Il cloro () è l'elemento chimico della tavola periodica con numero atomico 17 e simbolo Cl. È il secondo elemento nel gruppo degli alogeni, situato nel gruppo 17 della tavola periodica tra il fluoro e il bromo ed ha proprietà in gran parte intermedie tra questi elementi.
In condizioni ambiente il cloro si presenta allo stato gassoso (tecnicamente è un vapore, Tcritica = 143, 1 °C, Pcritica = 80 bar) ed è di colore giallo verdastro pallido, due volte e mezzo più denso dell'aria, ha un odore soffocante estremamente sgradevole ed è molto velenoso; per molti combustibili può fungere da comburente. Negli stati condensati (liquido o solido) è giallo intenso o giallo ambra. È formato da molecole biatomiche Cl2 che iniziano a dissociarsi in atomi (cloro atomico) a temperature superiori a circa 1.400 °C.
È estremamente reattivo e un potente agente ossidante, che manifesta quindi spiccate proprietà sbiancanti e disinfettanti. Il suo anione Cl− (ione cloruro) è presente nel comune sale da cucina (o cloruro di sodio, NaCl) e in molti altri composti, è molto abbondante in natura ed è necessario a quasi tutte le forme di vita, compreso l'organismo umano (il sangue umano contiene infatti una discreta quantità di anione cloruro).
L'atomo di cloro ha il primato di avere la più alta affinità elettronica nel sistema periodico (3,61 eV) ed è seguito in questo da quello di fluoro (3,40 eV).
Storia Il composto più comune del cloro, il cloruro di sodio è conosciuto dall'antichità, gli archeologi hanno scoperto che il sale veniva usato già prima del 3000 a.C. L'acido cloridrico era già conosciuto nell'800 d.C. dall'alchimista Jābir ibn Hayyān.Una miscela di acido cloridrico e acido nitrico, chiamata "acqua regia", fu scoperta dopo il 1300 d.C. e fu usata per sciogliere l'oro, che però è inattaccabile da questi due acidi presi singolarmente. L'acqua regia ha tale nome proprio per questa sua proprietà di sciogliere il più "nobile" dei metalli.
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. In precedenza era chiamato anche "spirito di sale".
Il nome «cloro», proveniente dal francese «chlore», è presente in italiano dal 1820.
Disponibilità 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 il salgemma o halite (cloruro di sodio), la 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
In laboratorio si può invece ottenere tramite il riscaldamento del biossido di manganese con acido cloridrico attraverso una reazione di ossido-riduzione:
MnO2 + 4 HCl → MnCl2 + 2 H2O + Cl2
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. Tale metodologia è oggi considerata altamente inquinante a causa del mercurio che tende a disperdersi nell'ambiente, pertanto tutti gli impianti che la utilizzano in Italia sono stati messi fuori servizio o sono in via di dismissione e/o riconversione verso la tecnologia a membrana.
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. Questa tecnologia è oggi considerata lo stato dell'arte e non presenta problemi di inquinamento. Tra i leader mondiali nella costruzione di celle a membrana vi è l'italiana De Nora S.p.A.
In Italia un impianto funzionante con questa tecnologia è lo stabilimento Eni Rewind (ex Syndial) di Assemini (Cagliari). Un secondo impianto, di recente costruzione, è la Halo Industry di Torviscosa (Udine).
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 HClO, ipoclorito di sodio NaClO, clorito di sodio NaClO2) 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.
Il cloro è stato il primo elemento chimico ad essere stato impiegato in forma organica nei rilevatori di neutrini solari. Sotto forma di composti come tetracloruro di carbonio, tricloroetilene, soluzione acquosa satura di cloruro di gallio è usato per lo studio dei "neutrini elettronici solari". Si è visto infatti che l'atomo di cloro, colpito da un neutrino si trasforma in argon (gas) ed emette un elettrone. Questo elettrone viene rilevato dai fotomoltiplicatori e la sua energia, direzione, ecc., vengono studiate per trarne informazioni.
È possibile che la quantità di argon presente nell'atmosfera (nella quale è presente come "gas raro", ovvero a bassa concentrazione) sia venuta a formarsi in ere preistoriche per azione del bombardamento neutrinico solare del cloro presente nelle acque degli oceani o emesso dalle eruzioni vulcaniche. Non esiste ancora prova che gli altri gas nobili possano derivare per bombardamento neutrinico degli alogeni che li precedono nella tavola periodica (il neon dal fluoro; il kripton dal bromo ed infine lo xeno dallo iodio).
