U N I V E R S I D A D E D E S Ã O P A U L O
E s c o l a d e E n g e n h a r i a d e L o r e n a – EE L
Química Inorgânica I
Cloro
Turma EI3 Data de Entrega: 23/11/2006 Alunos:Daniel Iodelis – 04I011
José Francisco Ferreira Junior – 05I002 Ulisses Carlos de Souza – 05I042
1. Introdução 1. Introdução 1. Introdução 1. Introdução
O cloro (do grego χλωρος, [chloros] que significa "amarelo esverdeado") foi
descoberto em 1774 pelo sueco Carl Wilhelm Scheele, que obteve o gás cloro (Cl2)
através da reação do mineral pirolusita (dióxido de manganês - MnO2) com ácido
clorídrico (HCl), conhecido na época como ácido muriático. Scheele suspeitou que o gás resultante contivesse oxigênio (O2). Obteve-o a partir da seguinte reação:
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O
Lavoisier batizou a nova substância de ácido oximuriático, pois pensava que ele era formado pela adição de oxigênio ao ácido clorídrico de uma maneira análoga à conversão do ácido sulfuroso em ácido sulfúrico por oxidação (note-se que Lavoisier acreditava que todos os ácidos continham oxigênio). Esta interpretação errônea foi consolidada pela investigação de Berthollet que, em 1785, verificou que, quando uma solução aquosa de cloro era colocada à luz do sol, libertava oxigênio. Os químicos Gay-Lussac e Thénard, em 1809, passaram o gás puro e seco por carbono ao rubro, mas não conseguiram separá-lo em componentes. Em 1810, Humprey Davy tentou novamente decompor o gás, tendo as suas tentativas falhado. Assim, provou que o ácido oximuriático de Lavoisier era uma substância elementar. Em 1823, Berzelius concordou com a teoria de Humphrey Davy de que o cloro era um elemento químico, e em 1825 usou a denominação halogênio para os elementos flúor (F), cloro (Cl) e iodo (I). O bromo (Br) ainda não era reconhecido como elemento.
Os processos anteriores as técnicas de eletrólise se baseavam nesta reação ou na reação direta de HCl com o ar ou oxigênio puro, produzindo água e cloro. Com estas técnicas começava a produção de cloro para alvejamento de roupas e papel, por volta do século dezenove.
O cloro foi utilizado na Primeira Guerra Mundial. Foi a primeira vez que se utilizou uma substância como arma química. É um gás amarelo esverdeado, tóxico, de forte cheiro, poderoso irritante dos olhos e do sistema respiratório. Pode ser detectado no ar pelo seu odor a partir de 3,5 ppm, sendo mortal a partir de 1.000 ppm.
É um não metal, com número atômico 17 e massa atômica 35,4527. Seu símbolo é Cl e pertence ao grupo dos halogênios. É gasoso à temperatura ambiente, sendo seu ponto de fusão, 171,6K (-101,4°C), e ponto de ebulição, 239,11K (-33,89°C). Sua distribuição eletrônica é: [Ne] 3s2 3p5, e sua densidade, 3,214 g/L.
2. 2. 2.
2. OcorrênOcorrênOcorrênOcorrênciaciaciacia
O cloro não é encontrado livre na natureza, devido à sua alta reatividade (exceto numa parte ínfima de gases vulcânicos). Geralmente está na forma combinada,
principalmente nos seguintes minerais: Carnalita (MgCl2.KCl.6H2O), encontrada nos
EUA, México e Alemanha, Silvita (KCl), encontrada nos EUA, México, Alemanha e Galícia e Halita (NaCl), encontrada na Áustria, Polônia, Tchecoslováquia, Alemanha, Espanha, Rússia, Inglaterra e EUA.
3. Preparação 3. Preparação 3. Preparação 3. Preparação
3.1. Oxidação de HCl
Antes dos métodos eletrolíticos serem usados para produção de cloro, a oxidação direta do ácido clorídrico com oxigênio ou ar era praticada no processo Deacon:
4HCl + O2 → 2Cl2 + 2 H2O
Esta reação era catalisada com CuCl2 e ocorria em torno de 400-450°C. Devido à
reação ser muito corrosiva, o uso industrial desse método era difícil.
