушению защитной оксидной пленки в щелочной среде бетона, что обуславливает последующую локализованную коррозию.

Опасения для окружающей среды

Повышенные концентрации хлорида могут вызывать ряд экологических последствий как в водных, так и в наземных экосистемах. Он может способствовать закислению ручьев, высвобождать радиоактивные металлы из почвы посредством ионного обмена, влиять на смертность и размножение водных растений и животных, способствовать проникновению морских организмов в ранее пресноводные среды и нарушать естественное перемешивание озер. Также было показано, что хлорид натрия изменяет состав микробных видов даже при относительно низких концентрациях. Он может также замедлять процесс денитрификации – микробиологический процесс, необходимый для удаления нитратов и поддержания качества воды, – а также подавлять нитрификацию и дыхание органических веществ.

Примеры и применения

Примером является поваренная соль, которая представляет собой хлорид натрия с химической формулой NaCl. В воде она диссоциирует на ионы Na+ и Cl−. Соли, такие как хлорид кальция, хлорид магния и хлорид калия, имеют разнообразные применения – от медицинских процедур до образования цемента. Примерами хлоридов с ковалентной связью являются трихлорид фосфора, пентахлорид фосфора и тионилхлорид, все три из которых являются реакционноспособными хлорирующими реагентами, используемыми в лабораторной практике.

Качество воды и обработка

Основным применением хлоридов является опреснение, включающее энергоемкое удаление хлоридных солей для получения питьевой воды. В нефтяной промышленности хлориды – это тщательно контролируемый компонент бурового раствора. Повышение концентрации хлоридов в буровом растворе может свидетельствовать о проникновении в высоконапорное соленосное пластовое образование. Также увеличение концентрации может указывать на низкое качество продуктивного песчаника. Хлорид также является полезным и надежным химическим индикатором фекального загрязнения рек и грунтовых вод, поскольку хлорид – это нереакционноспособный растворенный компонент, широко распространенный в сточных водах и питьевой воде. Многие водорегулирующие компании по всему миру используют хлорид для контроля уровня загрязнения рек и источников питьевой воды.

Еда

Хлоридные соли, такие как хлорид натрия, используются для сохранения продуктов питания, а также в качестве питательных веществ или приправ.