Cloruro di alluminio: proprietà, produzione e usi

1.2. Reazioni chimiche del cloruro di alluminio anidro

Il cloruro di alluminio anidro reagisce vigorosamente con l’acqua per produrre cloruro di idrogeno. Questa reazione porta alla formazione dell’esaidrato AlCl₃ • 6 H₂O, con una massa molare di 241,44 g/mol.

Nelle soluzioni acquose, il cloruro di alluminio subisce un’idrolisi parziale, producendo acido cloridrico e ossicloruro di alluminio, indicato come AlClO. Questo comportamento del cloruro di alluminio in un mezzo acquoso sottolinea le sfide dell’isolamento del cloruro di alluminio anidro mediante concentrazione della soluzione e calcinazione dell’idrato.

Il riscaldamento del cloruro di alluminio insieme alla γ-allumina determina la formazione di ossicloruro di alluminio, AlClO. Tuttavia, a temperature superiori a 700 °C, questa reazione inverte la direzione:

AlCl₃ + Al₂O₃ ↔ 3 AlClO

In condizioni specifiche, il cloruro di alluminio vaporizzato può reagire con alluminio fuso a 1000 °C e pressione ridotta, dando un monocloruro di alluminio volatile AlCl. Questo composto si decompone immediatamente nei suoi costituenti elementari nelle sezioni più fredde del reattore. Tale processo è stato sfruttato per la purificazione dell’alluminio.

La reazione tra cloruro di alluminio e vari alogenuri metallici, come CaCl₂, CrCl₃ e FeCl₃, produce alogenuri misti. Le fusioni eutettiche, formate con altri cloruri metallici, sono importanti a livello industriale. Ad esempio, la fusione eutettica formata con cloruro di sodio funge da solvente nelle reazioni di clorurazione.

Il cloruro di alluminio anidro si dissolve facilmente nei solventi organici polari. Funzionando come un acido di Lewis, si impegna nella creazione di composti di addizione con una serie di donatori di elettroni. Questi includono acido cloridrico, acido solfidrico, anidride solforosa, tetracloruro di zolfo, tricloruro di fosforo, eteri, esteri, ammine e alcoli.

1.3. Produzione di cloruro di alluminio anidro

Il cloruro di alluminio anidro può essere prodotto da alluminio o ossido di alluminio puro. La bauxite non è più utilizzata come materia prima perché contiene cloruro di ferro.

1.3.1. Produzione di cloruro di alluminio anidro mediante clorurazione dell’alluminio

Il metodo più comune per produrre cloruro di alluminio anidro è la clorurazione dell’alluminio fuso. Il cloro viene fatto passare attraverso l’alluminio fuso in un reattore rivestito in ceramica. La reazione è altamente esotermica:

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

La temperatura nel reattore viene mantenuta a 670–850 °C controllando le portate di cloro e alluminio e raffreddando le pareti del reattore con acqua. L’alluminio viene solitamente aggiunto sotto forma di grumi. La difficoltà di controllare l’elevato calore di reazione può essere superata suddividendo il processo in un certo numero di piccole unità.

Il vapore di cloruro di alluminio che esce dal reattore viene fatto passare attraverso tubi rivestiti in ceramica in grandi camere di ferro raffreddate ad aria. Il cloruro di alluminio solido viene estratto dalle pareti del condensatore a intervalli regolari, macinato (per impedire l’assorbimento di umidità) e classificato tramite setacciatura. Il cloro nel gas di scarico viene rimosso con metodi convenzionali, come l’assorbimento in una soluzione di soda caustica.

1.3.2. Produzione di cloruro di alluminio anidro mediante clorurazione di ossido di alluminio puro

La clorurazione di ossido di alluminio puro è un metodo alternativo per produrre cloruro di alluminio anidro. Questo metodo è vantaggioso rispetto alla clorurazione di alluminio perché produce un prodotto di purezza più elevata ed evita gli elevati costi delle materie prime della clorurazione di alluminio.

Nella clorurazione di ossido di alluminio puro, il monossido di carbonio e il cloro vengono parzialmente convertiti in fosgene su un catalizzatore a carbone attivo. La miscela di reazione gassosa entra quindi in un reattore a letto fluidizzato rivestito di mattoni, dove reagisce con γ-allumina finemente suddivisa per produrre cloruro di alluminio.

