Obtención de halógenos

Métodos de laboratorio para la síntesis de cloro

En condiciones de laboratorio, el cloro ($Cl_2$) se obtiene tradicionalmente mediante la oxidación del ácido clorhídrico ($HCl$) con diversos reactivos fuertes.

1. Oxidación con permanganato de potasio ($KMnO_4$) Este es el método más sencillo y extendido. Al entrar en contacto los gránulos cristalinos de permanganato de potasio con ácido clorhídrico concentrado, se observa una efervescencia activa de la mezcla. Como resultado, se desprende un gas verdoso con un olor acre y sofocante. Ecuación: $2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2\uparrow + 8H_2O + 2KCl$. Modificación: En lugar de $HCl$ pura, se puede emplear una mezcla de una disolución de cloruro de sodio ($NaCl$) y ácido sulfúrico ($H_2SO_4$). Es importante recordar que sin la adición de ácido sulfúrico, la reacción entre el $KMnO_4$ y el $NaCl$ no se lleva a cabo. Seguridad: El cloro es altamente tóxico. El experimento se realiza utilizando microcantidades de reactivos (no más de 5 gotas) o en recipientes herméticos especializados.

2. Oxidación con óxido de manganeso(IV) ($MnO_2$) El polvo negro de dióxido de manganeso reacciona con el ácido clorhídrico únicamente al calentar. Ecuación: $MnO_2 + 4HCl \xrightarrow{t^\circ} MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$. Una enorme ventaja de este método es la posibilidad de interrumpir el proceso en cualquier momento: tan pronto como se retira la fuente de calor, la liberación de gas se detiene.

3. Oxidación con dicromato de potasio ($K_2Cr_2O_7$) La mezcla de cristales naranjas de dicromato con ácido provoca la aparición gradual del olor a cloro. Al mismo tiempo, la disolución cambia de color de naranja a verde (indicador de la formación de cloruro de cromo(III) — $CrCl_3$). Ecuación: $K_2Cr_2O_7 + 14HCl \rightarrow 2CrCl_3 + 3Cl_2\uparrow + 7H_2O + 2KCl$. Dado que las capacidades oxidantes de los productos y de los reactivos son cercanas, la reacción es reversible y transcurre de forma lenta. Para acelerar el desprendimiento de cloro, es necesario calentar el matraz.

4. Reacción con clorato de potasio (sal de Berthollet) Ejemplo de obtención química basado en el principio de conproporción (interacción de compuestos de cloro en estados de oxidación negativo y positivo). Ecuación: $KClO_3 + HCl \rightarrow Cl_2\uparrow + KCl + H_2O$.

Obtención industrial de cloro y flúor

La producción a gran escala requiere métodos económicamente rentables, por lo que los oxidantes químicos se sustituyen por corriente eléctrica.

El cloro se obtiene mediante la electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de sodio ($NaCl$). Durante el proceso, los productos se distribuyen de la siguiente manera:

• En el ánodo se desprende el gas de interés, el cloro ($Cl_2$).
• En el cátodo se forma hidrógeno gaseoso ($H_2$).
• En el electrolito se acumula hidróxido de sodio ($NaOH$).

Ecuación: $2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{electrólisis} H_2\uparrow + Cl_2\uparrow + 2NaOH$. El hidrógeno y el álcali no se desechan, sino que actúan como subproductos valiosos de la producción química.

El flúor ($F_2$) es el elemento del grupo que requiere más trabajo para su obtención. Al ser el oxidante más fuerte en la naturaleza, no se somete a oxidación química; no existe un reactivo capaz de arrebatar un electrón al ion fluoruro. Por lo tanto, el único método disponible es la electrólisis de fluoruros fundidos. Como materia prima se utiliza fluoruro ácido de potasio ($KF\cdot HF$), y el proceso se lleva a cabo a una temperatura de fusión de aproximadamente 240 °C.

Síntesis de bromo y yodo mediante el método de desplazamiento

Los bromuros y yoduros se oxidan mucho más fácilmente que los cloruros. En este sentido, el bromo y el yodo se obtienen mediante una reacción de desplazamiento a partir de disoluciones acuosas de sus sales. Como agente oxidante actúa un halógeno más activo: el cloro gaseoso. Ecuación general utilizando sales de sodio como ejemplo: $2NaBr + Cl_2 \rightarrow Br_2 + 2NaCl$.

Las reacciones están acompañadas de cambios visuales llamativos:

Durante la obtención de bromo ($Br_2$):

1. La disolución, inicialmente incolora, se tiñe de amarillo y posteriormente adquiere un color naranja intenso (acumulación de bromo disuelto).
2. Si la concentración de los reactivos es alta, en el fondo del recipiente se acumula un líquido pesado de color rojo pardo (bromo líquido puro).
3. En el aire aparece un característico olor pesado y desagradable.

Durante la obtención de yodo ($I_2$):

1. El color de la disolución se intensifica desde un amarillo claro hasta un tono saturado de «té cargado».
2. Pronto comienza la precipitación de un sedimento negro (cristales de yodo).
3. Tras la precipitación del sedimento, el líquido sobrenadante vuelve a aclararse hasta un tono amarillo pálido.

Mecanismo del cambio de color de la disolución de yodo: La coloración a «té cargado» no se debe al yodo libre en sí, sino a la formación de un complejo entre los iones yoduro y las moléculas de yodo: $I^- + I_2 \rightleftharpoons I_3^-$. A medida que el cloro desplaza al yodo, la concentración de los iones iniciales $I^-$ en la disolución disminuye. El equilibrio de la reacción se desplaza hacia la izquierda (en dirección a la disociación del complejo $I_3^-$), y el $I_2$ libre, que posee una baja solubilidad, precipita en forma de sedimento.

Oxidación de halogenuros con el oxígeno del aire

Algunos iones halogenuro son capaces de oxidarse incluso bajo la acción del oxígeno atmosférico común ($O_2$), sin la adición de reactivos especializados.

• Yoduros: Se oxidan lentamente en contacto con el aire. Visualmente, esto se manifiesta en que las disoluciones se vuelven amarillas con el tiempo. Este proceso se ve muy favorecido por un medio ácido. Si se toma una disolución de yoduro de hidrógeno ($HI$), esta se oscurece muy rápidamente debido a la rápida formación de una gran cantidad de $I_2$ libre.
• Cloruros y bromuros: Poseen una mayor estabilidad química y no reaccionan con el oxígeno del aire.

Preguntas de clases y exámenes

Qué más repasar sobre el tema

• Mecanismo de formación y disociación del complejo del ion triyoduro
• Cinética de la oxidación del ácido clorhídrico con dicromato de potasio
• Reacciones de conproporción de los halógenos
• Influencia del pH del medio en la velocidad de oxidación de los yoduros por el oxígeno atmosférico

Otros temas de la sección «Capítulo 9. Elementos del grupo VIIA: halógenos»

Material preparado por los profesores de WhiteCoat Pro según el plan de estudios de las facultades de medicina. De carácter educativo.