stringtranslate.com

Плавиковая кислота

Плавиковая кислота — это раствор фтористого водорода (HF) в воде . Растворы HF бесцветны, кислы и очень едки . Обычная концентрация составляет 49% (48-52%), но есть и более сильные растворы (например, 70%), а чистая HF имеет температуру кипения, близкую к комнатной температуре. Она используется для изготовления большинства фторсодержащих соединений; примерами служат широко используемый фармацевтический антидепрессант флуоксетин (Прозак) и материал ПТФЭ (тефлон). Из нее получают элементарный фтор . Он обычно используется для травления стекла и кремниевых пластин.

Использует

Производство фторорганических соединений

Основное применение плавиковой кислоты — в химии фторорганических соединений . Многие фторорганические соединения готовятся с использованием HF в качестве источника фтора, включая тефлон , фторполимеры , фторуглероды и хладагенты , такие как фреон . Многие фармацевтические препараты содержат фтор. [4]

Производство неорганических фторидов

Большинство неорганических фторидных соединений большого объема получают из плавиковой кислоты. Прежде всего, это Na 3 AlF 6 , криолит и AlF 3 , трифторид алюминия . Расплавленная смесь этих твердых веществ служит высокотемпературным растворителем для производства металлического алюминия . Другие неорганические фториды, полученные из плавиковой кислоты, включают фторид натрия и гексафторид урана . [4]

Травитель, очиститель

Ванны для мокрого травления

Он используется в полупроводниковой промышленности как основной компонент травления Райта и буферизованного оксидного травления , которые используются для очистки кремниевых пластин . Аналогичным образом он также используется для травления стекла путем обработки диоксидом кремния для образования газообразных или водорастворимых фторидов кремния. Его также можно использовать для полировки и матирования стекла. [5]

SiO2 + 4HF → SiF4 ( г ) + 2H2O
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + 2H2O​​​

Гель плавиковой кислоты с концентрацией от 5% до 9% также обычно используется для травления всех керамических зубных реставраций для улучшения сцепления. [6] По аналогичным причинам разбавленная плавиковая кислота является компонентом бытового средства для удаления ржавчины, в автомойках в составах «очистителей колес», в ингибиторах ржавчины для керамики и тканей и в средствах для удаления пятен от воды. [5] [7] Благодаря своей способности растворять оксиды железа, а также загрязняющие вещества на основе кремния плавиковая кислота используется в предпусковых котлах, которые производят пар высокого давления. Плавиковая кислота также полезна для растворения образцов горных пород (обычно порошкообразных) перед анализом. Аналогичным образом эта кислота используется в кислотных мацерациях для извлечения органических ископаемых из силикатных пород. Ископаемая порода может быть погружена непосредственно в кислоту, или может быть нанесена пленка нитрата целлюлозы (растворенная в амилацетате ), которая прилипает к органическому компоненту и позволяет породе растворяться вокруг нее. [8]

Переработка нефти

В стандартном процессе нефтепереработки , известном как алкилирование , изобутан алкилируется низкомолекулярными алкенами (в основном смесью пропилена и бутилена ) в присутствии кислотного катализатора, полученного из плавиковой кислоты. Катализатор протонирует алкены (пропилен, бутилен) для получения реакционноспособных карбокатионов , которые алкилируют изобутан. Реакция проводится при умеренных температурах (0 и 30 °C) в двухфазной реакции.

Производство

Плавиковая кислота была впервые получена в 1771 году Карлом Вильгельмом Шееле . [9] В настоящее время ее в основном получают путем обработки минерала флюорита CaF 2 концентрированной серной кислотой при температуре около 265 °C.

CaF 2 + H 2 SO 4 → 2 HF + CaSO 4

Кислота также является побочным продуктом производства фосфорной кислоты из апатита и фторапатита . Вываривание минерала серной кислотой при повышенных температурах высвобождает смесь газов, включая фтористый водород, который может быть восстановлен. [4]

Из-за своей высокой реакционной способности по отношению к стеклу плавиковую кислоту хранят в контейнерах из фторированного пластика (часто из ПТФЭ ). [4] [5]

Характеристики

В разбавленном водном растворе фтористый водород ведет себя как слабая кислота, [10] Инфракрасная спектроскопия использовалась для того, чтобы показать, что в растворе диссоциация сопровождается образованием ионной пары H 3 O + ·F − . [11] [12]

H 2 O + HF ⇌ H 3 O + ⋅F − p K a = 3,17 

Эта ионная пара была охарактеризована в кристаллическом состоянии при очень низкой температуре. [13] Дальнейшая ассоциация была охарактеризована как в растворе, так и в твердом состоянии. [ необходима цитата ]

ВЧ + Ф − ⇌ ВЧ−
2 лог К = 0,6

Предполагается, что полимеризация происходит с ростом концентрации. Это предположение подтверждается выделением соли тетрамерного аниона H
3Ф−
4[14] и методом низкотемпературной рентгеновской кристаллографии. [13] Не все виды, присутствующие в концентрированных водных растворах фтористого водорода, были охарактеризованы; в дополнение к HF−
2который известен [11] образованием других полимерных видов, H
н −1Ф−
н, весьма вероятно.

Функция кислотности Гаммета , H 0 , для 100% HF впервые была указана как -10,2, [15], тогда как более поздние компиляции показывают -11, что сопоставимо со значениями около -12 для чистой серной кислоты . [16] [17]

Кислотность

В отличие от других галогенводородных кислот , таких как соляная кислота , фтористый водород является слабой кислотой только в разбавленном водном растворе. [18] Это отчасти является результатом прочности связи водород-фтор, но также и других факторов, таких как тенденция HF, H
2О и Ф−
анионы, образуя кластеры. [19] При высоких концентрациях молекулы HF подвергаются гомоассоциации , образуя многоатомные ионы (такие как бифторид , HF−
2) и протонов , таким образом значительно увеличивая кислотность. [20] Это приводит к протонированию очень сильных кислот, таких как соляная, серная или азотная кислоты, при использовании концентрированных растворов плавиковой кислоты. [21] Хотя плавиковая кислота считается слабой кислотой, она очень едкая, даже разъедающая стекло при гидратации. [20]

Разбавленные растворы слабокислые с константой кислотной ионизации K a =6,6 × 10−4 (или p K a  = 3,18 ), [10] в отличие от соответствующих растворов других галогеноводородов, которые являются сильными кислотами ( p K a < 0 ). Однако концентрированные растворы фтороводорода являются гораздо более кислотными, чем подразумевает это значение, как показывают измерения функции кислотности Гаммета H 0 (или «эффективного pH»). Во время самоионизации 100% жидкого HF значение H 0 было впервые измерено как −10,2 [15] и позднее скомпилировано как −11, что сопоставимо со значениями около −12 для серной кислоты . [16] [17]

С точки зрения термодинамики растворы HF являются крайне неидеальными , при этом активность HF увеличивается гораздо быстрее, чем его концентрация. