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dióxido de cloro

\n| Density = {{val|2.757|u=g/dm3}} {{CRC91|page=4–58}} \n| MeltingPtC = -59\n| BoilingPtC = 11\n| Solubility = {{val|8|u=g/L}} ({{cvt|20|C|F K}})\n| SolubleOther = Soluble in a...

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El dióxido de cloro es un compuesto químico con la fórmula ClO₂ que existe como un gas amarillo verdoso por encima de 11 ° C (52 °F) , un líquido marrón rojizo entre 11 y -59 °C (52 y -74 °F) y como cristales de color naranja brillante por debajo de -59 °C (-74 °F) . Generalmente se manipula como una solución acuosa. Se usa comúnmente como blanqueador . Sus aplicaciones incluyen el procesamiento de alimentos y como desinfectante .      

Estructura y enlaces

La estructura según la Química General de Pauling
Equilibrio vapor-líquido sobre una solución acuosa de dióxido de cloro a diferentes temperaturas.

El dióxido de cloro es un radical libre . Una molécula de ClO₂ tiene un número impar de electrones de valencia y, por lo tanto , es paramagnética . Es un ejemplo inusual de molécula con un número impar de electrones estable frente a la dimerización ( el óxido nítrico es otro ejemplo). [ 6 ]

Se muestra una celda unitaria del cristal ortorrómbico de ClO 2 en una dirección arbitraria.

El ClO 2 cristaliza en el grupo espacial ortorrómbico Pbca . [ 7 ]

Historia

El dióxido de cloro fue preparado por primera vez en 1811 por Sir Humphry Davy . [ 8 ]

En 1933, Lawrence O. Brockway , estudiante de posgrado de Linus Pauling , propuso una estructura que involucraba un enlace de tres electrones y dos enlaces simples. [ 9 ] Sin embargo, Pauling, en su Química General, muestra un enlace doble con un oxígeno y un enlace simple más un enlace de tres electrones con el otro. La estructura del enlace de valencia se representaría como el híbrido de resonancia descrito por Pauling. [ 10 ] El enlace de tres electrones representa un enlace más débil que el enlace doble. En la teoría de orbitales moleculares, esta idea es común si el tercer electrón ocupa un orbital antienlazante. Trabajos posteriores han confirmado que el orbital molecular ocupado de mayor energía es, de hecho, un orbital antienlazante incompletamente lleno. [ 11 ]

Preparación

La reacción del cloro con el oxígeno en condiciones de fotólisis instantánea en presencia de luz ultravioleta produce cantidades traza de dióxido de cloro. [ 12 ]

Cl 2 + 2 O 2 UV → 2 ClO 2 ↑

El dióxido de cloro puede descomponerse violentamente al separarse de las sustancias diluyentes. Por ello, suelen preferirse los métodos de preparación que implican la obtención de soluciones sin pasar por la fase gaseosa.

Oxidación del clorito

En el laboratorio, el ClO 2 se puede preparar mediante la oxidación de clorito de sodio con cloro: [ 13 ]

NaClO 2 + 1 ⁄ 2 Cl 2 → ClO 2 + NaCl

Tradicionalmente, el dióxido de cloro para aplicaciones de desinfección se ha elaborado a partir de clorito de sodio o mediante el método de clorito de sodio- hipoclorito :

2 NaClO 2 + 2 HCl + NaOCl → 2 ClO 2 + 3 NaCl + H 2 O

o el método del clorito de sodio y el ácido clorhídrico :

5 NaClO 2 + 4 HCl → 5 NaCl + 4 ClO 2 + 2 H 2 O

o el método del clorito- ácido sulfúrico :

4 ClO − 2 + 2 H 2 SO 4 → 2 ClO 2 + HClO 3 + 2 SO 2− 4 + H 2 O + HCl

Los tres métodos pueden producir dióxido de cloro con un alto rendimiento de conversión de clorito. A diferencia de los otros procesos, el método de clorito-ácido sulfúrico está completamente libre de cloro, aunque requiere un 25 % más de clorito para producir una cantidad equivalente de dióxido de cloro. Como alternativa, el peróxido de hidrógeno puede utilizarse eficazmente en aplicaciones a pequeña escala. [ 1 ]

Reducción del clorato

La adición de ácido sulfúrico o cualquier ácido fuerte a las sales de clorato produce dióxido de cloro. [ 10 ]

