El cloro es un elemento químico con el símbolo Cl y el número atómico 17. El halógeno , el segundo más liviano de todos , aparece entre el flúor y el bromo en la tabla periódica y sus propiedades son principalmente intermedias entre ellos. El cloro es un gas amarillo verdoso a temperatura ambiente. Es un elemento extremadamente reactivo y un agente oxidante fuerte : entre los elementos, tiene la afinidad electrónica más alta y la tercera electronegatividad más alta en la escala de Pauling, solo por detrás del oxígeno y el flúor.
El compuesto más común de cloro, cloruro de sodio (sal común), se conoce desde la antigüedad. Alrededor de 1630, el gas de cloro se sintetizó por primera vez en una reacción química, pero no se reconoció como una sustancia de importancia fundamental. Carl Wilhelm Scheele escribió una descripción del gas de cloro en 1774, suponiendo que era un óxido de un elemento nuevo. En 1809, los químicos sugirieron que el gas podría ser un elemento puro, y esto fue confirmado por Sir Humphry Davy en 1810, quien lo nombró del griego antiguo : χλωρός , translit. khlôros , lit. 'Verde pálido' por su color.
Debido a su gran reactividad, todo el cloro en la corteza terrestre está en forma de compuestos de cloruro iónico , que incluye la sal de mesa. Es el segundo halógeno más abundante (después del flúor) y el vigésimo primer elemento químico más abundante en la corteza terrestre. Sin embargo, estos depósitos de la corteza están empequeñecidos por las enormes reservas de cloruro en el agua de mar.
El cloro elemental se produce comercialmente a partir de salmuerapor electrólisis . El alto potencial de oxidación del cloro elemental condujo al desarrollo de blanqueadores y desinfectantescomerciales , y un reactivo para muchos procesos en la industria química. El cloro se utiliza en la fabricación de una amplia gama de productos de consumo, aproximadamente dos tercios de ellos químicos orgánicos como el cloruro de polivinilo y muchos productos intermedios para la producción de plásticos y otros productos finales que no contienen el elemento. Como desinfectante común, el cloro elemental y los compuestos que generan cloro se usan más directamente en las piscinasPara mantenerlos limpios y sanitarios . El cloro elemental en altas concentraciones es extremadamente peligroso y venenoso para todos los organismos vivos, y se usó en la Primera Guerra Mundialcomo el primer agente de guerra química gaseosa .
En forma de iones de cloruro , el cloro es necesario para todas las especies de vida conocidas. Otros tipos de compuestos de cloro son raros en los organismos vivos, y los compuestos orgánicos clorados producidos artificialmente varían de inertes a tóxicos. En la atmósfera superior , las moléculas orgánicas que contienen cloro, como los clorofluorocarbonos, se han implicado en el agotamiento del ozono . Pequeñas cantidades de cloro elemental se generan por oxidación de cloruro a hipoclorito en los neutrófilos como parte de la respuesta inmunitaria contra las bacterias.
