Chlore et dichlore

Élément nécessaire à de nombreuses formes de vie et important pour notre vie quotidienne, il n’existe pourtant pas à l’état naturel du fait de sa très grande réactivité comme tous ses congénères du groupe 17, les halogènes. L’élément chlore est présent dans l’eau de mer sous forme d’ion chlorure (19 g/L, ce qui représente 1015 t de Cl-) et dans la croûte terrestre (0,03 %) sous forme de sels (cf. Chlorure de sodium). Dans l’atmosphère, il est sous forme de chlorure d’hydrogène (cf. Acide chlorhydrique) produit lors des éruptions volcaniques (0,5-11 Mt/an) et de chlorure de méthyle provenant d’algues marines (5 Mt/an). Le corps humain contient 0,15 % de sa masse en ions chlorure (4,5 à 6 g/L dans le sang).

Le dichlore fut découvert en 1774 par Carl Wilhelm Scheele, en versant quelques gouttes d’acide chlorhydrique sur du dioxyde de manganèse, et l’appela air d’acide muriatique déphlogistiqué. En 1809, Joseph Louis Gay-Lussac et Louis-Jacques Thénard n’arrivant pas à convertir cet « air » conclurent qu’il s’agissait peut-être d’un élément simple. C’est en 1810 que Humphry Davy confirma cette observation et attribua à ce nouvel élément le nom de chlore, du grec chloros signifiant jaune-vert. En fait, le chlore, à l’état de corps simple se rencontre sous la forme de la molécule de dichlore, Cl2, un gaz 2,5 fois plus dense que l’air, présentant une odeur suffocante très désagréable et extrêmement toxique.

Avec le fluor (cf. Fluor), le brome, l’iode et l’astate, le chlore est un membre de la série des halogènes qui constitue le groupe 17 du tableau périodique, le groupe d’éléments le plus réactif. Il se combine aisément avec presque tous les éléments du fait d’une liaison entre les deux atomes relativement faible (seulement de 242 kJ/mol). Le chlore peut adopter les états d’oxydation de −1 à +7, les combinaisons avec l’oxygène étant les plus représentatives : hypochlorite (état d’oxydation +1, ClO-, cf. Eau de Javel), chlorite (état d’oxydation +3, ClO2-), dioxyde de chlore (état d’oxydation +4, ClO2), chlorate (état d’oxydation +5, ClO3-) et perchlorate (état d’oxydation +7, ClO4-).

Le chlore est produit à partir des chlorures par oxydation : c’est le procédé Deacon d’oxydation de l’acide chlorhydrique (cf. Acide chlorhydrique), mais principalement par électrolyse de solutions aqueuses d’acide chlorhydrique, de chlorure de sodium (cf. Chlorure de sodium) ou encore de chlorure de sodium fondu, cette dernière mise en œuvre étant employée pour la coproduction du sodium.

L’électrolyse chlore-soude est la principale méthode de production du chlore :

2 NaCl + 2 H2O ------> Cl2 + H2 + 2 NaOH

Elle a lieu dans des cellules de 3 types :

    • à lit de mercure, où le dichlore est produit à l’anode et le sodium forme un amalgame avec le mercure à la cathode. Cet amalgame réagit avec l’eau dans un réacteur séparé où le dihydrogène et la solution de soude caustique à 50 % sont produits. Ce procédé est en voie de disparition du fait de la toxicité du mercure, même si la pollution engendrée ne représente que quelques pour cents de l’émission anthropique totale,
    • à diaphragme, où le compartiment anodique est séparé du compartiment cathodique par un diaphragme perméable. La saumure est introduite dans le compartiment anodique où se dégage le chlore et traverse le diaphragme pour produire la soude et du dihydrogène dans le compartiment cathodique,
    • à membrane, où les deux compartiments sont séparées par une membrane échangeuse d’ions. Seuls les ions sodium franchissent la membrane pour former la soude, avec coproduction de dihydrogène. Du fait d’une consommation électrique plus faible, c’est le procédé qui remplace actuellement le procédé à lit de mercure.

La production de dichlore est très consommatrice d’énergie : 3 491 kWh sont en moyenne nécessaires pour produire une tonne de dichlore. C’est après la sidérurgie, l’industrie la plus consommatrice d’électricité : la consommation française représente 3 % de la production électrique d’EdF pour une production de dichlore d’environ 1,8 Mt/an. La production mondiale de dichlore est de l’ordre de 46 Mt/an.

La chimie organique et les polymères absorbent plus de 80 % du dichlore produit :

    • le dichlore est utilisé dans la fabrication de très nombreux produits chimiques et dans le commerce, on trouve plus de 15 000 produits chlorés,
    • 85 % des produits pharmaceutiques fabriqués dans le monde utilisent dans leurs schémas de synthèse du dichlore ou contiennent l’élément chlore
    • 96 % des produits phytosanitaires contiennent l’élément chlore,
    • le PVC, constitué à 57 % de l’élément chlore, est le premier utilisateur de dichlore (35-40 %). Il est obtenu par polymérisation du chlorure de vinyle monomère (CVM), ce qui fait que les unités de CVM sont généralement implantées sur des sites produisant ses deux composants,
    • de nombreux autres polymères ne contiennent pas de chlore mais utilisent pour leur synthèse des produits élaborés à partir du dichlore, ce qui correspond à 20-25 % de la consommation de dichlore : polyuréthanes employant des isocyanates obtenus à partir de phosgène, polycarbonates utilisant le phosgène, résines époxy utilisant l’épichlorhydrine, polymères fluorés (PTFE) nécessitant au cours de leur préparation le chloroforme (cf. Chloroforme) comme solvant, etc.

Le dichlore intervient dans les réactifs pour la synthèse du titane, du silicium et de la méthylcellulose. Les solvants chlorés, même en décroissance, sont toujours employés pour des besoins spécifiques. La même tendance se rencontre dans l’industrie de la pâte à papier où il est de plus en plus concurrencé par le chlorate de sodium, le peroxyde d’hydrogène et le dioxygène.

Enfin, rappelons la désinfection de l’eau potable (cf. Eau de Javel) : la désinfection finale est effectuée à l’aide de dichlore, à raison de 0,1 mg/L d’eau. On estime que l’eau non purifiée est responsable de 25 000 morts par jour dans le monde : du bon usage du chlore … qui a connu dans le passé, même très récent, des applications pourtant interdites par des accord internationaux remontant à la fin du XIXe siècle.

Ainsi en coopération avec Fritz Haber (cf. Ammoniac), l’armée allemande, la première, développa des méthodes pour répandre le dichlore dans les tranchées adverses. D’après une lettre du major Karl von Zingler, la première attaque au gaz chloré aurait eu lieu le 2 janvier 1915 : « Sur les autres théâtres militaires, cela ne va pas mieux et il a été dit que notre chlore était très efficace. 140 officiers britanniques ont été tués.

C’est une arme horrible... », d’où la…

Pensée du jour :
Chimie sans conscience…

Sources :

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