En el laboratorio, el dióxido de cloro también se puede preparar mediante la reacción de clorato de potasio con ácido oxálico :

KClO 3 + H 2 C 2 O 4 → 1 ⁄ 2 K 2 C 2 O 4 + ClO 2 + CO 2 + H 2 O

o con ácido oxálico y sulfúrico:

KClO 3 + 1 ⁄ 2 H 2 C 2 O 4 + H 2 SO 4 → KHSO 4 + ClO 2 + CO 2 + H 2 O

Más del 95 % del dióxido de cloro producido en el mundo hoy en día se obtiene mediante la reducción de clorato de sodio , para su uso en el blanqueo de pulpa . Se produce con alta eficiencia en una solución ácida fuerte con un agente reductor adecuado como metanol , peróxido de hidrógeno , ácido clorhídrico o dióxido de azufre . [ 1 ] Las tecnologías modernas se basan en metanol o peróxido de hidrógeno, ya que estas químicas permiten la mejor economía y no coproducen cloro elemental. La reacción global se puede escribir como: [ 14 ]

clorato + ácido + agente reductor → dióxido de cloro + subproductos

Como ejemplo típico, se cree que la reacción del clorato de sodio con ácido clorhídrico en un reactor único se desarrolla a través de la siguiente vía:

ClO − 3 + Cl − + H + → ClO − 2 + HOCl
ClO − 3 + ClO − 2 + 2 H + → 2 ClO 2 + H 2 O
HOCl + Cl − + H + → Cl 2 + H 2 O

lo que da como resultado la reacción general

ClO − 3 + Cl − + 2 H + → ClO 2 + 1 ⁄ 2 Cl 2 + H 2 O .

La ruta de producción comercialmente más importante utiliza metanol como agente reductor y ácido sulfúrico para la acidificación. Dos ventajas de no utilizar procesos basados ​​en cloruro son que no se forma cloro elemental y que el sulfato de sodio , un producto químico valioso para la fábrica de pulpa, es un subproducto. Estos procesos basados ​​en metanol ofrecen alta eficiencia y pueden ser muy seguros. [ 1 ]

El proceso variante que utiliza clorato de sodio, peróxido de hidrógeno y ácido sulfúrico se ha utilizado cada vez más desde 1999 para el tratamiento de agua y otras aplicaciones de desinfección a pequeña escala , ya que produce un producto libre de cloro con una alta eficiencia, superior al 95%.

Otros procesos

También se puede producir dióxido de cloro muy puro mediante electrólisis de una solución de clorito: [ 15 ]

NaClO 2 + H 2 O → ClO 2 + NaOH + 1 ⁄ 2 H 2

El dióxido de cloro gaseoso de alta pureza (7,7% en aire o nitrógeno) se puede producir mediante el método gas-sólido, que hace reaccionar gas cloro diluido con clorito de sodio sólido: [ 15 ]

NaClO 2 + 1 ⁄ 2 Cl 2 → ClO 2 + NaCl

Manejo de propiedades

El dióxido de cloro es muy diferente del cloro elemental. [ 1 ] Una de las cualidades más importantes del dióxido de cloro es su alta solubilidad en agua, especialmente en agua fría. El dióxido de cloro no reacciona con el agua ; permanece como un gas disuelto en solución. El dióxido de cloro es aproximadamente 10 veces más soluble en agua que el cloro elemental, pero su solubilidad depende mucho de la temperatura. [ 1 ]

A presiones parciales superiores a 10 kPa (1,5 psi) (o concentraciones en fase gaseosa superiores al 10 % en volumen en el aire en condiciones normales de presión y temperatura ), el ClO₂ puede descomponerse explosivamente en cloro y oxígeno . [ 1 ] La descomposición puede iniciarse por la luz, puntos calientes, reacción química o choque de presión. Por lo tanto, el dióxido de cloro nunca se manipula como un gas puro, sino que casi siempre se manipula en una solución acuosa en concentraciones entre  0,5 y 10  g/L . Su solubilidad aumenta a temperaturas más bajas, por lo que es común usar agua fría ( 5 °C (41 °F) ) cuando se almacena en concentraciones superiores a 3 gramos por litro. En muchos países, como Estados Unidos, el dióxido de cloro no se puede transportar en ninguna concentración y, en cambio, casi siempre se produce in situ. [ 1 ] En algunos países, las soluciones de dióxido de cloro por debajo de   Las sustancias con una concentración de 3  g/L pueden transportarse por tierra, pero son relativamente inestables y se deterioran rápidamente.

