Il confronto tra fluoro e cloro richiede di mettere insieme informazioni sulla struttura elettronica, sulla posizione nella tavola periodica, sulle proprietà chimiche legate alle dimensioni atomiche e sulle conseguenze pratiche di tali differenze. Il fluoro (simbolo: F, numero atomico: 9) è un alogeno della tavola periodica, situato nel gruppo 17. Il cloro è un elemento della tavola periodica, con simbolo Cl e numero atomico 17. Poiché l'atomo è neutro, il numero dei suoi elettroni corrisponde al numero atomico Z.
La configurazione elettronica esterna (cioè relativa all'ultimo livello occupato) è destinata a ripetersi in atomi diversi, seppure per valori di n diversi. Per costruire la configurazione elettronica di un atomo qualsiasi, scelto o dato un qualunque valore di Z, occorre immaginare la disposizione degli Z elettroni negli orbitali, avendo cura di riempire per primi i livelli energetici più bassi. Gli elettroni possono essere presenti nel numero massimo di due per ciascun orbitale e questo comporta che il primo livello possa contenere un massimo di due elettroni (nell'orbitale 1s), il secondo un massimo di otto (negli orbitali 2s, 2px, 2py e 2pz), etc. Il fluoro ha Z=9 e il cloro Z=17: entrambi appartengono al gruppo 17 e dunque condividono la stessa configurazione elettronica esterna caratteristica degli alogeni, pur avendo n diversi per il guscio esterno.
La carica positiva del nucleo genera un campo elettrostatico che attrae e trattiene gli elettroni e che è in ogni punto dello spazio tanto più forte quanto più il punto considerato è vicino al nucleo. Poiché però il campo è quantizzato l'intensità decresce in modo discontinuo quando ci si allontana dal nucleo. Il numero quantico principale n descrive il livello energetico principale e, con buona approssimazione, è identificabile con il guscio elettronico che determina la dimensione esterna dell'atomo. In generale la dimensione atomica aumenta scendendo un gruppo della tavola periodica (aumenta n) e diminuisce procedendo lungo un periodo da sinistra a destra (aumenta la carica nucleare effettiva che trattiene più gli elettroni).
Il fluoro possiede il guscio esterno con n=2 mentre il cloro ha il guscio esterno con n=3: questo implica che, a parità di gruppo, il cloro ha elettroni in un livello più esterno e quindi un raggio atomico maggiore. In primo luogo osserviamo che il numero atomico è intero e compreso tra 1 e 92; poiché l'atomo è neutro, il numero dei suoi elettroni corrisponde al numero atomico Z. Di conseguenza, il fluoro, con numero atomico minore e con elettroni nel secondo livello, risulta caratterizzato da un raggio atomico inferiore rispetto al cloro, che ha elettroni nel terzo livello.
La carica positiva del nucleo attrae gli elettroni; aumentando il numero di protoni nel nucleo aumenta la forza attrattiva sugli elettroni esterni, ma l'effetto di schermatura degli elettroni interni può ridurre la carica nucleare effettiva percepita dagli elettroni esterni. Tuttavia, nel confronto tra fluoro e cloro, la principale ragione della maggiore dimensione del cloro è la presenza di un livello elettronico aggiuntivo (n=3) che allontana gli elettroni più esterni dal nucleo, superando l'aumento della carica nucleare.
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L'energia di ionizzazione (Ei) è la quantità di energia necessaria per estrarre un elettrone da un atomo neutro in fase gassosa; in genere l'energia di prima ionizzazione cresce muovendosi da sinistra a destra in un periodo e diminuisce scendendo un gruppo. L'affinità elettronica descrive la tendenza di un atomo a catturare un elettrone. Gli alogeni come fluoro e cloro presentano elevata affinità elettronica, ma le differenze nelle dimensioni atomiche influenzano i valori: il fluoro, pur essendo estremamente elettronegativo, può avere particolarità nei valori misurati dell'affinità elettronica a causa della forte repulsione elettronica nel piccolo guscio esterno.
Le differenze di dimensione tra fluoro e cloro spiegano molti impieghi diversi. Il fluoro, grazie alla piccola dimensione e all'elevata elettronegatività, trova molte applicazioni specifiche: viene incorporato in diversi composti farmaceutici per migliorarne la stabilità e l'attività; dà luogo ai fluoroderivati organici che impartiscono grande inerzia chimica, resistendo all'idrolisi; i fluorocarburi e il politetrafluoroetilene (Teflon) sono esempi di materiali con eccezionali proprietà di stabilità e resistenza termica.
