cloro

Cl, un elemento chimico nel gruppo VII del sistema periodico di Mendeleev. Numero atomico, 17; peso atomico, 35.453. Un membro della famiglia alogena.

In condizioni normali (0°C e 0,1 meganewton/m2, o 1 chilogrammo-forza/cm2), il cloro è un gas verde giallastro, con un odore pungente e irritante. Si presenta naturalmente sotto forma di due isotopi stabili: 35Cl (75,77%) e 37Cl (24,23%). Un certo numero di isotopi di cloro radioattivi sono stati ottenuti artificialmente, con numeri di massa 32, 33, 34, 36, 38, 39, e 40, che hanno un’emivita di 0.31 sec, 2.5 sec, 1.56 sec, 3.1 × 105 yr, 37.3 min, 55.5 min e 1.4 min, rispettivamente. 36Cl e 38Cl sono usati come traccianti isotopici.

Storia. Il cloro fu ottenuto per la prima volta nel 1774 da K. Scheele per reazione di acido cloridrico con pirolusite (biossido di manganese). Tuttavia, fu solo nel 1810 che H. Davy lo stabilì come elemento e lo chiamò cloro (dal greco chloros, “verde giallastro”). Nel 1813, J. L. Gay-Lussac ha proposto il nome francese chlore per questo elemento da cui deriva il nome russo khlor.

Distribuzione in natura. Il cloro si trova in natura solo come componente di composti. Il contenuto medio di cloro nella crosta terrestre (clarke) è 1,7 × 10-2 per cento in peso. Il contenuto medio nelle rocce ignee acide, come i graniti, è 2,4 × l0-2, e nelle rocce basiche e ultrabasiche, 5 × 10-3. La migrazione dell’acqua svolge un ruolo importante nella storia del cloro nella crosta terrestre. Nella forma dello Cl Cl, il cloro è un componente degli oceani della terra (1.93 per cento), salamoie sotterranee e laghi salati. Ci sono 97 minerali di cloro, principalmente cloruri naturali, il più importante dei quali è alite, NaCl (vedi e SALGEMMA). Numerosi grandi depositi di potassio e di magnesio, cloruri e misto cloruri sono noti: sylvite, KCl, sylvinite, (Na,K, Cl, carnallite, KCl · MgCl2 · 6H2Ó, kainite, KCl · MgSO4 · 3H2O, e bischofite MgCl2 · 6H2O. La migrazione di HCl contenute nei gas vulcanici in porzioni superiori della crosta terrestre era di grande importanza nella storia geologica della terra.

Proprietà fisiche e chimiche. Il punto di ebollizione di cloro è -34.05°C, e il punto di fusione -101°C. La densità del gas di cloro in condizioni normali è di 3.214 g/litro (g/l), mentre la densità del vapore saturo a 0°C è 12.21 g/l. La densità di cloro liquido al suo punto di ebollizione è 1.557 g/cm3, mentre la densità del solido cloro -102°C 1,9 g/cm2. La pressione del vapore di cloro saturo è 0,369 meganewton / m2 (MN/m2), o 3,69 chilogrammi di forza (kgf / cm2), a 0″C, 0,772 MN/m2 (7,72 kgf/cm2) a 25°C e 3,814 MN/m2 (38,14 kgf/cm2) a 100°C. Il calore di fusione è 90,3 kilojoule / kg (kJ/kg), o 21,5 cal/g, mentre il calore di evaporazione è 288 kJ/kg (68,8 cal/g). La capacità termica del gas di cloro a pressione costante è 0,48 kJ/(kg · °K) o 0,11 cal / (g · °C). Le critiche costanti di cloro sono i seguenti: temperatura critica, 144°C; pressione critica a 7,72 MN/m2 (77.2 kgf/cm2); densità critica, 573 g/l; e volume critico, 1.745 × 10–3l/g. La solubilità di cloro a una pressione parziale di 0,1 MN/m2 (1 kgf/cm2) in acqua è di 14,8 g/l a 0°C, 5.8 g/l a 30°C, e 2.8 g/l a 70°C, mentre a 300 g/l soluzione di NaCl, la sua solubilità è 1.42 g/l a 30°C e 0,64 g/l a 70°C.

Sotto 9.6°C in soluzione acquosa, idrati di cloro sono formate con composizione variabile Cl2 · nH2O (dove n varia da 6 a 8), che sono in forma di cristalli giallo di sistema isometrico che si decompongono con l’aumento della temperatura, cloro e acqua. Il cloro è facilmente solubile in TiCl4, SiCl4, SnCl4 e alcuni solventi organici, in particolare esano, C6H14 e tetracloruro di carbonio, CCl4. La molecola di cloro è biatomica (Cl2). Il grado di dissociazione termica di Cl2 + 243 kJ ⇄ 2Cl è 2,07 × 10-4 percento a 1000 ° K e 0,909 percento a 2500 ° K.

La configurazione elettronica esterna dell’atomo di cloro è 3s23p5. Di conseguenza, nei suoi composti, il cloro può avere stati di ossidazione di -1, +1, +3, +4, +5, +6, e + 7. Il raggio covalente dell’atomo di cloro è 0,99 Å, mentre il raggio ionico di Cl-è 1,82 Å. L’affinità elettronica dell’atomo di cloro è 3,65 eV, mentre l’energia di ionizzazione è 12,97 eV.

