Producción y usos del cloruro de aluminio

aluminum chloride

1. Cloruro de aluminio anhidro

Hans Christian Oersted preparó por primera vez cloruro de aluminio anhidro en 1825 haciendo pasar cloro gaseoso a través de una mezcla calentada de alúmina y carbono. Este compuesto es un catalizador importante en la química orgánica, particularmente para la alquilación y acilación de Friedel-Crafts, que se utilizan para producir aromáticos alquilados, colorantes, productos farmacéuticos y productos químicos de perfumería.

Tabla de contenido

1.1. Propiedades físicas del cloruro de aluminio anhidro

El cloruro de aluminio se encuentra como un dímero Al2Cl6 a temperaturas de hasta 400°C. A medida que aumenta la temperatura, el dímero comienza a disociarse y, a temperaturas superiores a 800°C, esta disociación se completa.

La forma sólida de cloruro de aluminio adquiere una disposición reticular de capas monoclínica tras la cristalización.

Si bien el cloruro de aluminio puro es blanco, la variante comercial a menudo tiene un tono amarillento o grisáceo debido a trazas de cloruro de hierro o impurezas de aluminio. Las propiedades físicas específicas del cloruro de aluminio anhidro se muestran en la siguiente tabla:

Propiedad Valor
Masa molar 133,34 g/mol
Densidad (ρ) 2,44 g/cm³
Temperatura de sublimación 181,2°C a una presión de 101,3 kPa
Punto Triple 192,5°C a 233 kPa
Calor de formación a 25°C -705,63 ± 0,84 kJ/mol
Calor de sublimación del dímero a 25°C 115,73 ± 2,30 kJ/mol
Calor de fusión 35,35 ± 0,84 kJ/mol
Calor de la solución a 20°C -325,1 kJ/mol

1.2. Reacciones químicas del cloruro de aluminio anhidro

El cloruro de aluminio anhidro reacciona vigorosamente con el agua para producir cloruro de hidrógeno. Esta reacción conduce a la formación del hexahidrato AlCl3 • 6 H2O, con una masa molar de 241,44 g/mol.

En soluciones acuosas, el cloruro de aluminio sufre una hidrólisis parcial, produciendo ácido clorhídrico y oxicloruro de aluminio, denominado AlClO. Este comportamiento del cloruro de aluminio en medio acuoso subraya los desafíos de aislar el cloruro de aluminio anhidro mediante la concentración de la solución y la calcinación de hidratos.

Calentar cloruro de aluminio junto con γ-alúmina da como resultado la formación de oxicloruro de aluminio, AlClO. Sin embargo, a temperaturas superiores a 700°C, esta reacción invierte la dirección:

AlCl3 + Al2O3 ↔ 3 AlClO

En condiciones específicas, el cloruro de aluminio vaporizado puede reaccionar con aluminio fundido a 1000 °C y presión reducida, dando un monocloruro de aluminio volátil, AlCl. Este compuesto se descompone inmediatamente en sus constituyentes elementales en las secciones más frías del reactor. Este proceso se ha aprovechado para la purificación del aluminio.

La reacción entre el cloruro de aluminio y varios haluros metálicos, como CaCl2, CrCl3 y FeCl3, produce haluros mixtos. Las masas eutécticas fundidas, formadas con otros cloruros metálicos, son de importancia industrial. Por ejemplo, la masa eutéctica formada con cloruro de sodio sirve como disolvente en reacciones de cloración.

El cloruro de aluminio anhidro se disuelve fácilmente en disolventes orgánicos polares. Al funcionar como un ácido de Lewis, participa en la creación de compuestos de adición con una variedad de donantes de electrones. Estos incluyen cloruro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre, tetracloruro de azufre, tricloruro de fósforo, éteres, ésteres, aminas y alcoholes.

1.3. Producción de cloruro de aluminio anhidro

El cloruro de aluminio anhidro se puede producir a partir de aluminio u óxido de aluminio puro. La bauxita ya no se utiliza como materia prima porque contiene cloruro de hierro.

