Cloro

iso = isotopo
NA = abbondanza in natura
TD = tempo di dimezzamento
DM = modalità di decadimento
DE = energia di decadimento in MeV
DP = prodotto del decadimento

Il cloro (dal greco chloros, "verde pallido"), è l'elemento chimico della tavola periodica con numero atomico 17 e simbolo Cl. È un alogeno, situato nel gruppo 7 della tavola periodica. Il gas cloro è verde giallastro, due volte e mezzo più pesante dell'aria, ha un odore soffocante estremamente sgradevole ed è molto velenoso. In condizioni standard ed in un ampio intervallo di temperature e pressioni il gas cloro è una molecola biatomica Cl₂ . È un potente agente ossidante, sbiancante e disinfettante. Sotto forma di anione cloruro Cl^- e' un componente del comune sale da cucina (o cloruro di sodio) e di molti altri composti, e molto abbondante in natura e necessario a quasi tutte le forme di vita, compreso l'organismo umano (il sangue umano è infatti una soluzione concentrata di anioni cloruro).

Applicazioni

Il cloro è un importante agente chimico utilizzato nella depurazione dell'acqua, nei disinfettanti, come sbiancante; è stato fra le prime armi chimiche impiegate su vasta scala, in forma gassosa. Si usa inoltre nella fabbricazione di molti oggetti di uso quotidiano, come carta, antisettici, tinture, alimenti, insetticidi, vernici, prodotti petroliferi, plastica, medicinali, tessuti, solventi. Si usa come battericida (acido ipocloroso, ipoclorito di sodio, clorito di sodio) nell'acqua potabile e nelle piscine. Anche piccoli depositi d'acqua potabile sono abitualmente trattati con questa sostanza.

La chimica organica sfrutta estesamente questo elemento come ossidante e per sostituire atomi di idrogeno nelle molecole, come nella produzione della gomma sintetica; il cloro infatti conferisce spesso molte proprietà utili ai composti organici con cui viene combinato. Altri usi sono la produzione di clorati, cloroformio, tetracloruro di carbonio e nell'estrazione del bromo.

Storia

Il cloro fu scoperto nel 1774 da Carl Wilhelm Scheele, che erroneamente però lo ritenne un composto dell'ossigeno. Fu battezzato cloro come elemento chimico nel 1810 da Humphry Davy, che lo riconobbe finalmente come tale.

Abbondanza

In natura il cloro si trova soltanto combinato sotto forma di ione cloruro. I cloruri costituiscono la gran parte di tutti i sali sciolti nei mari e negli oceani della Terra; in effetti, l'1,9% della massa di tutti gli oceani è dovuta agli ioni cloruro. Concentrazioni ancora più alte di cloruro si trovano nel Mar Morto e in depositi sotterranei.

La gran parte dei cloruri è solubile in acqua, perciò i cloruri allo stato solido si trovano soltanto nelle regioni più aride o in giacimenti sotterranei profondi. Minerali comuni di cloro sono la halite (cloruro di sodio), silvite (cloruro di potassio) e la carnallite (cloruro esaidrato di potassio e magnesio).

Industrialmente, il cloro elementare è prodotto solitamente per elettrolisi di cloruro di sodio sciolto in acqua. Insieme al cloro, il processo genera anche idrogeno e idrossido di sodio, secondo l'equazione chimica

2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

Stati di ossidazione

Il cloro può assumere gli stati di ossidazione −1, +1, +3, +5, o +7 corrispondenti agli anioni Cl⁻ (cloruro), ClO⁻ (ipoclorito), ClO₂⁻ (clorito), ClO₃⁻ (clorato), o ClO₄⁻ (perclorato).

numero di ossidazione	−1	+1	+3	+5	+7
anione	cloruro	ipoclorito	clorito	clorato	perclorato
formula	Cl⁻	ClO⁻	ClO₂⁻	ClO₃⁻	ClO₄⁻
struttura

Composti

I composti utili o utilizzati del cloro sono tantissimi: le famiglie più usate sono i cloruri, gli ipocloriti, i clorati, i perclorati e le cloramine.

Ossido ipocloroso (Cl₂O)
Ossido cloroso (Cl₂O₃)
Ossido clorico (Cl₂O₅)
Ossido perclorico (Cl₂O₇)
Acido ipocloroso (HClO) (valenza 1)
Acido cloroso (HClO₂) (valenza 3);
Acido clorico (HClO₃) (valenza 5);
Acido perclorico (HClO₄) (valenza 7);
Acido cloridrico (HCl);
Cloruro di sodio (NaCl);
Cloruro di potassio (KCl);
Cloruro di calcio (CaCl₂);
Cloruro di argento (AgCl);
Cloruro ferroso (FeCl₂);
Cloruro ferrico (FeCl₃);
Cloruro di ammonio (NH₄Cl)
Clorato di potassio (KClO₃)
Clorato di sodio (NaClO₃)
Ipoclorito di sodio (NaClO)
Perclorato di bario (Ba(ClO₄)₂
Perclorato di magnesio (Mg(ClO₄)₂)
Perclorato di potassio (KClO₄)
Perclorato di sodio (NaClO₄)

Isotopi

La massa atomica del cloro è 35,4527. I due principali isotopi stabili del cloro, ³⁵Cl (75.77%) e ³⁷Cl (24.23%), si trovano rispettivamente nella proporzione 3:1 e conferiscono al cloro un apparente peso atomico di 35,5. Il cloro ha 9 isotopi con numeri di massa che variano da 32 a 40. È presente un isotopo radioattivo, il ³⁶Cl.