Chimicamente, il cloro è molto reattivo e si combina direttamente con quasi tutti i metalli (con alcuni metalli, reagisce solo in presenza di umidità o riscaldamento) e con i non metalli (eccetto carbonio, azoto, ossigeno e gas inerti), formando i corrispondenti cloruri. Reagisce con molti composti, sostituisce l’idrogeno in idrocarburi saturi e si combina con composti insaturi. Il cloro sostituisce il bromo e lo iodio dai loro composti con idrogeno e metalli ed è esso stesso sostituito dal fluoro dai suoi composti con questi elementi.

In presenza di piccole quantità di umidità, i metalli alcalini reagiscono con il cloro per combustione. La maggior parte dei metalli reagisce con cloro secco solo dopo il riscaldamento. L’acciaio, così come alcuni metalli, sono stabili in presenza di cloro secco a temperature moderate e quindi vengono utilizzati per la costruzione di attrezzature utilizzate con cloro secco e serbatoi per la conservazione del cloro secco. Il fosforo si accende nel cloro, formando PCl3 e, dopo ulteriore clorazione, PCl5. Lo zolfo reagisce con il cloro per produrre S2Cl2, SCl2 e altri composti con la formula generale SnClm. Arsenico, antimonio, bismuto, stronzio e tellurio reagiscono vigorosamente con il cloro.

Una miscela di cloro e idrogeno brucia con una fiamma verde incolore o giallastra, producendo cloruro di idrogeno mediante una reazione a catena. La temperatura massima di una fiamma idrogeno-cloro è 2200°C. Miscele di cloro e idrogeno contenenti 5,8-88,5 per cento di idrogeno sono esplosivi.

Con l’ossigeno, il cloro forma gli ossidi Cl2O, ClO2, O2O6, Cl2O7 e Cl2O8, così come gli ipocloriti (sali dell’acido ipocloroso), i cloriti, i clorati e i perclorati. Tutti i composti di ossigeno dei perclorati di cloro. Tutti i composti di ossigeno del cloro formano miscele esplosive con composti facilmente ossidabili. Gli ossidi di cloro hanno una bassa stabilità e possono esplodere spontaneamente. Gli ipocloriti dopo lo stoccaggio si decompongono lentamente, mentre i clorati e i perclorati possono esplodere sotto l’azione degli iniziatori.

Il cloro idrolizza in acqua, formando acidi ipoclorosi e cloridrico: Cl2 + H2O HC HClO + HCl. Ipocloriti e cloruri si formano sulla clorazione di soluzioni acquose alcaline fredde: 2NaOH + Cl2 = NaClO + NaCl + H2. I clorati si formano al riscaldamento. La calce clorata è formata dalla clorazione dell’idrossido di calcio secco (vedi).

Il tricloruro di azoto si forma nella reazione tra ammoniaca e cloro. Nella clorazione di composti organici, il cloro sostituisce l’idrogeno, ad esempio RH + Cl2 = RCl + HCl, o si attacca attraverso più legami, ad esempio,

formare vari composti organici contenenti cloro (cloruri organici).

Con altri alogeni, il cloro forma composti interalogeni. I fluoruri ClF, ClF3 e ClF5 sono molto reattivi; ad esempio, la lana di vetro ingnite spontaneamente in presenza di ClF3. Composti di cloro con ossigeno e fluoro includono ossifluoruri di cloro, come ClO3F, ClO2F3, ClOF e ClOF3 e perclorato di fluoro, FClO4.

Produzione. La produzione industriale di cloro fu iniziata nel 1785 sulla base della reazione tra acido cloridrico e biossido di manganese, o pirolusite. Nel 1867 il chimico britannico H. Deacon sviluppò un metodo per la produzione di cloro mediante l’ossidazione di HCl usando ossigeno atmosferico in presenza di un catalizzatore. A cavallo del 20 ° secolo, il cloro era prodotto dall’elettrolisi di soluzioni acquose dei cloruri dei metalli alcalini. Circa il 90-95 per cento della produzione mondiale di cloro è stato ottenuto con questi metodi nel 1970. Piccole quantità di cloro sono ottenuti come sottoprodotto nella produzione di magnesio, calcio, sodio e litio per elettrolisi di cloruri fusi. Nel 1975 la produzione mondiale di cloro era di circa 25 milioni di tonnellate.

I due metodi principali per l’elettrolisi di soluzioni acquose di NaCl sono l’elettrolisi in una cella a diaframma con un catodo solido e l’elettrolisi in una cella a catodo di mercurio. In entrambi i metodi, il gas di cloro viene liberato all’anodo di grafite o all’anodo di ossido di titanio-rutenio. Nel primo metodo, l’idrogeno viene liberato al catodo e si forma una soluzione di NaOH e NaCl, da cui si ottiene la soda caustica commerciale mediante trattamento successivo. Nel secondo metodo, l’amalgama di sodio si forma al catodo. Una soluzione di NaOH, idrogeno e mercurio puro si formano sulla decomposizione dell’amalgama di sodio da acqua pura in un apparato separato. Il mercurio puro formato viene riutilizzato nella produzione. Entrambi i metodi producono 1.125 tonnellate di NaOH per tonnellata di cloro prodotto.