1.3.1. Cloración del aluminio

El método más común para producir cloruro de aluminio anhidro es clorar el aluminio fundido. El cloro pasa a través del aluminio fundido en un reactor revestido de cerámica. La reacción es altamente exotérmica:

2 Al(s) + 3 Cl2(g) → Al2Cl6(s)  ⇒ ΔH° = -1411 kJ/mol

La temperatura en el reactor se mantiene entre 670 y 850 °C controlando los caudales de cloro y aluminio y enfriando las paredes del reactor con agua. El aluminio normalmente se añade en forma de grumos. La dificultad de controlar el gran calor de reacción se puede superar dividiendo el proceso en varias unidades pequeñas.

El vapor de cloruro de aluminio que sale del reactor pasa a través de tubos revestidos de cerámica hacia grandes cámaras de hierro enfriadas por aire. El cloruro de aluminio sólido se retira de las paredes del condensador a intervalos regulares, se muele (para evitar la absorción de humedad) y se clasifica mediante tamizado. El cloro del gas de escape se elimina mediante métodos convencionales, como la absorción en una solución de sosa cáustica.

1.3.2. Cloración de óxido de aluminio puro

La cloración del óxido de aluminio puro es un método alternativo para producir cloruro de aluminio anhidro. Este método es ventajoso sobre la cloración del aluminio porque produce un producto de mayor pureza y evita los altos costos de materia prima de la cloración del aluminio.

En la cloración de óxido de aluminio puro, el monóxido de carbono y el cloro se convierten parcialmente en fosgeno a través de un catalizador de carbón activado. Luego, la mezcla de reacción gaseosa ingresa a un reactor de lecho fluidizado revestido de ladrillos, donde reacciona con γ-alúmina finamente dividida para producir cloruro de aluminio.

La reacción es lo suficientemente exotérmica (alrededor de 300 kJ/mol, basado en AlCl3) para mantener la temperatura entre 500 y 600 °C sin calor externo. Esto permite el uso de reactores de gran tamaño y una larga vida útil del revestimiento de ladrillos.

El vapor de cloruro de aluminio se filtra a través de un lecho de virutas de piedra pómez gruesas, se condensa y se procesa adicionalmente como se describe anteriormente. Los gases de escape contienen cloro, fosgeno y grandes cantidades de dióxido de carbono.

El cloro se elimina mediante lavado y el fosgeno se hidroliza con agua. Se puede obtener cloruro de aluminio extremadamente puro mediante sublimación a partir de cloruro de aluminio y sodio fundido.

1.4. Usos del cloruro de aluminio anhidro

El cloruro de aluminio anhidro es un catalizador importante en las industrias química y petroquímica. Se utiliza en una variedad de reacciones, que incluyen:

  • La alquilación del benceno mediante haluros de alquilo para formar alquilbencenos, que se utilizan en la producción de detergentes sintéticos.
  • La etilación en fase líquida del benceno con etileno para producir etilbenceno, que se utiliza en la producción de estireno.
  • La producción de cloruro de etilo a partir de ácido clorhídrico y etileno.
  • La producción de antraquinona y sus derivados, que se utilizan en la industria de colorantes.
  • La producción de pigmentos, como el verde de ftalocianina.
  • El acabado de los pigmentos de dióxido de titanio para protegerlos de la oxidación.
  • El reformado de hidrocarburos, como catalizador de polimerización en la producción de resinas de hidrocarburos y para la producción de caucho butílico.
  • La producción de compuestos, como aldehídos aromáticos, cetonas y 2-feniletanol, utilizados en fragancias.
  • La producción de borohidruro de aluminio, hidruro de litio y aluminio y compuestos de fósforo y azufre.

Las soluciones de cloruro de aluminio también se utilizan como agentes floculantes en el tratamiento de aguas residuales.

Además de estos usos, el cloruro de aluminio anhidro también es un intermediario en la producción de aluminio mediante el proceso de fundición de Alcoa.