3.2. Oxidação de NaCl 3.2. Oxidação de NaCl 3.2. Oxidação de NaCl 3.2. Oxidação de NaCl 3.3. Eletrólise do NaCl 3.3. Eletrólise do NaCl 3.3. Eletrólise do NaCl 3.3. Eletrólise do NaCl
É o halogênio mais abundante na água do mar com uma concentração de aproximadamente 18000 ppm (cerca de 19g/Kg). Na crosta terrestre está presente em menor quantidade, uns 130 ppm (0,13g/Kg).
O cloro é obtido principalmente (mais de 95% da produção) a partir da eletrólise do cloreto de sódio, NaCl, em solução aquosa, denominado processo de cloro-álcali. São usados três métodos:
• Eletrólise com célula de amálgama de mercúrio
Foi o primeiro método utilizado para produzir cloro em escala industrial. Neste processo ocorrem perdas de mercúrio gerando problemas ambientais. Nas duas últimas décadas do século XX o processo foi melhorado, embora ainda ocorra a perda de 1,3g de mercúrio por tonelada de cloro produzida. Devido aos problemas ambientais este processo está sendo substituído pela eletrólise de célula de membrana que, atualmente, é responsável pelo suprimento de menos de 20% da produção mundial de cloro.
É empregado um cátodo de mercúrio e um ânodo de titânio recoberto de platina ou óxido de platina. O cátodo está depositado no fundo de uma célula de eletrólise e o ânodo sobre este, a pouca distância. A célula é preenchida com cloreto de sódio e, com uma diferença de potencial adequada, se processa a eletrólise:
2Cl- - 2e- → Cl2
Hg + 2Na+ + 2e- → NaHg
A seguir se procede a decomposição da amálgama formada para recuperar o mercúrio. A base sobre a qual está a amálgama é ligeiramente inclinada para que ela escorra, passando para uma torre onde, em presença da água, ocorrem as seguintes reações de oxidação e redução:
-NaHg - 1e- → Na+ + Hg
Desta forma o mercúrio é reutilizado. Como subproduto forma-se soda cáustica
(NaOH) pela combinação da hidroxila (OH-) e Na+ formado nos dois eletrodos:
Na+ + OH- → NaOH
Deste modo consegue-se soda cáustica muito concentrada e um cloro muito puro, porém, consome-se mais energia do que em outros processos e existe o problema da contaminação com o mercúrio.
• Eletrólise com célula de diafragma
Utiliza-se um cátodo perfurado de aço ou ferro e um ânodo de titânio recoberto de platina ou óxido de platina. Ao cátodo se adere um diafragma poroso de fibras de asbesto misturado com outras fibras como, por exemplo, o politetrafluoroetileno (PTFE). Este diafragma separa o ânodo do cátodo evitando a recombinação dos gases formados.
O sistema é alimentado continuamente com salmoura, que circula desde o ânodo até o cátodo. As reações que ocorrem são:
2Cl- - 2e- → Cl2 (no ânodo)
2H+ + 2e- → H2 (no cátodo)
Na dissolução permanece uma mistura de NaOH e NaCl. O NaCl é reutilizado e o NaOH é de interesse comercial.
Este método apresenta a vantagem de consumir menos energia que o utilizado na amálgama de mercúrio, porém, o inconveniente é que o NaOH produzido é menos puro. Existe também o risco associado ao uso do asbesto.
• Eletrólise com célula de membrana
Este método é o que se pretetende implantar para a produção de cloro. Estima-se uma produção mundial de aproximadamente 30% deste elemento. É similar ao método que se emprega na célula de diafragma. O diafragma é substituido por uma
membrana sintética seletiva que deixa passar íons Na+, porém não permite a
passagem de íons OH- e Cl-.