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| Cloro | |||||||||||||||
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| Pronunciación | / K l ɔr i n , | ||||||||||||||
| Apariencia | gas amarillo verdoso pálido | ||||||||||||||
| Peso atómico estándar A r, std (Cl) | [ 35.446 , 35.457 ] convencional: 35.45 | ||||||||||||||
| Cloro en la tabla periódica. | |||||||||||||||
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| Número atómico ( z ) | 17 | ||||||||||||||
| Grupo | grupo 17 (halógenos) | ||||||||||||||
| Período | periodo 3 | ||||||||||||||
| Bloquear | bloque p | ||||||||||||||
| Categoría de elemento | no metal reactivo | ||||||||||||||
| Configuración electronica | [ Ne ] 3s 2 3p 5 | ||||||||||||||
Electrones por concha
| 2, 8, 7 | ||||||||||||||
| Propiedades físicas | |||||||||||||||
| Fase en STP | gas | ||||||||||||||
| Punto de fusion | 171,6 K (-101,5 ° C, -150.7 ° F) | ||||||||||||||
| Punto de ebullición | 239.11 K (−34.04 ° C, −29.27 ° F) | ||||||||||||||
| Densidad (en STP) | 3.2 g / l | ||||||||||||||
| cuando es liquido (a bp ) | 1.5625 g / cm 3 [1] | ||||||||||||||
| Punto crítico | 416.9 K, 7.991 MPa | ||||||||||||||
| Calor de fusión | (Cl 2 ) 6.406 kJ / mol | ||||||||||||||
| Calor de vaporización. | (Cl 2 ) 20.41 kJ / mol | ||||||||||||||
| Capacidad de calor molar | (Cl 2 ) 33.949 J / (mol · K) | ||||||||||||||
Presión de vapor
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| Propiedades atómicas | |||||||||||||||
| Estados de oxidación | −1 , +1 , +2, +3 , +4,+5 , +6, +7(unóxidofuertementeácido ) | ||||||||||||||
| Electronegatividad | Escala de Pauling: 3.16 | ||||||||||||||
| Energías de ionización |
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| Radio covalente | 102 ± 4 pm | ||||||||||||||
| Radio de van der waals | 175 pm | ||||||||||||||
Historia
El compuesto más común de cloro, el cloruro de sodio, se conoce desde la antigüedad; los arqueólogos han encontrado evidencia de que la sal de roca se usó desde el año 3000 a. C. y la salmuera desde el año 6000 a. [4] Su importancia en la alimentación era muy conocida en la antigüedad clásica y algunas veces se usaba como pago por servicios para generales romanos y tribunos militares. El cloro elemental probablemente se aisló por primera vez alrededor de 1200 con el descubrimiento de agua regia y su capacidad para disolver el oro, ya que el cloro gas es uno de los productos de esta reacción: sin embargo, no se reconoció como una sustancia nueva. Alrededor de 1630, el químico y médico flamenco Jan Baptist van Helmont reconoció el cloro como gas . [5] [nota 1]
El elemento fue estudiado por primera vez en detalle en 1774 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele , y se le atribuye el descubrimiento. [6] [7] Scheele produjo cloro al reaccionar MnO 2 (como el mineral pirolusita ) con HCl: [5]
- 4 HCl + MnO 2 → MnCl 2 + 2 H 2 O + Cl 2
Scheele observó varias de las propiedades del cloro: el efecto de blanqueo sobre el tornasol , el efecto mortal sobre los insectos, el color amarillo verdoso y el olor similar al de la agua regia . [8] Lo llamó " aire de ácido muriático deflogístico ", ya que es un gas (entonces llamado "aires") y proviene del ácido clorhídrico (entonces conocido como "ácido muriático"). [7] No logró establecer el cloro como un elemento. [7]
La teoría química común en ese momento sostenía que un ácido es un compuesto que contiene oxígeno (los restos de este sobreviven en los nombres alemanes y holandeses de oxígeno : sauerstoff o zuurstof , ambos traducidos al inglés como sustancia ácida ), por lo que varios químicos, entre ellos Claude Berthollet , sugirió que el aire con ácido muriático deflogístico de Scheele debe ser una combinación de oxígeno y el elemento aún no descubierto, muriaticum . [9] [10]