Usos

El dióxido de cloro se utiliza para el blanqueo de pulpa de madera y para la desinfección (llamada cloración ) del agua potable municipal, el tratamiento de agua en aplicaciones de petróleo y gas, la desinfección en la industria alimentaria, el control microbiológico en torres de refrigeración y el blanqueo de textiles. [ 16 ] [ 17 ] : 4–1 [ 18 ] [ 19 ] Como desinfectante, es eficaz incluso a bajas concentraciones debido a sus cualidades únicas. [ 1 ] [ 17 ] [ 19 ]

Blanqueamiento

El dióxido de cloro se utiliza a veces para el blanqueo de pulpa de madera en combinación con cloro, pero se utiliza solo en secuencias de blanqueo ECF (sin cloro elemental). Se utiliza a un pH moderadamente ácido (de 3,5 a 6). El uso de dióxido de cloro minimiza la cantidad de compuestos organoclorados producidos. [ 20 ] A partir de 2005El dióxido de cloro (tecnología ECF) es el método de blanqueo más importante a nivel mundial. Aproximadamente el 95 % de toda la pulpa kraft blanqueada se produce utilizando dióxido de cloro en secuencias de blanqueo ECF. [ 21 ]

El dióxido de cloro también se ha utilizado para blanquear la harina . [ 22 ]

Tratamiento del agua

La planta de tratamiento de agua en Niagara Falls, Nueva York, utilizó por primera vez dióxido de cloro para el tratamiento de agua potable en 1944 para destruir " compuestos fenólicos que producen sabor y olor ". [ 17 ] : 4–17 [ 18 ] El dióxido de cloro se introdujo como desinfectante de agua potable a gran escala en 1956, cuando Bruselas , Bélgica, cambió de cloro a dióxido de cloro. [ 18 ] Su uso más común en el tratamiento de agua es como preoxidante antes de la cloración del agua potable para destruir impurezas naturales del agua que de otro modo producirían trihalometanos al exponerse al cloro libre. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] Se sospecha que los trihalometanos son subproductos de desinfección cancerígenos [ 26 ] asociados con la cloración de compuestos orgánicos presentes de forma natural en el agua cruda. [ 25 ] El dióxido de cloro también produce un 70% menos de halometanos en presencia de materia orgánica natural en comparación con cuando se utiliza cloro elemental o lejía. [ 27 ]

El dióxido de cloro también es superior al cloro cuando opera por encima de pH 7, [ 17 ] : 4–33 en presencia de amoníaco y aminas, [ 28 ] y para el control de biopelículas en sistemas de distribución de agua. [ 25 ] El dióxido de cloro se utiliza en muchas aplicaciones de tratamiento de agua industrial como biocida , incluyendo torres de refrigeración , agua de proceso y procesamiento de alimentos. [ 29 ]

El dióxido de cloro es menos corrosivo que el cloro y superior para el control de la bacteria Legionella . [ 18 ] [ 30 ] El dióxido de cloro es superior a otros métodos secundarios de desinfección del agua, ya que no se ve afectado negativamente por el pH, no pierde eficacia con el tiempo porque las bacterias no desarrollan resistencia a él, y no se ve afectado negativamente por la sílice y los fosfatos , que son inhibidores de corrosión comúnmente utilizados en el agua potable. En Estados Unidos, es un biocida registrado por la EPA .

Es más eficaz como desinfectante que el cloro en la mayoría de los casos contra agentes patógenos transmitidos por el agua, como virus , bacterias y protozoos , incluidos los quistes de Giardia y los ooquistes de Cryptosporidium . [ 31 ] [ 17 ] : 4-20–4-21

El uso de dióxido de cloro en el tratamiento del agua conduce a la formación del subproducto clorito, que está limitado a un máximo de 1 parte por millón en el agua potable en los EE. UU. [ 17 ] : 4–33 Esta norma de la EPA limita el uso de dióxido de cloro en los EE. UU. a agua de calidad relativamente alta, porque esto minimiza la concentración de clorito, o a agua que se va a tratar con coagulantes a base de hierro, porque el hierro puede reducir el clorito a cloruro. [ 32 ] La Organización Mundial de la Salud también recomienda una dosificación de 1 ppm. [ 27 ]