La reazione è sufficientemente esotermica (circa 300 kJ/mol, in base ad AlCl₃) da mantenere la temperatura a 500–600 °C senza calore esterno. Ciò consente l’uso di grandi reattori e una lunga durata per il rivestimento in mattoni.

Il vapore di cloruro di alluminio viene filtrato attraverso un letto di scaglie di pomice grossolane, condensato e ulteriormente elaborato come descritto sopra. Il gas di scarico contiene cloro, fosgene e grandi quantità di anidride carbonica.

Il cloro viene rimosso mediante lavaggio e il fosgene viene idrolizzato con acqua. Il cloruro di alluminio estremamente puro può essere ottenuto mediante sublimazione dal cloruro di sodio e alluminio fuso.

1.4. Utilizzi del cloruro di alluminio anidro

Il cloruro di alluminio anidro è un importante catalizzatore nell’industria chimica e petrolchimica. Viene utilizzato in una varietà di reazioni, tra cui:

• L’alchilazione del benzene da parte di alogenuri alchilici per formare alchilbenzeni, che vengono utilizzati nella produzione di detergenti sintetici.
• L’etilazione in fase liquida del benzene con etilene per produrre etilbenzene, che viene utilizzato nella produzione di stirene.
• La produzione di cloruro di etile da acido cloridrico ed etilene.
• La produzione di antrachinone e dei suoi derivati, che vengono utilizzati nell’industria dei coloranti.
• La produzione di pigmenti, come verde ftalocianina.
• La finitura dei pigmenti di biossido di titanio per proteggerli dall’ossidazione.
• La riforma degli idrocarburi, come catalizzatore di polimerizzazione nella produzione di resine idrocarburiche e per la produzione di gomma butilica.
• La produzione di composti, come aldeidi aromatiche, chetoni e 2-fenil-etanolo, utilizzati nelle fragranze.
• La produzione di boroidruro di alluminio, idruro di litio e alluminio e composti di fosforo e zolfo.

Le soluzioni di cloruro di alluminio sono utilizzate anche come agenti flocculanti nel trattamento delle acque reflue.

Oltre a questi usi, il cloruro di alluminio anidro è anche un intermedio nella produzione di alluminio mediante il processo di fusione Alcoa.

1.5. Tossicità e manipolazione

Il cloruro di alluminio anidro è una sostanza corrosiva e irritante che può causare danni alla pelle, agli occhi e alle vie respiratorie. È anche un tossico e la sua tossicità è causata dallo sviluppo di acido cloridrico quando entra in contatto con l’umidità.

Il cloruro di alluminio anidro deve essere maneggiato con cura e in conformità con le normative di sicurezza pertinenti. Quando si maneggia questa sostanza, è necessario indossare dispositivi di protezione individuale (DPI) come occhiali, guanti e indumenti protettivi. È inoltre necessario utilizzare una cappa aspirante o un respiratore con filtro di tipo B/St contro i gas acidi.

Il cloruro di alluminio anidro deve essere conservato in un luogo fresco e asciutto in contenitori ermeticamente chiusi. Non deve essere conservato per più di sei mesi, poiché tende a solidificare. Quando si trasporta il cloruro di alluminio anidro, deve essere adeguatamente imballato ed etichettato in conformità con le normative pertinenti.

Le seguenti precauzioni di sicurezza devono essere prese quando si maneggia cloruro di alluminio anidro:

• Evitare il contatto con pelle, occhi e mucose.
• Non respirare la polvere o il vapore.
• Utilizzare una cappa aspirante o un respiratore quando si lavora con questa sostanza.
• Lavarsi accuratamente le mani dopo la manipolazione.
• Smaltire correttamente le fuoriuscite e i rifiuti.

2. Cloruro di alluminio esaidrato

2.1. Proprietà del cloruro di alluminio esaidrato

Il cloruro di alluminio esaidrato è un solido cristallino bianco con formula AlCl₃·6 H₂O. Ha una struttura cristallina esagonale e si dissolve esotermicamente in acqua (133 g di esaidrato per 100 g di acqua a 20 °C). La solubilità aumenta solo leggermente con la temperatura. Le soluzioni acquose sono fortemente acide perché il sale si idrolizza. L’acido cloridrico si sviluppa riscaldando soluzioni concentrate.