O NaOH obtido é mais puro e mais concentrado que o obtido pelo método da célula de diafragama e, como este, consome menos energia que o método da amálgama de mercúrio, mesmo que a concentração de NaOH obtida seja menor, sendo necessário concentrá-lo. Por outro lado, o cloro obtido pelo método da amálgama de mercurio é mais puro.
Processa-se com o eletrólito fundido.
NaCl → Na+ + Cl- (eletrólito) Reação que ocorre no ânodo:
2Cl- → Cl2(g) +2e- (oxidação)
Reação que ocorre no cátodo:
2Na+ + 2e- → 2Na(s) (redução) Reação global:
2Cl- + 2Na+ → Cl2(g) + 2Na(s)
Perceba que no ânodo ocorre liberação de gás e no cátodo há deposição de sólido.
4. 4. 4.
4. P P Propriedades Químicas Propriedades Químicasropriedades Químicasropriedades Químicas 4.1. Reações com metais 4.1. Reações com metais 4.1. Reações com metais 4.1. Reações com metais 4.2. Reações com não 4.2. Reações com não 4.2. Reações com não
4.2. Reações com não----metaismetaismetais metais
O gás flúor (F2), reage com o gás cloro, a 225°C, para formar o ClF. O trifluoreto de cloro III também é formado, mas a reação não se completa:
Cl2(g) + F2(g) → 2ClF(g)
Cl2(g) + 3F2(g) → 2ClF3(g)
Sob condições forçadas, o excesso de flúor reage com cloro, a 350°C e 225atm para formar o ClF5.
Cl2(g) + 5F2(g) → 2ClF5(g)
O cloro reage com o bromo, numa fase gasosa formando o ClBr. Cl2(g) + Br2(g) → 2ClBr(g)
Similarmente, o cloro reage com iodo, à temperatura ambiente formando o ICl: Cl2(g) + I2(g) → 2ICl(s)
4.3. Reações com Hidrogênio 4.3. Reações com Hidrogênio 4.3. Reações com Hidrogênio 4.3. Reações com Hidrogênio
Um método comum de produção do ácido clorídrico na indústria cloro-álcali é usar um forno HCl, onde hidrogênio e cloro se combinam, em uma reação exotérmica, formando ácido clorídrico gasoso, conforme a reação abaixo:
4.4. Reações com H 4.4. Reações com H 4.4. Reações com H 4.4. Reações com H2222OOOO
O gás cloro reage com água para produzir o íon hipoclorito, OCl-. A posição do equilíbrio depende do pH da solução.
Cl2(g) + H2O(l) OCl-(aq) + 2H+(aq) + Cl-(aq)
5. Aplicações 5. Aplicações 5. Aplicações 5. Aplicações
O cloro é aplicado principalmente na purificação de águas, no branqueamento durante a produção de papel e na preparação de diversos compostos clorados,
como, por exemplo, o hipoclorito de sódio (NaClO) e hipoclorito de cálcio (CaCl2O).
Um processo de purificação de águas muito utilizado é a cloração. O agente é o ácido hipocloroso, HClO, que se produz dissolvendo cloro na água e regulando o pH. Na produção de papel se emprega cloro no branqueamento da polpa, apesar de
estar sendo substituído pelo díoxido de cloro, ClO2, e também no branqueamento de
fibras vegetais como algodão e linho.
Uma grande parte de cloro é empregada na produção de cloreto de vinila, composto orgânico usado como matéria-prima para a obtenção de policloreto de vinila, conhecido como PVC. Em menor proporção, para a produção de desinfetantes. Usa-se para a síntese de numerosos compostos orgânicos e inorgânicos como, por exemplo, o tetracloreto de carbono, CCl4, o clorofórmio, CHCl3, e diferentes
halogenetos metálicos. Também é empregado como agente oxidante e de substituição, e na extração de bromo (Br).
Usado na preparação de ácido clorídrico puro, que pode ser obtido por síntese direta. Na alimentação é utilizado como sal de cozinha (NaCl). Excesso de sal pode causar hipertensão arterial, por ser a fonte principal de sódio.
