Cloro

El cloro es un elemento químico de número atómico 17 situado en el grupo de los halógenos (grupo VII A) de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Cl. En condiciones normales y en estado puro es un gas amarillo-verdoso formado por moléculas diatómicas, Cl₂, unas 2,5 veces más pesado que el aire, de olor desagradable y venenoso. Es un elemento abundante en la naturaleza y se trata de un elemento químico esencial para muchas formas de vida.

Características principales

En la naturaleza no se encuentra en estado puro ya que reacciona con rapidez con muchos elementos y compuestos químicos, sino que se encuentra formando parte de cloruros y cloratos, sobre todo en forma de cloruro de sodio, en las minas de sal y disuelto y en suspensión en el agua de mar. El cloruro de sodio es la común o sal de mesa.

Se emplea para potabilizar el agua de consumo disolviéndolo en la misma; también tiene otras aplicaciones como oxidante, blanqueante y desinfectante. El cloro gaseoso es muy tóxico (neurotóxico) y se usó como gas de guerra en la Primera y Segunda Guerra Mundial.

Este halógeno forma numerosas sales y se obtiene a partir de cloruros a través de procesos de oxidación, generalmente mediante electrolisis. Se combina fácilmente con la mayor parte de los elementos. Es ligeramente soluble en agua (unos 6,5 g de cloro por litro de agua a 25 °C), en parte formando ácido hipocloroso, HClO.

En la mayoría de los numerosos compuestos que forma presenta estado de oxidación -1. También puede presentar los estados de oxidación +1, +3, +5 y +7.

Aplicaciones

El cloro se emplea principalmente en la desinfección de aguas, como blanqueante en la producción de papel y en la preparación de distintos compuestos clorados.

El proceso de desinfección de aguas de consumo humano más ampliamente utilizado es la cloración. Se emplea ácido hipocloroso, HClO, que se produce disolviendo cloro en agua y regulando el pH.
En la producción de papel se emplea cloro en el blanqueo de la pulpa, aunque tiende a ser sustituido por dióxido de cloro, ClO₂.
Una gran parte del cloro se emplea en la producción de cloruro de vinilo, compuesto orgánico que se emplea principalmente en la síntesis del poli(cloruro de vinilo), conocido como PVC.
Se usa en la síntesis de numerosos compuestos orgánicos e inorgánicos, por ejemplo tetracloruro de carbono, CCl₄, o cloroformo, CHCl₃, y distintos halogenuros metálicos. También se emplea como agente oxidante.
Preparación de cloruro de hidrógeno puro; se puede llevar a cabo por síntesis directa: H₂ + Cl₂ → 2HCl

Historia

El cloro (del griego χλωρος, que significa "amarillo verdoso") fue descubierto en 1774 por el sueco Carl Wilhelm Scheele, aunque creía que se trataba de un compuesto que contenía oxígeno. Lo obtuvo a partir de la siguiente reacción:

MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

En 1810 el químico inglés Humphry Davy demuestra que se trata de un elemento químico y le da el nombre de cloro debido a su color.

El gas cloro se empleó en la Primera Guerra Mundial, siendo el primer caso de uso de armas químicas.

Abundancia y obtención

El cloro se encuentra en la naturaleza combinado con otros elementos, principalmente en forma de cloruro de sodio, NaCl, y también otros minerales como la silvina, KCl, o la carnalita, KMgCl₃·6H₂O. Es el halógeno más abundante en el agua marina con una concentración de unos 18000 ppm. En la corteza terrestre está presente en menor cantidad, unos 130 ppm. Es prácticamente imposible encontrarlo sin combinar con otros elementos, debido a su alta reactividad.

El cloro se obtiene principalmente (más del 95% de la producción) mediante la electrolisis de cloruro de sodio, NaCl, en disolución acuosa, denominado proceso del cloro-álcali. Se emplean tres métodos: electrolisis con celda de amalgama de mercurio, electrolisis con celda de diafragma y electrolisis con celda de membrana.

Electrolisis con celda de amalgama de mercurio

Fue el primer método empleado para producir cloro a escala industrial.