1.5. Toxicidad y manipulación

El cloruro de aluminio anhidro es una sustancia corrosiva e irritante que puede causar daños a la piel, los ojos y el tracto respiratorio. También es un tóxico y su toxicidad es causada por el desprendimiento de ácido clorhídrico cuando entra en contacto con la humedad.

El cloruro de aluminio anhidro debe manipularse con cuidado y de acuerdo con las normas de seguridad pertinentes. Se debe usar equipo de protección personal (PPE), como gafas, guantes y ropa protectora, al manipular esta sustancia. También se debe utilizar una campana de gases o un respirador con filtro tipo B/St contra gases ácidos.

El cloruro de aluminio anhidro debe almacenarse en un lugar fresco y seco en recipientes herméticamente cerrados. No se debe conservar más de seis meses, ya que tiende a apelmazarse. Cuando se transporte cloruro de aluminio anhidro, éste deberá estar debidamente embalado y etiquetado de acuerdo con la normativa pertinente.

Se deben tomar las siguientes precauciones de seguridad al manipular cloruro de aluminio anhidro:

  • Evite el contacto con la piel, ojos y mucosas.
  • No respirar el polvo o el vapor.
  • Utilice una vitrina de gases o un respirador cuando trabaje con esta sustancia.
  • Lávese bien las manos después de manipular.
  • Eliminar adecuadamente los derrames y residuos.

2. Cloruro de aluminio hexahidratado

2.1. Propiedades del cloruro de aluminio hexahidrato

El cloruro de aluminio hexahidrato es un sólido cristalino blanco con la fórmula AlCl3·6H2O. Tiene una estructura cristalina hexagonal y se disuelve exotérmicamente en agua (133 g de hexahidrato por 100 g de agua a 20 °C). La solubilidad aumenta sólo ligeramente con la temperatura. Las soluciones acuosas son fuertemente ácidas porque la sal se hidroliza. El cloruro de hidrógeno se desprende al calentar soluciones concentradas.

A continuación se muestran algunas propiedades adicionales del cloruro de aluminio hexahidrato:

  1. Masa molar: 241,43 g/mol
  2. Densidad: 2,40 g/cm3
  3. Punto de fusión: 100 °C (desc.)
  4. Higroscopicidad: Sí
  5. Olor: leve olor a HCl
  6. Peligros para la seguridad: Corrosivo, irritante, tóxico.

2.2. Producción y usos del cloruro de aluminio hexahidratado

El cloruro de aluminio hexahidrato se produce disolviendo hidróxido de aluminio en ácido clorhídrico. El hexahidrato cristaliza cuando se pasa cloruro de hidrógeno a una solución saturada fría (aproximadamente 20 °C). Este proceso elimina impurezas, como el cloruro de hierro (III).

El cloruro de aluminio hexahidrato no se usa mucho por sí solo, pero es un intermediario importante en la producción de óxido de aluminio. También se utiliza en la producción de emulsiones fotográficas y como agente floculante en el tratamiento de aguas residuales.

A continuación se ofrece información adicional sobre la producción y los usos del cloruro de aluminio hexahidratado:

Producción: El cloruro de aluminio hexahidratado se produce a gran escala mediante el proceso Solvay. En este proceso, se disuelve hidróxido de aluminio en ácido clorhídrico y luego la solución resultante se evapora hasta sequedad. A continuación se separan los cristales de hexahidrato de la solución.

Usos: El cloruro de aluminio hexahidratado se utiliza en la producción de óxido de aluminio, que se utiliza en una variedad de aplicaciones, como la fabricación de aluminio metálico, pinturas y pigmentos. También se utiliza en la producción de emulsiones fotográficas y como agente floculante en el tratamiento de aguas residuales.

