Oxígeno y Cloro: Propiedades Fundamentales, Procesos de Obtención y Aplicaciones Clave

El Oxígeno (O₂): Propiedades, Obtención y Usos

Características Fundamentales del Oxígeno

El oxígeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre (aproximadamente 50% en masa) y un componente esencial de la materia viva. El O₂ molecular es un gas inodoro y prácticamente incoloro en estado gaseoso (presenta una coloración azul pálida en estado líquido y sólido). La molécula de O₂ es paramagnética, una propiedad que se debe a la presencia de dos electrones desapareados en sus orbitales moleculares antienlazantes (π*). Es poco soluble en agua, pero esta solubilidad es suficiente para sustentar la vida acuática. El oxígeno atómico (O), a diferencia del molecular (O₂), es extremadamente reactivo e inestable; solo se encuentra en cantidades significativas en la alta atmósfera, donde es generado por fotodisociación del O₂.

Métodos de Preparación del Oxígeno

En Laboratorio

Las fuentes y métodos comunes de preparación en laboratorio incluyen:

• Descomposición térmica de compuestos oxigenados:
  • 2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g)
  • 2KClO₃(s) → 2KCl(s) + 3O₂(g) (con catalizador como MnO₂)
• Descomposición catalítica de peróxidos:
  • 2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g) (con catalizador como MnO₂ o KI)

A Nivel Industrial

Los principales métodos industriales son:

• Electrólisis del agua: Aunque produce oxígeno de alta pureza, es un proceso costoso energéticamente.
  2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)
• Destilación fraccionada del aire líquido: El aire es la fuente más importante de oxígeno (aproximadamente 21% en volumen) y nitrógeno (aproximadamente 78% en volumen). Se somete el aire previamente licuado a un proceso de separación por destilación fraccionada. Este proceso es viable porque los puntos de ebullición del N₂ (-196 °C) y O₂ (-183 °C) difieren en más de 12 °C. El O₂, al ser menos volátil, se recoge por la parte inferior de la columna de destilación. El grado de pureza obtenido depende de la eficiencia de la columna. Para numerosas aplicaciones, una pureza superior al 90% es suficiente. En ciertos procesos metalúrgicos, se utiliza oxígeno con purezas del 25-27% (principalmente para enriquecimiento de aire), aunque aplicaciones más exigentes como la acería requieren purezas mucho mayores (>99.5%).

Aplicaciones Destacadas del Oxígeno

El O₂ tiene una amplia gama de aplicaciones, entre las que destacan:

• Empleo como comburente en altos hornos para la obtención de hierro y en la fabricación de aceros.
• Tostación de minerales sulfurados.
• Uso en sopletes oxiacetilénicos para cortar y soldar metales.
• Fabricación de vidrios y materiales cerámicos.
• Diversos procesos de oxidación química industrial.
• En el craqueo catalítico y reformado de derivados del petróleo.
• Gasificación de carbones para producir gas de síntesis.
• Comburente en la propulsión de cohetes.
• Agente blanqueante en la industria papelera y textil.
• Usos medicinales (oxigenoterapia).

El Cloro (Cl): Abundancia, Síntesis Industrial y Procesos

Presencia Natural y Primeros Métodos de Síntesis

El Cloro (Cl) es un elemento muy abundante en la naturaleza. Forma parte de minerales como la sal gema (halita, NaCl) y la silvita (KCl). También se encuentra en grandes cantidades en el agua de mar, principalmente como ion cloruro (Cl^-), que es el anión más abundante. El primer método industrial significativo para la síntesis de cloro fue el proceso Deacon (desarrollado alrededor de 1868), que implicaba la oxidación del cloruro de hidrógeno (HCl) con oxígeno (O₂) atmosférico utilizando un catalizador de CuCl₂:

4HCl(g) + O₂(g) ⇌ 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)

En la actualidad, la producción de cloro se basa predominantemente en la electrólisis de soluciones de cloruro sódico.

Producción Industrial de Cloro

Electrólisis del Cloruro Sódico Fundido (Proceso Downs)

Este método se utiliza principalmente para la obtención de sodio metálico, siendo el cloro un subproducto valioso.