Se producen pérdidas de mercurio en el proceso generando problemas medioambientales. En las dos últimas décadas del siglo XX se mejoraron los procesos, aunque se siguen perdiendo unos 1,3 gramos de mercurio por tonelada de cloro producida. Por estos problemas medioambientales este proceso se ha ido sustituyendo por el que utiliza una celda de membrana y actualmente supone menos del 20% de la producción mundial de cloro.

Se emplea un cátodo de mercurio y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de platino. El cátodo está depositado en el fondo de la celda de electrolisis y el ánodo sobre éste, a poca distancia.

La celda se alimenta con cloruro de sodio y, con la diferencia de potencial adecuada, se produce la electrolisis:

2Cl^- - 2e^- → Cl₂

Hg + 2Na⁺ + 2e^- → NaHg

A continuación se procede a la descomposición de la amalgama formada para recuperar el mercurio. La base sobre la que está la amalgama está ligeramente inclinada y de esta forma va saliendo de la celda de electrolisis y se pasa a una torre en donde se añade agua a contracorriente, produciéndose las reacciones:

H₂O + 1e^- → 1/2H₂ + OH^-

NaHg - 1e^- → Na⁺ + Hg

De esta forma el mercurio se reutiliza.

Con este método se consigue una sosa (NaOH) muy concentrada y un cloro muy puro, sin embargo consume más energía que otros métodos y existe el problema de contaminación por mercurio.

Electrolisis con celda de diafragma

Este método se emplea principalmente en Canadá y Estados Unidos.

Se emplea un cátodo perforado de acero o hierro y un ánodo de titanio recubierto de platino u óxido de platino. Al cátodo se el adhiere un diafragma poroso de fibras de asbesto y mezclado con otras fibras (por ejemplo con politetrafluoroetileno). Este diafragma separa al ánodo del cátodo evitando la recombinación de los gases generados en estos.

Se alimenta el sistema continuamente con salmuera que circula desde el ánodo hasta el cátodo. Las reacciones que se producen son las siguientes:

2Cl^- - 2e^- → Cl₂ (en el ánodo)

H₂ + 2e^- → H₂ (en el cátodo)

En la disolución queda una mezcla de NaOH y NaCl. El NaCl se reutiliza y el NaOH tiene interés comercial.

Este método tiene la ventaja de consumir menos energía que el que emplea amalgama de mercurio, pero el inconveniente de que el NaOH obtenido es de menor pureza, por lo que generalmente se concentra. También existe un riesgo asociado al uso de asbestos.

Electrolisis con celda de membrana

Este método es el que se suele implantar en las nuevas plantas de producción de cloro. Supone aproximadamente el 30% de la producción mundial de cloro.

Es similar al método que emplea celda de diafragma: se sustituye el diafragma por una membrana sintética selectiva que deja pasar iones Na⁺, pero no iones OH^- o Cl^-.

El NaOH que se obtiene es más puro y más concentrado que el obtenido con el método de celda de diafragma, y al igual que ese método se consume menos energía que en las de amalgama mercurio, aunque la concentración de NaOH sigue siendo inferior y es necesario concentrarlo. Por otra parte, el cloro obtenido por el método de amalgama de mercurio es algo más puro.

Compuestos

Algunos cloruros metálicos se emplean como catalizadores. Por ejemplo, FeCl₂, FeCl₃, AlCl₃.
Ácido hipocloroso, HClO. Se emplea en la depuración de aguas y alguna de sus sales como agente blanqueante.
Ácido cloroso, HClO₂. La sal de sodio correspondiente, NaClO₂, se emplea para producir dióxido de cloro, ClO₂, el cual se usa como desinfectante.
Ácido clórico (HClO₃). El clorato de sodio, NaClO₃, también se puede emplear para producir dióxido de cloro, empleado en el blanqueo de papel, así como para obtener perclorato.
Ácido perclórico (HClO₄). Es un ácido oxidante y se emplea en la industria de explosivos. El perclorato de sodio, NaClO₄, se emplea como oxidante y en la industria textil y papelera.
Compuestos de cloro como los clorofluorocarburos (CFCs) contribuyen a la destrucción de la capa de ozono.
Algunos compuestos orgánicos de cloro se emplean como pesticidas. Por ejemplo, el hexaclorobenceno (HCB), el para-diclorodifeniltricloroetano (DDT), el toxafeno, etcétera.
Muchos compuestos organoclorados presentan problemas ambientales debido a su toxicidad, por ejemplo los pesticidas anteriores, los bifenilos policlorados (PCBs), o las dioxinas.