En 1809, Joseph Louis Gay-Lussac y Louis-Jacques Thénard intentaron descomponer el aire de ácido muriático defrafisticizado haciéndolo reaccionar con carbón para liberar el elemento libre muriaticum (y dióxido de carbono). [7] No tuvieron éxito y publicaron un informe en el que consideraron la posibilidad de que el aire muriótico deflogisticated sea un elemento, pero no se convenció. [11]
En 1810, Sir Humphry Davy intentó de nuevo el mismo experimento y concluyó que la sustancia era un elemento y no un compuesto. [7] Anunció sus resultados a la Royal Society el 15 de noviembre de ese año. [5] En ese momento, llamó a este nuevo elemento "cloro", de la palabra griega χλωρος ( chlōros ), que significa verde-amarillo. [12] El nombre " halógeno ", que significa "productor de sal", fue utilizado originalmente para el cloro en 1811 por Johann Salomo Christoph Schweigger . [13] Este término se usó más tarde como un término genérico para describir todos los elementos de la familia del cloro (flúor, bromo, yodo), después de una sugerencia de Jöns Jakob Berzeliusen 1826. [14] [15] En 1823, Michael Faraday licuó el cloro por primera vez, [16] [17] [18] y demostró que lo que entonces se conocía como "cloro sólido" tenía una estructura de hidrato de cloro (Cl 2 · H 2O). [5]
El cloro gas fue utilizado por primera vez por el químico francés Claude Berthollet para blanquear textiles en 1785. [19] [20] Los blanqueadores modernos fueron el resultado de un trabajo adicional de Berthollet, quien produjo hipoclorito de sodio en 1789 en su laboratorio en la ciudad de Javel (ahora parte de París , Francia), pasando el gas de cloro a través de una solución de carbonato de sodio. El líquido resultante, conocido como " Eau de Javel " (" agua de Javel "), era una solución débil de hipoclorito de sodio . Este proceso no fue muy eficiente y se buscaron métodos de producción alternativos. El químico e industrial escocés Charles Tennantprimero produjo una solución de hipoclorito de calcio ("cal clorada"), luego hipoclorito de calcio sólido (polvo blanqueador). [19] Estos compuestos producen niveles bajos de cloro elemental y podrían ser transportados más eficientemente que el hipoclorito de sodio, que se mantuvo como soluciones diluidas porque, al purificarse para eliminar el agua, se convirtió en un oxidante peligrosamente poderoso e inestable. Cerca del final del siglo XIX, ES Smith patentó un método de producción de hipoclorito de sodio que consiste en la electrólisis de la salmuera para producir hidróxido de sodio y gas de cloro, que luego se mezcla para formar hipoclorito de sodio. [21] Esto se conoce como el proceso de cloroalcali., introducido por primera vez a escala industrial en 1892, y ahora es la fuente de la mayoría del cloro elemental y el hidróxido de sodio. [22] En 1884, Chemischen Fabrik Griesheim, de Alemania, desarrolló otro proceso de cloralcali que entró en producción comercial en 1888. [23]
Las soluciones de cloro elemental disueltas en agua químicamente básica ( hipoclorito de sodio y calcio ) se utilizaron por primera vez como agentes anti putrefacción y desinfectantes en la década de 1820, en Francia, mucho antes del establecimiento de la teoría de los gérmenes de la enfermedad . Esta práctica fue iniciada por Antoine-Germain Labarraque , quien adaptó el blanqueador de "agua de Javel" de Berthollet y otras preparaciones de cloro (para una historia más completa, consulte a continuación). [24] El cloro elemental ha desempeñado desde entonces una función continua en la antisepsia tópica (soluciones de irrigación de heridas y similares) y el saneamiento público, particularmente en la natación y el agua potable. [8]