Isotopi Dell'elemento cloro (Z = 17) si conoscono almeno 24 isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 28, ad A = 51. Tra questi, quelli presenti in natura, e che sono stabili, sono i 2 isotopi che seguono, con le loro abbondanze relative in parentesi: 35Cl (75,77%, il più abbondante, con N = 18, un neutrone in più dei protoni) e 37Cl (24,23%, 3 neutroni in più).
Isotopi stabili Il 35Cl (spin 3/2) è il primo dei due isotopi stabili del cloro e il più abbondante; la sua massa atomica è 34,968852682 u e l'energia di legame per nucleone è pari a 8,520278 MeV. Questo isotopo ha una notevole capacità di assorbire neutroni lenti: la sua sezione d'urto in tal senso è di 44 barn; si sfrutta questo fatto per la produzione dell'isotopo radioattivo 36Cl, importante per la ricerca.
Il 37Cl (spin 3/2) è il secondo e ultimo isotopo stabile del cloro, circa tre volte meno abbondante dell'altro; la sua massa atomica è 36,965902591 u e l'energia di legame per nucleone è pari a 8,57028 MeV, maggiore dell'altro.
Entrambi gli isotopi sono dotati di spin nucleare e sono pertanto assoggettabili alla risonanza magnetica nucleare, sebbene il valore maggiore di 1/2 dello spin comporta presenza di momento di quadrupolo nucleare che causa segnali allagati, limitando la risoluzioni degli spettri. Dei due, in genere viene preferito il cloro-35 (35Cl-RMN) per la sua maggiore abbondanza.
Nuclide Abbondanza Massa Spin Emivita Decadimento 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 2 301 243 anni ε/β+ (2%), β− 37Cl 24,23 36,9659 3/2 — — 38Cl — 37,9680 2 37,23 min β− 39Cl — 38,9680 3/2 56,2 min β− 40Cl — 39,9704 2 1,38 min β− 41Cl — 40,9707 n. m. 38,4 s β− 42Cl — 41,9732 n. m. 6,8 s β− 43Cl — 42,9742 n. m. 3,13 s β−
Isotopi radioattivi Gli isotopi che precedono il cloro-35 hanno emivite molto brevi, dell'ordine dei secondi o anche millisecondi. Tra i due isotopi stabili c'è il 36Cl, l'isotopo radioattivo più longevo. Quelli che seguono il cloro-37 hanno emivite che partono dall'ordine dell'ora per poi diminuire velocemente.
Il 33Cl (spin 3/2) decade in modalità mista, cattura elettronica/emissione di positrone (ε/β+; 0,083% / ≈99,9%), in realtà quasi solo in quest'ultima modalità, con emissione di un neutrino elettronico, per dare zolfo-33, stabile (Qβ+ = 4.560 keV, T1/2 = 2,511 secondi).
Il 34Cl (spin 0) decade in modalità mista, cattura elettronica/emissione di positrone (ε/β+; 0,079% / ≈99,9%), in realtà quasi solo in quest'ultima modalità, con emissione di un neutrino elettronico, per dare zolfo-34, stabile (Qβ+ = 4.470 keV, T1/2 = 1,526 secondi).
Il 36Cl (spin 2) decade secondo due modalità opposte, sebbene alquanto sbilanciate tra loro: per 1,9% dei casi decade ε/β+ dando zolfo-36 (stabile, Qβ+ = 120,02 keV) e, per il restante 98,1% dei casi, decade β− dando argon-36 (instabile, Qβ− = 709,68 keV); l'emivita complessiva è 301.243 anni. L'argon-36 così prodotto, che è osservativamente stabile, è però soggetto a decadere per doppia cattura elettronica, per dare zolfo-36, stabile.
Nell'atmosfera, il 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 in prossimità di centrali nucleari o provenienti da scorie di esplosioni nucleari, ed anche per cattura muonica dal 40Ca. L'emivita così lunga 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 delle 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. Il 36Cl trova uso anche in altre applicazioni, quali la datazione di ghiacci e sedimenti.
Il 38Cl (spin 2-) decade in modalità β− (Q = 4.916 keV, T1/2 = 37,23 minuti) per dare argon-38, stabile.