• Se realiza en una célula electrolítica (célula de Downs) con un ánodo de grafito (donde se desprende Cl₂ gaseoso) y un cátodo de acero (donde se deposita Na líquido).
• Reacciones:
  • Ánodo: 2Cl^-(l) → Cl₂(g) + 2e^-
  • Cátodo: 2Na⁺(l) + 2e^- → 2Na(l)
  • Global: 2NaCl(l) → 2Na(l) + Cl₂(g)
• Dado que la temperatura de fusión del NaCl puro es muy elevada (801 °C), el coste energético es alto. Además, presenta problemas de elevada corrosividad, pérdidas de Na por evaporación y un rendimiento que puede ser inferior al 75% debido a sobretensiones en los electrodos y reacciones secundarias. Para mitigar estos inconvenientes, se añaden fundentes (como CaCl₂ o mezclas de haluros) para disminuir la temperatura de fusión de la mezcla (a unos 600 °C) y, por ende, la temperatura de operación del baño electrolítico.

Electrólisis del Cloruro Sódico en Disolución Acuosa (Proceso Cloro-Álcali o Cloro-Sosa)

Este es el principal método para la producción industrial de cloro, y también produce hidróxido de sodio (NaOH) e hidrógeno (H₂) como coproductos. Se han considerado diversos materiales para el cátodo en la electrólisis de salmuera (por ejemplo, Mg en algunos contextos experimentales o específicos). Sin embargo, los procesos industriales principales son:

Célula de Mercurio (Proceso de Amalgama)

Históricamente importante, aunque en desuso en muchos países debido a la toxicidad del mercurio.

• Se utiliza una célula electrolítica con ánodo de carbón o, más modernamente, titanio recubierto con óxidos de metales nobles (DSA® - Dimensionally Stable Anodes), y un cátodo de mercurio líquido fluyente.
• Reacciones en la célula electrolítica:
  • Cátodo: Na⁺(aq) + e^- + Hg(l) → Na/Hg (amalgama de sodio)
  • Ánodo: 2Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2e^- (o Cl^- - e^- → ½Cl₂)
  • Reacción global en la celda: NaCl(aq) + Hg(l) → Na/Hg(amalgama) + ½Cl₂(g)
• La amalgama de sodio se trata luego con agua en un reactor separado (descomponedor) para producir NaOH de alta pureza e H₂, regenerando el mercurio:
  2Na/Hg + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) + 2Hg(l)

Células de Diafragma

• Utilizan un diafragma poroso, tradicionalmente de amianto (crisotilo) soportado sobre una malla de acero que actúa como cátodo (actualmente se buscan y utilizan materiales alternativos más seguros como polímeros fluorados debido a la peligrosidad del amianto).
• El diafragma separa el compartimento anódico (donde se produce Cl₂) del catódico (donde se produce H₂ y NaOH), permitiendo el flujo de iones Na⁺ y agua, pero limitando la retromezcla de iones OH^- y Cl₂.
• Reacciones:
  • Ánodo: 2Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2e^-
  • Cátodo: 2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-(aq)
  • Global: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + Cl₂(g) + H₂(g)
• Operan a una tensión de celda relativamente baja, pero el NaOH producido (sosa de diafragma) está diluido (10-12%) y contaminado con una cantidad significativa de NaCl sin reaccionar, lo que requiere etapas posteriores de evaporación y purificación.

Células de Membrana

• Representan la tecnología más moderna, eficiente y ambientalmente preferida.
• Se basan en la separación de los compartimentos catódico y anódico de la célula mediante una membrana polimérica selectiva de cationes (generalmente hecha de polímeros perfluorosulfónicos o perfluorocarboxílicos, como el Nafion®, que llevan incorporados grupos de intercambio iónico).
• Esta membrana permite el paso selectivo de iones Na⁺ (hidratados) desde el anolito hacia el catolito, pero es impermeable a los iones Cl^- y OH^-, y también al Cl₂ y H₂ gaseosos.
• Las reacciones son las mismas que en la célula de diafragma, pero la separación es mucho más efectiva.
• Con este método se obtiene NaOH de alta pureza (típicamente 30-35% en concentración) y prácticamente libre de NaCl, minimizando la contaminación del cloro con oxígeno. Es el proceso con menor consumo energético específico.