El gas de cloro se utilizó por primera vez como arma el 22 de abril de 1915 en Ypres por el ejército alemán . [25] [26] El efecto sobre los aliados fue devastador porque las máscaras antigás existentes eran difíciles de desplegar y no se habían distribuido ampliamente. [27] [28]
Propiedades
El cloro es el segundo halógeno , ya que no es metal en el grupo 17 de la tabla periódica. Sus propiedades son similares a las del flúor , el bromo y el yodo , y son en gran medida intermedias entre las de los dos primeros. El cloro tiene la configuración electrónica [Ne] 3s 2 3p 5 , con los siete electrones en la tercera y más externa capa que actúan como sus electrones de valencia . Como todos los halógenos, es por lo tanto un electrón por debajo de un octeto completo, y por lo tanto es un agente oxidante fuerte, que reacciona con muchos elementos para completar su capa exterior. [29] Corresponde a tendencias periódicas , es intermedio enelectronegatividad entre flúor y bromo (F: 3.98, Cl: 3.16, Br: 2.96, I: 2.66), y es menos reactiva que el flúor y más reactiva que el bromo. También es un agente oxidante más débil que el flúor, pero más fuerte que el bromo. A la inversa, el ion cloruro es un agente reductor más débil que el bromuro, pero más fuerte que el fluoruro. [29] Es intermedio en radio atómico entre flúor y bromo, y esto conduce a muchas de sus propiedades atómicas de manera similar Continuando con la tendencia de yodo a bromo hacia arriba, tal como la primera energía de ionización , afinidad electrónica , la entalpía de disociación del X 2Molécula (X = Cl, Br, I), radio iónico y longitud de enlace X – X. (El flúor es anómalo debido a su pequeño tamaño). [29]
Los cuatro halógenos estables experimentan fuerzas de atracción intermoleculares de van der Waals , y su fuerza aumenta junto con el número de electrones entre todas las moléculas de halógeno diatómicas homonucleares. Por lo tanto, los puntos de fusión y ebullición del cloro son intermedios entre los del flúor y el bromo: el cloro se funde a −101.0 ° C y hierve a −34.0 ° C. Como resultado del aumento del peso molecular de los halógenos en el grupo, la densidad y los calores de fusión y vaporización del cloro son nuevamente intermedios entre los de bromo y flúor, aunque todos sus calores de vaporización son bastante bajos (lo que lleva a una alta volatilidad) Gracias a su estructura molecular diatómica. [29]Los halógenos se oscurecen en color cuando el grupo desciende: así, mientras que el flúor es un gas amarillo pálido, el cloro es claramente amarillo-verde. Esta tendencia se produce porque las longitudes de onda de la luz visible absorbida por los halógenos aumentan en el grupo. [29] Específicamente, el color de un halógeno, como el cloro, resulta de la transición electrónica entre el orbital molecular π g de anti-enlace ocupado más alto y el orbital molecular de anti-enlace vacante más bajo σ u . [30] El color se desvanece a bajas temperaturas, por lo que el cloro sólido a −195 ° C es casi incoloro. [29]
Al igual que el bromo sólido y el yodo, el cloro sólido se cristaliza en el sistema de cristal ortorrómbico , en una red de capas de moléculas de Cl 2 . La distancia Cl – Cl es de 198 pm (cerca de la distancia gaseosa de Cl – Cl de 199 pm) y la distancia de Cl · ·· Cl entre las moléculas es de 332 pm dentro de una capa y de 382 pm entre capas (compare el radio de van der Waals de cloro, 180 pm). Esta estructura significa que el cloro es un conductor muy pobre de la electricidad y, de hecho, su conductividad es tan baja que prácticamente no se puede medir. [29]
Isótopos