Isótopos

En la naturaleza se encuentran dos isótopos estables de cloro. Uno de masa 35 uma, y el otro de 37 uma, con unas proporciones relativas de 3:1 respectivamente, lo que da un peso atómico para el cloro de 35,5 uma.

El cloro tiene 9 isótopos con masas desde 32 uma hasta 40 uma. Sólo tres de éstos se encuentran en la naturaleza: el ³⁵Cl, estable y con una abundancia del 75,77%, el ³⁷Cl, también estable y con una abundancia del 24,23%, y el isótopo radiactivo ³⁶Cl. La relación de ³⁶Cl con el Cl estable en el ambiente es de aproximadamente 700 x 10^-15:1.

El ³⁶Cl se produce en la atmósfera a partir del ³⁶Ar por interacciones con protones de rayos cósmicos. En el subsuelo se genera ³⁶Cl principalmente mediante procesos de captura de neutrones del ³⁵Cl, o por captura de muones del ⁴⁰Ca. El ³⁶Cl decae a ³⁶S y a ³⁶Ar, con un periodo de semidesintegración combinado de 308000 años.

El período de semidesintegración de este isótopo hidrofílico y no reactivo lo hace útil para la datación geológica en el rango de 60000 a 1 millón de años. Además, se produjeron grandes cantidades de ³⁶Cl por la irradiación de agua de mar durante las detonaciones atmosféricas de armas nucleares entre 1952 y 1958. El tiempo de residencia del ³⁶Cl en la atmósfera es de aproximadamente 1 semana. Así pues, es un marcador para las aguas superficiales y subterráneas de los años 1950, y también es útil para la datación de aguas que tengan menos de 50 años. El ³⁶Cl se ha empleado en otras áreas de las ciencias geológicas, incluyendo la datación de hielo y sedimentos.

Núclido	Abundancia	Masa	Espín	Periodo de semidesintegración	Producto de desintegración
³²Cl	-	31,9857	1	298 ms	ε
³³Cl	-	32,9775	3/2	2,51 s	ε
³⁴Cl	-	33,9738	0	1,53 s	ε
³⁵Cl	75,77	34,9689	3/2	-	-
³⁶Cl	-	35,9683	2	301000 a	β^-
³⁷Cl	24,23	36,9659	3/2	-	-
³⁸Cl	-	37,9680	2	37,2 m	β^-
³⁹Cl	-	38,9680	3/2	55,6 m	β^-
⁴⁰Cl	-	39,9704	2	1,38 m	β^-
⁴¹Cl	-	40,9707	n.m.	34 s	β^-
⁴²Cl	-	41,9732	n.m.	6,8 s	β^-
⁴³Cl	-	42,9742	n.m.	3,3 s	β^-

Precauciones

El cloro provoca irritación en el sistema respiratorio, especialmente en niños y personas mayores. En estado gas irrita las mucosas y en estado líquido quema la piel. Se puede detectar en el aire por su olor a partir de 3,5 ppm, siendo mortal a partir de unos 1000 ppm. Se usó como arma química en la Primera Guerra Mundial.

Una exposición aguda a altas (pero no letales) concentraciones de cloro puede provocar edema pulmonar, o líquido en lo pulmones. Una exposición crónica a concentraciones de bajo nivel debilita los pulmones aumentando la susceptibilidad a otras enfermedades pulmonares.

En muchos países se fija como límite de exposición en el trabajo para este gas 0,5 ppm (media de 8 horas diarias, 40 horas a la semana).

Se pueden producir humos tóxicos cuando se mezcla hipoclorito de sodio con urea, amoniaco o algún otro producto de limpieza. Estos humos consisten en una mezcla de cloro y cloruro de nitrógeno; por lo tanto, estas combinaciones deberían evitarse.

Enlaces externos

ATSDR en Español - ToxFAQs™: cloro
EnvironmentalChemistry.com - Cloro
Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo de España: Ficha internacional de seguridad química del cloro.
Los Alamos National Laboratory - Cloro
WebElements.com - Cloro

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