Ecco alcune proprietà aggiuntive dell’esaidrato di cloruro di alluminio:

• Massa molare: 241,43 g/mol
• Densità: 2,40 g/cm³
• Punto di fusione: 100 °C (dec.)
• Igroscopicità: Sì
• Odore: Debole odore di HCl
• Pericoli per la sicurezza: Corrosivo, irritante, tossico

2.2. Produzione e usi dell’esaidrato di cloruro di alluminio

L’esaidrato di cloruro di alluminio si produce sciogliendo l’idrossido di alluminio in acido cloridrico. L’esaidrato cristallizza quando l’acido cloridrico viene fatto passare in una soluzione satura fredda (circa 20 °C). Questo processo rimuove le impurità, come il cloruro di ferro (III).

Il cloruro di alluminio esaidrato non è ampiamente utilizzato da solo, ma è un importante intermedio nella produzione di ossido di alluminio. È anche utilizzato nella produzione di emulsioni fotografiche e come agente flocculante nel trattamento delle acque reflue.

Ecco alcune informazioni aggiuntive sulla produzione e sugli usi del cloruro di alluminio esaidrato:

• Produzione: il cloruro di alluminio esaidrato è prodotto su larga scala dal processo Solvay. In questo processo, l’idrossido di alluminio viene sciolto in acido cloridrico e la soluzione risultante viene quindi evaporata fino a secchezza. I cristalli di esaidrato vengono quindi separati dalla soluzione.
• Usi: il cloruro di alluminio esaidrato è utilizzato nella produzione di ossido di alluminio, che viene utilizzato in una varietà di applicazioni, come la fabbricazione di metallo di alluminio, vernici e pigmenti. Viene anche utilizzato nella produzione di emulsioni fotografiche e come agente flocculante nel trattamento delle acque reflue.

3. Cloruro di alluminio basico

3.1. Proprietà dei cloruro di alluminio basico

I cloruro di alluminio basico sono una classe di composti con la formula generale Al₂(OH)_6–nCl_{n • x}H₂O. I singoli composti sono meglio definiti dal loro rapporto molare tra alluminio e cloruro (2/n) o dalla loro basicità, che è definita come (1 – n/6) × 100%.

La basicità dei cloruro di alluminio basico varia dal 30% al 75%. I composti con una basicità inferiore al 30% sono instabili e si decompongono in idrossido di alluminio e ossido di alluminio per riscaldamento. I composti con una basicità superiore al 75% sono stabili in soluzione acquosa.

I cloruro di alluminio basico sono solidi bianchi e cristallini che sono solubili in acqua. La solubilità aumenta con la basicità del composto. La conduttività elettrica delle soluzioni acquose di cloruro di alluminio basico è caratteristica dei composti.

Le soluzioni acquose di cloruro di alluminio basico sono acide perché i composti si idrolizzano. La stabilità delle soluzioni dipende dalla basicità del composto.

I composti con una basicità inferiore al 75% si decompongono per dare cloruro basico di alluminio insolubile a una velocità che dipende dalla temperatura e dalla concentrazione della soluzione. I composti con una basicità superiore al 75% sono molto stabili in soluzione acquosa.

Quando i cloruro di alluminio basico vengono evaporati, il composto Al₂(OH)_3,7Cl_2,3 • 6,05 H₂O (basicità 62%) cristallizza sempre. Aggiungendo alcali ai cloruro di alluminio basico, precipita l’idrossido di alluminio.

L’acido cloridrico converte tutti i cloruro di alluminio basico nell’esaidrato, AlCl₃· 6 H₂O.

3.2. Struttura chimica dei cloruro di alluminio basico

I cloruro di alluminio basico sono noti da molto tempo, ma solo di recente le indagini hanno fornito informazioni significative sulle loro strutture chimiche. I cloruro di alluminio basico sono miscele di composti complessi con vari gradi di polimerizzazione.

Le indagini spettroscopiche e cinetiche dei cloruro di alluminio basico e delle loro soluzioni hanno portato alla conclusione che lo ione complesso [Al₁₃O₄(OH)₂₄(H₂O)₁₂]⁷⁺ è presente ed è in equilibrio con le sue forme polimeriche.

Le variazioni osservate nelle proprietà di queste soluzioni acquose, come viscosità e pH, sono causate dalla polimerizzazione e depolimerizzazione dello ione complesso.