Uso en crisis públicas

El dióxido de cloro tiene muchas aplicaciones como oxidante o desinfectante. [ 1 ] El dióxido de cloro se puede usar para la desinfección del aire y fue el principal agente utilizado en la descontaminación de edificios en los Estados Unidos después de los ataques con ántrax de 2001. [ 33 ] [ 34 ] Después del desastre del huracán Katrina en Nueva Orleans, Luisiana, y la costa del Golfo circundante, el dióxido de cloro se usó para erradicar el moho peligroso de las casas inundadas por el agua. [ 35 ]

Para hacer frente a la pandemia de COVID-19, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) publicó una lista de desinfectantes que cumplen con sus criterios para su uso en medidas ambientales contra el coronavirus causante . [ 36 ] [ 37 ] Algunos se basan en clorito de sodio activado en dióxido de cloro, aunque se utilizan diferentes formulaciones en cada producto. Muchos otros productos de la lista de la EPA contienen hipoclorito de sodio , que tiene un nombre similar pero no debe confundirse con el clorito de sodio porque tienen modos de acción química muy diferentes.

Otros usos de desinfección

El dióxido de cloro puede utilizarse como tratamiento fumigante para "desinfectar" frutas como arándanos, frambuesas y fresas que desarrollan moho y levadura. [ 38 ]

El dióxido de cloro puede utilizarse para desinfectar las aves de corral rociándolas o sumergiéndolas después del sacrificio. [ 39 ]

El dióxido de cloro puede utilizarse para la desinfección de endoscopios , como por ejemplo bajo el nombre comercial Tristel. [ 40 ] También está disponible en un tratamiento triple que consiste en una limpieza previa con tensioactivo y un enjuague posterior con agua desionizada y un antioxidante de baja concentración. [ 41 ]

El dióxido de cloro puede utilizarse para el control de los mejillones cebra y quagga en las tomas de agua. [ 17 ] : 4–34

Se ha demostrado que el dióxido de cloro es eficaz en la erradicación de chinches . [ 42 ]

Para purificar el agua durante un campamento , las tabletas desinfectantes que contienen dióxido de cloro son más efectivas contra los patógenos que las que usan lejía doméstica, pero suelen ser más caras. [ 43 ] [ 44 ]

Otros usos

El dióxido de cloro se utiliza como oxidante para destruir fenoles en corrientes de aguas residuales y para el control de olores en los depuradores de aire de plantas de procesamiento de subproductos animales (procesamiento de subproductos animales). [ 17 ] : 4–34 También está disponible para su uso como desodorante para automóviles y embarcaciones, en paquetes generadores de dióxido de cloro que se activan con agua y se dejan en la embarcación o el automóvil durante la noche.

En concentraciones diluidas, el dióxido de cloro es un ingrediente que actúa como agente antiséptico en algunos enjuagues bucales . [ 45 ] [ 46 ]

Problemas de seguridad en el agua y los suplementos

Los peligros potenciales del dióxido de cloro incluyen intoxicación y riesgo de ignición espontánea o explosión al entrar en contacto con materiales inflamables. [ 47 ] [ 48 ]

El dióxido de cloro es tóxico y se requieren límites en la exposición humana para garantizar su uso seguro. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos ha establecido un nivel máximo de 0,8  mg/L para el dióxido de cloro en el agua potable. [ 49 ] La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA), una agencia del Departamento de Trabajo de los Estados Unidos , ha establecido un límite de exposición permisible de 8 horas de 0,1  ppm en el aire (0,3 mg / m³ ) para las personas que trabajan con dióxido de cloro. [ 50 ]

El dióxido de cloro se ha comercializado de forma fraudulenta e ilegal como una cura ingerible para una amplia gama de afecciones, incluyendo el autismo [ 51 ] y el coronavirus . [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] Niños a quienes se les administraron enemas de dióxido de cloro como supuesta cura para el autismo experimentaron complicaciones potencialmente mortales. [ 51 ] La Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) ha declarado que la ingestión u otro uso interno de dióxido de cloro, fuera del enjuague bucal supervisado con concentraciones diluidas, no tiene ningún beneficio para la salud y no debe usarse internamente por ningún motivo. [ 55 ] [ 56 ]

Lecturas adicionales

Referencias

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