3. Cloruros de aluminio básicos

3.1. Propiedades de los cloruros de aluminio básicos

Los cloruros de aluminio básicos son una clase de compuestos con la fórmula general Al2(OH)6–nCln • xH2O. Los compuestos individuales se definen mejor por su relación molar de aluminio a cloruro (2/n) o por su basicidad, que se define como (1 – n/6) × 100%.

La basicidad de los cloruros de aluminio básicos oscila entre el 30% y el 75%. Los compuestos con una basicidad inferior al 30% son inestables y se descomponen en hidróxido de aluminio y óxido de aluminio al calentarlos. Los compuestos con una basicidad superior al 75% son estables en solución acuosa.

Los cloruros de aluminio básicos son sólidos cristalinos blancos que son solubles en agua. La solubilidad aumenta con la basicidad del compuesto. La conductividad eléctrica de las soluciones acuosas de cloruros de aluminio básicos es característica de los compuestos.

Las soluciones acuosas de cloruros de aluminio básicos son ácidas porque los compuestos se hidrolizan. La estabilidad de las soluciones depende de la basicidad del compuesto.

Los compuestos con una basicidad inferior al 75% se descomponen para dar cloruro de aluminio básico insoluble a una velocidad que depende de la temperatura y la concentración de la solución. Los compuestos con una basicidad superior al 75% son muy estables en solución acuosa.

Cuando se evaporan cloruros de aluminio básicos, el compuesto Al2(OH)3,7Cl2,3 • 6,05 H2O (basicidad 62%) siempre cristaliza. Al agregar álcali a cloruros de aluminio básicos, precipita hidróxido de aluminio.

El ácido clorhídrico convierte todos los cloruros de aluminio básicos en hexahidrato, AlCl3·6 H2O.

3.2. Estructura química de los cloruros de aluminio básicos

Los cloruros de aluminio básicos se conocen desde hace mucho tiempo, pero sólo recientemente las investigaciones han permitido comprender mejor su estructura química. Los cloruros de aluminio básicos son mezclas de compuestos complejos de diversos grados de polimerización.

Las investigaciones espectroscópicas y cinéticas de cloruros de aluminio básicos y sus soluciones han llevado a la conclusión de que el ion complejo [Al13O4(OH)24(H2O)12]7+ está presente y en equilibrio con sus formas poliméricas.

Las variaciones observadas en las propiedades de estas soluciones acuosas, como la viscosidad y el pH, son causadas por la polimerización y despolimerización del ion complejo.

3.3. Producción de cloruros de aluminio básicos

Los cloruros de aluminio básicos se obtienen disolviendo hidróxido de aluminio o aluminio metálico en ácido clorhídrico. El hidróxido de aluminio que ha envejecido sólo producirá compuestos con una basicidad de hasta el 65%.

Para obtener cloruros de aluminio con una basicidad elevada se debe utilizar hidróxido de aluminio recién precipitado. Sin embargo, el método preferido es disolver aluminio en ácido clorhídrico, ya sea térmica o electroquímicamente.

El método térmico consiste en calentar una mezcla de aluminio y ácido clorhídrico. La reacción es exotérmica, por lo que se debe controlar cuidadosamente la temperatura. La solución resultante contendrá cloruro de aluminio y agua. La basicidad de la solución se puede aumentar añadiendo más ácido clorhídrico.

El método electroquímico consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través de una solución de aluminio y ácido clorhídrico. Esto hace que el aluminio se disuelva y forme cloruro de aluminio. La basicidad de la solución se puede aumentar ajustando la corriente o la cantidad de tiempo que se permite que proceda la reacción.

Los cloruros de aluminio básicos sólidos se obtienen a partir de las soluciones mediante evaporación cuidadosa o mediante secado por pulverización.

Recientemente se ha desarrollado otro método para producir cloruros de aluminio básicos. Este método implica la descomposición térmica controlada de AlCl3 · 6H2O.