El cloro tiene dos isótopos estables, 35 Cl y 37 Cl. Estos son sus dos únicos isótopos naturales que se producen en cantidad, con 35 Cl que representan el 76% del cloro natural y 37 Cl que componen el 24% restante. Ambos se sintetizan en estrellas en los procesos de quema de oxígeno y de silicio . [31] Ambos tienen un espín nuclear 3/2 + y, por lo tanto, pueden usarse para resonancia magnética nuclear , aunque la magnitud del espín es mayor que 1/2, lo que resulta en una distribución de carga nuclear no esférica y, por lo tanto, un ensanchamiento de la resonancia como resultado de un nuclear no nulo. momento cuadrupoloy la relajación cuadrupolar resultante. Los otros isótopos de cloro son todos radiactivos, con vidas medias demasiado cortas para ocurrir primordialmente en la naturaleza . De estos, los más utilizados en el laboratorio son 36 Cl ( t 1/2 = 3.0 × 10 5 y) y 38 Cl ( t 1/2 = 37.2 min), que pueden producirse a partir de la activación de neutrones del cloro natural. [29]
El radioisótopo de cloro más estable es 36 Cl. El modo de decaimiento primario de los isótopos más ligeros que 35 Cl es la captura de electrones en isótopos de azufre ; la de los isótopos más pesados que 37 Cl es la desintegración beta de los isótopos de argón ; y 36 Cl puede decaer en cualquiera de los modos para establecer 36 S o 36 Ar. [32] 36 Cl se encuentra en cantidades traza en la naturaleza como un nucleido cosmogénico en una relación de aproximadamente (7–10) × 10 −13 a 1 con isótopos de cloro estables: se produce en la atmósfera por espalaciónde 36 Ar por interacciones con protones de rayos cósmicos . En el metro superior de la litosfera, 36 Cl se genera principalmente por térmica de neutrones activación de 35 Cl y de espalación de 39 K y 40 Ca . En el entorno del subsuelo, la captura de muones por 40 Ca se vuelve más importante como una forma de generar 36Cl. [33] [34]
Química y compuestos
| X | XX | HX | BX3 | Alx3 | CX4 |
|---|---|---|---|---|---|
| F | 159 | 574 | 645 | 582 | 456 |
| Cl | 243 | 428 | 444 | 427 | 327 |
| Br | 193 | 363 | 368 | 360 | 272 |
| yo | 151 | 294 | 272 | 285 | 239 |
El cloro tiene una reactividad intermedia entre el flúor y el bromo, y es uno de los elementos más reactivos. El cloro es un agente oxidante más débil que el flúor, pero más fuerte que el bromo o el yodo. Esto se puede ver en los potenciales de electrodo estándar de la X 2 / X -parejas (F, +2.866 V; Cl, +1.395 V; Br, +1.087 V; I, +0.615 V; At, aproximadamente +0.3 V). Sin embargo, esta tendencia no se muestra en las energías de enlace porque el flúor es singular debido a su pequeño tamaño, baja polarizabilidad y falta de orbitales d baja disponibles para enlace (que tiene el cloro). Como otra diferencia, el cloro tiene una química significativa en los estados de oxidación positivos, mientras que el flúor no. La cloración a menudo conduce a estados de oxidación más altos que la bromación o yodación, pero estados de oxidación más bajos que la fluoración. El cloro tiende a reaccionar con compuestos que incluyen enlaces M – M, M – H o M – C para formar enlaces M – Cl. [30]
Dado que E ° ( 12 O 2 / H 2 O) = 1,229 V, que es inferior a 1.395 V, sería de esperar que el cloro debe ser capaz de oxidar agua en oxígeno y ácido clorhídrico. Sin embargo, la cinética de esta reacción es desfavorable, y también hay que considerar un efecto sobrepotencial de burbujas , por lo que la electrólisis de las soluciones de cloruro acuoso genera gas de cloro y no gas de oxígeno, un hecho que es muy útil para la producción industrial de cloro. [35]
Cloruro de hidrogeno
El compuesto de cloro más simple es el cloruro de hidrógeno , HCl, un importante producto químico en la industria y en el laboratorio, tanto en forma de gas como disuelto en agua como ácido clorhídrico . A menudo se produce quemando gas hidrógeno en gas de cloro, o como un subproducto de hidrocarburos de cloración . Otro enfoque es tratar el cloruro de sodiocon ácido sulfúrico concentrado para producir ácido clorhídrico, también conocido como el proceso de "torta de sal": [36]