Il cloro è ampiamente usato come disinfettante e come materia prima industriale. Il cloro è tra i disinfettanti più utilizzati nell’industria e in ambito domestico (un esempio è la candeggina, che può contenere una percentuale variabile di cloro). Alcuni studi hanno dimostrato che il principio attivo del cloro è in grado di rompere i legami chimici delle molecole degli agenti patogeni, come virus e batteri. Il cloro è utilizzato nella fabbricazione del 95% dei beni in commercio e nel 55% dei processi industriali di trasformazione chimica; è impiegato in quasi tutti i settori industriali per la produzione di articoli di uso quotidiano, tra cui materie plastiche (esempi sono PVC), siliconi, resine e gomme sintetiche.
Il fluoro elementare viene tipicamente preparato attraverso l'elettrolisi del fluoruro di potassio (KF) in una soluzione di fluoruro di idrogeno (HF). Il sistema di preparazione dell'elemento è quello elettrolitico. L'elettrolito si prepara generalmente facendo arrivare vapori di acido fluoridrico nel fluoruro di potassio caldo; l'assorbimento dell'acido è rapido e la massa liquefa facilmente; si regola la quantità di acido in modo da avere KF·1.8-2.0 HF al quale poi si aggiunge 1-1,5% di LiF sia per abbassare il punto di fusione della miscela, sia per ridurre la polarizzazione anodica. Il gas ottenuto per elettrolisi è quasi sempre impuro per HF oltre che per CO2, N2, O2, CF4. Per raccogliere il fluoro in recipienti a pressione esso può essere liquefatto a bassa temperatura (-187 °C) e introdotto nei recipienti dove rievapora; ma questo procedimento, che comporta una forte spesa di refrigerazione, si pratica solo quando occorra raccogliere piccole quantità di gas.
Per molti usi non occorre disporre di fluoro elementare ma basta avere composti capaci di liberarlo facilmente: il più usato tra questi composti è il trifluoruro di cobalto che si ottiene trattando CoCl2 a 350-450° con HF gassoso; si forma così CoF2 che passa a trifluoruro in presenza di fluoro a 200-300 °C. Come il fluoruro di cobalto agiscono quello di manganese (MnF3), di piombo (PbF4), d'argento (AgF2), ecc. Un altro composto degno di nota è l'esafluoruro di zolfo (SF6), usato come dielettrico gassoso in generatori elettrostatici ad elevata differenza di potenziale e preparato per azione del fluoro sullo zolfo fuso.
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Il fluoro è altamente tossico, corrosivo e reattivo. Il cloro è composto da 17 protoni e 17 elettroni e la sua composizione lo rende tossico per gli esseri viventi, sebbene non si trovi libero in natura, ma soprattutto sotto forma di cloruro (la più usuale è il sale da cucina). La sua composizione rende il cloro tossico per le persone, se inalato, ingerito o assorbito dalla pelle in quantità eccessive e, solitamente, per un periodo prolungato. Un‘intossicazione da cloro è molto pericolosa per la salute e può provocare serie complicazioni come formazione di liquido nei polmoni, difficoltà respiratorie e irritazioni cutanee.
Durante la Prima Guerra Mondiale, i Tedeschi lo utilizzarono come arma chimica nella battaglia di Ypres, in Belgio, nel 1915 e nel 1917, causando la morte di decine di soldati. È consigliabile consultare un medico o rivolgersi al pronto soccorso se si sospetta un'esposizione significativa.
| Caratteristica | Fluoro (F) | Cloro (Cl) |
|---|---|---|
| Numero atomico (Z) | 9 | 17 |
| Guscio esterno | n = 2 | n = 3 |
| Raggio atomico (tendenza) | Minore | Maggiore |
| Elettronegatività | Massima tra gli elementi | Elevata ma inferiore al F |
| Reattività | Estremamente alta | Alta |
| Usi tipici | Fluoroderivati, Teflon, farmaceutica | Disinfezione, PVC, processi industriali |
In sintesi, la differenza principale nelle dimensioni atomiche tra fluoro e cloro è dovuta al diverso numero di gusci elettronici occupati: il fluoro ha gli elettroni più esterni nel secondo livello, mentre il cloro li ha nel terzo, determinando un raggio atomico più grande per il cloro e influenzando le proprietà chimiche correlate come elettronegatività, reattività e usi industriali.
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