Nuclide	Abbondanza	Massa	Spin	Emivita	Decadimento
³²Cl	-	31.9857	1	298ms	ε
³³Cl	-	32.9775	3/2	2.51s	ε
³⁴Cl	-	33.9738	0	1.53s	ε
³⁵Cl	75.77	34.9689	3/2	-	-
³⁶Cl	-	35.9683	2	301000y	β^-
³⁷Cl	24.23	36.9659	3/2	-	-
³⁸Cl	-	37.9680	2	37.2m	β^-
³⁹Cl	-	38.9680	3/2	55.6m	β^-
⁴⁰Cl	-	39.9704	2	1.38m	β^-
⁴¹Cl	-	40.9707	n.m.	34s	β^-
⁴²Cl	-	41.9732	n.m.	6.8s	β^-
⁴³Cl	-	42.9742	n.m.	3.3s	β^-

Sono solo tre gli isotopi del cloro che si trovano in natura: gli stabili ³⁵Cl (75,77%) e ³⁷Cl (24,23%) ed il radioattivo ³⁶Cl, che rappresenta circa il 7×10^-15% del cloro totale. Nell'atmosfera, ³⁶Cl viene prodotto per reazione tra ³⁶Ar ed i raggi cosmici; a livello del suolo il ³⁶Cl è invece prodotto per cattura neutronica dal ³⁵Cl o per cattura muonica dal ⁴⁰Ca. ³⁶Cl decade in ³⁶S e ³⁶Ar con una emivita di circa 308.000 anni. Una così lunga emivita rende questo isotopo utile per la datazione geologica di reperti di età compresa tra i 60.000 anni ed il milione di anni.

Grandi quantità di ³⁶Cl si sono inoltre formate per irraggiamento della acque marine durante le esplosioni nucleari condotte in atmosfera negli anni tra il 1952 ed il 1958. Il ³⁶Cl permane nell'atmosfera per circa una settimana, quindi il tenore di ³⁶Cl nei suoli e nelle acque è utile per datare reperti recenti - fino a 50 anni. ³⁶Cl trova uso anche in altre applicazioni, quali la datazione di ghiacci e sedimenti.

Precauzioni

Simboli di rischio chimico

frasi R: R 23-36/37/38-50
frasi S: S 1/2-9-45-61

Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

Il cloro irrita il sistema respiratorio, soprattutto in bambini e anziani. Allo stato gassoso irrita le mucose, e allo stato liquido provoca ustioni cutanee. L'odore di cloro viene avvertito a concentrazioni di 3.5 ppm, ma la concentrazione letale è di circa 1000 ppm o più (il cloro fu per questo impiegato nella prima guerra mondiale come arma chimica). L'esposizione a questo gas non dovrebbe quindi superare concentrazioni di 0.5 ppm (TLV-TWA, tempo medio di 8 ore per 40 ore settimanali).

L'esposizione acuta ad alte (ma non letali) concentrazioni di cloro può dare luogo a edema polmonare, una condizione molto dolorosa. Una esposizione cronica a bassi livelli di cloro indebolisce i polmoni, rendendoli vulnerabili ad altre malattie.

In ambiente domestico, il cloro si sviluppa quando l'ipoclorito di sodio (o candeggina) viene miscelata con l'acido muriatico. Per contatto tra candeggina ed urina (urea), ammoniaca o altri prodotti sbiancanti possono svilupparsi vapori tossici contenenti gas cloro o tricloruro di azoto.

Vedi anche: Clorofluorocarburi (CFC)

Produzione industriale

Il cloro viene prodotto per elettrolisi di soluzioni di cloruro di sodio, dette anche salamoie. A livello industriale l'elettrolisi viene condotta principalmente secondo tre processi.

Cella a mercurio

Si tratta del primo metodo usato per la produzione industriale. La cella elettrolitica consiste di un anodo di titanio ed un catodo di mercurio. All'anodo si sviluppa cloro gassoso; al catodo il sodio forma un amalgama con il mercurio: l'amalgama viene poi trattato con acqua per rigenerare il mercurio e convertire il sodio metallico in idrossido di sodio e idrogeno gassoso. A Porto Marghera Venezia ancora oggi e' in funzione un impianto cloro soda (cs 23) di proprieta' del gruppo ENI.

Cella a diaframma

Un setto di amianto è posto sul catodo, costituito da una griglia di ferro. In questo modo, il cloro che viene a formarsi viene tenuto separato dal resto della salamoia, che si arricchisce di idrossido di sodio.

È un processo più conveniente del precedente, anche se l'idrossido di sodio che si ottiene è diluito. Inoltre ha un elevato contenuto residuo di cloruro di sodio, che costringe ad un costoso trattamento per la separazione via evaporativa. È considerata una tecnologia obsoleta, anche a causa della cessazione dell'impiego dell'amianto, che peraltro viene sostituito da altri materiali fibrosi.

Cella a membrana

La cella elettrolitica è divisa in due sezioni da una membrana semipermeabile agli ioni cloruro; nella sezione dell'anodo si trova la salamoia, in quella del catodo acqua distillata.

L'efficienza energetica è simile a quella delle celle a diaframma, col vantaggio di ottenere idrossido di sodio di elevata purezza.