- NaCl + H 2 SO 4 150 ° C⟶ NaHSO 4 + HCl
- NaCl + NaHSO 4 540–600 ° C⟶ Na 2 SO 4 + HCl
En el laboratorio, el cloruro de hidrógeno gaseoso se puede hacer secando el ácido con ácido sulfúrico concentrado. El cloruro de deuterio , DCl, se puede producir haciendo reaccionar el cloruro de benzoilo con agua pesada (D 2 O). [36]
A temperatura ambiente, el cloruro de hidrógeno es un gas incoloro, como todos los haluros de hidrógeno aparte del fluoruro de hidrógeno , ya que el hidrógeno no puede formar enlaces de hidrógeno fuertes al átomo de cloro electronegativo más grande; sin embargo, el enlace de hidrógeno débil está presente en el cloruro de hidrógeno cristalino sólido a bajas temperaturas, similar a la estructura del fluoruro de hidrógeno, antes de que el desorden comience a prevalecer a medida que aumenta la temperatura. [36] El ácido clorhídrico es un ácido fuerte (p K a = −7) porque los enlaces de hidrógeno al cloro son demasiado débiles para inhibir la disociación. El sistema HCl / H 2 O tiene muchos hidratos HCl · n H 2 O para n= 1, 2, 3, 4 y 6. Más allá de una mezcla 1: 1 de HCl y H 2 O, el sistema se separa completamente en dos fases líquidas separadas. El ácido clorhídrico forma un azeótropo con un punto de ebullición de 108.58 ° C a 20.22 g de HCl por 100 g de solución; por lo tanto, el ácido clorhídrico no se puede concentrar más allá de este punto por destilación. [37]
A diferencia del fluoruro de hidrógeno, es difícil trabajar con el cloruro de hidrógeno líquido anhidro como solvente, ya que su punto de ebullición es bajo, tiene un pequeño rango de líquidos, su constante dieléctrica es baja y no se disocia apreciablemente en H 2 Cl + y HCl .
2 iones: estos últimos, en cualquier caso, son mucho menos estables que los iones bifluoruro ( HF -
2 ) debido a la unión de hidrógeno muy débil entre el hidrógeno y el cloro, aunque sus sales tienen cationes muy grandes y débilmente polarizadores, como Cs + y NR +
4 (R = Me , Et, Bu n ) todavía puede estar aislado. El cloruro de hidrógeno anhidro es un disolvente pobre, que solo puede disolver pequeños compuestos moleculares, como el cloruro de nitrosilo y el fenol , o sales con muy poca energía de la red , como los haluros de tetraalquilamonio. Protona fácilmente los electrófilos que contienen pares solitarios o enlaces π. La solvolisis , las reacciones de reemplazo de ligando y las oxidaciones están bien caracterizadas en una solución de cloruro de hidrógeno: [38]
2 iones: estos últimos, en cualquier caso, son mucho menos estables que los iones bifluoruro ( HF -
2 ) debido a la unión de hidrógeno muy débil entre el hidrógeno y el cloro, aunque sus sales tienen cationes muy grandes y débilmente polarizadores, como Cs + y NR +
4 (R = Me , Et, Bu n ) todavía puede estar aislado. El cloruro de hidrógeno anhidro es un disolvente pobre, que solo puede disolver pequeños compuestos moleculares, como el cloruro de nitrosilo y el fenol , o sales con muy poca energía de la red , como los haluros de tetraalquilamonio. Protona fácilmente los electrófilos que contienen pares solitarios o enlaces π. La solvolisis , las reacciones de reemplazo de ligando y las oxidaciones están bien caracterizadas en una solución de cloruro de hidrógeno: [38]
- Ph 3 SnCl + HCl ⟶ Ph 2 SnCl 2 + PhH (solvolisis)
- Ph 3 COH + 3 HCl ⟶ Ph
3 C+
HCl -
2 + H 3 O + Cl - (solvolisis) - Yo
4 N+
HCl -
2 + BCl 3 ⟶ Me
4 N+
BCl -
4 + HCl (reemplazo de ligando) - PCl 3 + Cl 2 + HCl ⟶ PCl +
4 HCl -
2 (oxidación)
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