3.3. Produzione di cloruro di alluminio basico

I cloruro di alluminio basico si ottengono sciogliendo idrossido di alluminio o alluminio metallico in acido cloridrico. L’idrossido di alluminio invecchiato produrrà solo composti con una basicità fino al 65%.

Per ottenere cloruri di alluminio con un’elevata basicità, è necessario utilizzare idrossido di alluminio appena precipitato. Tuttavia, il metodo preferito è quello di sciogliere l’alluminio in acido cloridrico, termicamente o elettrochimicamente.

Il metodo termico prevede il riscaldamento di una miscela di alluminio e acido cloridrico. La reazione è esotermica, quindi la temperatura deve essere attentamente controllata. La soluzione risultante conterrà cloruro di alluminio e acqua. La basicità della soluzione può essere aumentata aggiungendo altro acido cloridrico.

Il metodo elettrochimico prevede il passaggio di una corrente elettrica attraverso una soluzione di alluminio e acido cloridrico. Ciò fa sì che l’alluminio si sciolga e formi cloruro di alluminio. La basicità della soluzione può essere aumentata regolando la corrente o la quantità di tempo in cui si lascia procedere la reazione.

I cloruro di alluminio basico solidi si ottengono dalle soluzioni mediante evaporazione attenta o essiccazione a spruzzo.

Di recente, è stato sviluppato un altro metodo per produrre cloruro di alluminio basico. Questo metodo prevede la decomposizione termica controllata di AlCl₃· 6 H₂O.

3.4. Utilizzi dei cloruro di alluminio basico

Gli utilizzi dei cloruro di alluminio basico, compresi i cloruri di polialluminio e il cloridrato di alluminio, sono i seguenti:

1. I cloruri di polialluminio con basicità dal 35% al ​​60% sono ampiamente utilizzati come agenti flocculanti per purificare l’acqua. Aiutano a raggruppare le impurità, rendendone più facile la rimozione dall’acqua. Il PAC è utilizzato nel trattamento delle acque superficiali, delle fognature, delle acque reflue industriali e persino nelle piscine.
2. I cloruri di polialluminio fungono da agente di collaggio fissativo nell’industria della carta. Aiutano a rendere la carta più forte e resistente. Ciò è stato particolarmente importante quando si è passati da metodi di collaggio acidi a neutri o alcalini, sostituendo il tradizionale solfato di alluminio.
3. Il cloridrato di alluminio, un tipo specifico di cloruro di alluminio basico, è utilizzato nei cosmetici, in particolare negli antitraspiranti. È un ingrediente importante che aiuta a ridurre la sudorazione. Deve essere molto puro per questo scopo.
4. Produzione di catalizzatori e fibre: il cloridrato di alluminio ha applicazioni nella produzione di catalizzatori e nella creazione di fibre resistenti alla temperatura basate su Al₂O₃. Ciò estende il suo utilizzo a vari settori che richiedono questi materiali.
5. Il cloridrato di alluminio funge da agente idrofobico nell’impregnazione di tessuti di cotone. Contribuisce anche ai processi di concia delle pelli.
6. Nella produzione di carta, il cloridrato di alluminio agisce come agente di ritenzione, contribuendo a migliorare la qualità della carta. È anche utilizzato come agente legante nella produzione di prodotti ceramici ignifughi.
7. Il cloridrato di alluminio è utilizzato come agente indurente per fissare rapidamente i bagni nell’industria fotografica. Inoltre, funziona come flocculante, aiutando a purificare l’acqua delle piscine agglomerando le impurità per una più facile rimozione.

3.5. Tossicologia

Il cloridrato di alluminio è generalmente considerato non irritante per la pelle nelle concentrazioni utilizzate commercialmente.

Tuttavia, l’applicazione intermittente di 150 mg di cloridrato di alluminio in un periodo di 3 giorni ha causato una lieve irritazione cutanea negli esseri umani.

In confronto, una dose di soli 7,5 mg di AlCl₃·6 H₂O (un altro tipo di cloruro di alluminio basico) ha causato lo stesso grado di irritazione.

Nel complesso, le prove disponibili suggeriscono che il cloridrato di alluminio è generalmente sicuro per l’uso nei cosmetici. Tuttavia, è importante notare che alcune persone potrebbero essere più sensibili a questo composto rispetto ad altre.

Riferimento

• Composti di alluminio, inorganici; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_527.pub2