L’elettrolisi in una cella a membrana è un processo meno costoso e produce NaOH più economico. Il metodo del catodo di mercurio consente la produzione di NaOH molto puro, anche se le perdite di mercurio nel corso della produzione inquinano l’ambiente. Nel 1970, 62.il 2 per cento della produzione mondiale di cloro era con il metodo del catodo di mercurio, mentre il metodo che utilizza la cella a diaframma rappresentava il 33,6 per cento e altri metodi il 4,2 per cento. A partire dal 1970, è stata utilizzata l’elettrolisi utilizzando un catodo solido e una membrana a scambio ionico, un metodo che ha reso possibile la produzione di NaOH puro senza mercurio.

Usi. La produzione di cloro è uno dei rami principali dell’industria chimica. La maggior parte del cloro prodotto viene convertito nel sito di produzione in composti contenenti cloro. Il cloro viene immagazzinato e trasportato in forma liquida in serbatoi, cilindri, carri cisterna ferroviari o navi appositamente attrezzate. Il seguente consumo di cloro è caratteristico dei paesi industriali: il 60-75% viene utilizzato per la produzione di composti organici contenenti cloro, il 10-20% per la produzione di composti inorganici contenenti cloro, il 5-15% per lo sbiancamento di polpa e tessuti e il 2-6% per scopi sanitari e clorazione dell’acqua.

Il cloro è anche usato per la clorazione di alcuni minerali al fine di estrarre titanio, niobio e zirconio.

Vari composti organici e inorganici contenenti cloro sono discussi in articoli separati (vedi Indice).

Cloro negli organismi. Il cloro è un elemento biogenico e un componente dei tessuti vegetali e animali. Il contenuto di cloro nelle piante varia da millesimi dell ‘1 percento a diversi percento (gli alofiti contengono grandi quantità di cloro), mentre il contenuto di cloro negli animali varia da centesimi a decimi dell’ 1 percento. Il fabbisogno giornaliero di cloro di un essere umano adulto è di 2-4 g e viene soddisfatto semplicemente con l’ingestione di cibo. Negli alimenti, il cloro è solitamente presente in eccesso sotto forma di cloruro di sodio e cloruro di potassio. Pane, carne e prodotti lattiero-caseari sono particolarmente ricchi di cloro.

Negli organismi animali, il cloro è una delle principali sostanze osmoticamente attive del plasma sanguigno, della linfa, del liquido spinale e di alcuni tessuti. È importante nel metabolismo del sale marino, facilitando la ritenzione di acqua da parte dei tessuti. La regolazione dell’equilibrio acido-base nei tessuti viene eseguita, oltre ad altri processi, da un cambiamento nella distribuzione del cloro tra sangue e altri tessuti.

Nelle piante, il cloro partecipa allo scambio energetico, attivando sia la fosforilazione ossidativa che la fotofosforilazione. Colpisce anche l’assorbimento di ossigeno da parte delle radici ed è necessario per la formazione di ossigeno nella fotosintesi da parte di cloroplasti isolati. Il cloro non è incluso nella composizione della maggior parte dei mezzi nutritivi per la coltivazione di piante artificiali. È possibile che concentrazioni molto basse di cloro siano sufficienti per lo sviluppo delle piante.

Avvelenamento. L’avvelenamento da cloro è possibile nelle industrie chimiche, cartacee, tessili e farmaceutiche. Il cloro irrita le mucose degli occhi e delle vie respiratorie. Le infezioni secondarie di solito seguono i cambiamenti infiammatori primari. L’avvelenamento acuto si sviluppa quasi immediatamente. Tra i sintomi osservati dopo l’inalazione di medie e basse concentrazioni di cloro sono serraggio e dolore al petto, tosse secca, respirazione rapida, sensazione di bruciore agli occhi e lacrimazione, aumento del contenuto di leucociti nel sangue e aumento della temperatura corporea. Sono possibili polmonite bronchiale, edema polmonare tossico, depressione e convulsioni. Nei casi leggeri, il recupero avviene dopo tre o sette giorni. Il catarro del tratto respiratorio superiore e la bronchite ricorrente e la pneumosclerosi sono sequelle a lungo termine; è anche possibile l’attivazione della tubercolosi polmonare. In caso di respirazione prolungata di basse concentrazioni di cloro, si osservano disturbi simili ma a sviluppo lento.

Le misure di sicurezza per prevenire l’avvelenamento da cloro comprendono la sigillatura ermetica delle apparecchiature di produzione, una buona ventilazione e, se necessario, l’uso di maschere antigas. La concentrazione massima ammissibile di cloro nell’aria nei siti di produzione è di 1 mg/m3. La produzione di cloro, calce clorata e altri composti contenenti cloro è considerata potenzialmente dannosa e di conseguenza la legge sovietica limita l’uso del lavoro femminile e giovanile.