3.4. Usos de los cloruros de aluminio básicos

Los usos de los cloruros de aluminio básicos, incluidos los cloruros de polialuminio (PAC) y el clorhidrato de aluminio, son los siguientes:

  1. Los cloruros de polialuminio (PAC) con basicidades del 35% al 60% se utilizan ampliamente como agentes floculantes para purificar el agua. Ayudan a agrupar las impurezas, lo que facilita su eliminación del agua. El PAC se utiliza en el tratamiento de aguas superficiales, aguas residuales, aguas residuales industriales e incluso en piscinas.
  2. El PAC sirve como agente de apresto fijador en la industria papelera. Ayuda a que el papel sea más fuerte y resistente. Esto fue especialmente importante al pasar de métodos de dimensionamiento ácidos a neutros o alcalinos, reemplazando el sulfato de aluminio tradicional.
  3. El clorhidrato de aluminio, un tipo específico de cloruro de aluminio básico, se utiliza en cosmética, especialmente en antitranspirantes. Es un ingrediente importante que ayuda a reducir la sudoración. Para ello debe ser muy puro.
  4. Producción de catalizadores y fibras: el clorhidrato de aluminio tiene aplicaciones en la producción de catalizadores y la creación de fibras resistentes a la temperatura basadas en Al2O3. Esto extiende su uso a diversas industrias que requieren de estos materiales.
  5. El clorhidrato de aluminio sirve como agente hidrófobo en la impregnación de textiles de algodón. También contribuye a los procesos de curtido del cuero.
  6. En la producción de papel, el clorhidrato de aluminio actúa como agente de retención, ayudando a mejorar la calidad del papel. También se utiliza como aglutinante en la producción de productos cerámicos resistentes al fuego.
  7. El clorhidrato de aluminio se utiliza como endurecedor para la fijación rápida de baños en la industria fotográfica. Además, funciona como floculante, ayudando a purificar el agua de la piscina al agrupar las impurezas para facilitar su eliminación.

3.5. Toxicología

Generalmente se considera que el clorhidrato de aluminio no irrita la piel en las concentraciones utilizadas comercialmente.

Sin embargo, la aplicación intermitente de 150 mg de clorhidrato de aluminio durante un período de 3 días provocó una leve irritación de la piel en humanos.

En comparación, una dosis de sólo 7,5 mg de AlCl3·6H2O (otro tipo de cloruro de aluminio básico) provocó el mismo grado de irritación.

En general, la evidencia disponible sugiere que el clorhidrato de aluminio es generalmente seguro para su uso en cosméticos. Sin embargo, es importante señalar que algunas personas pueden ser más sensibles a este compuesto que otras.

Referencia

Preguntas más frecuentes

El cloruro de aluminio es un compuesto químico compuesto de átomos de aluminio y cloro. Se utiliza comúnmente en diversas aplicaciones industriales y procesos químicos debido a sus propiedades únicas.

La fórmula química del cloruro de aluminio es AlCl3. Esto indica que consta de un átomo de aluminio (Al) y tres átomos de cloro (Cl).

La masa molar del cloruro de aluminio (AlCl3) es de aproximadamente 133,34 gramos por mol (g/mol).

El cloruro de aluminio tiene una variedad de aplicaciones en diferentes industrias. Se utiliza comúnmente como catalizador en reacciones químicas, particularmente en la producción de diversos compuestos orgánicos. También se utiliza en procesos de tratamiento de agua, fabricación de papel, cosméticos (como antitranspirantes) y como agente endurecedor en fotografía.

El cloruro de aluminio, especialmente en su forma anhidra, puede ser corrosivo y potencialmente irritante para la piel, los ojos y el tracto respiratorio. Sin embargo, su toxicidad depende del nivel de exposición. Es importante manipular el cloruro de aluminio con cuidado y seguir las pautas de seguridad al usarlo.

El cloruro de aluminio anhidro (AlCl3) es un sólido de color amarillo pálido a blanco. Sin embargo, su apariencia puede variar según su forma y sus impurezas. Las formas hidratadas de cloruro de aluminio, como el clorhidrato de aluminio, también pueden variar de color debido a la presencia de moléculas de agua y otros factores.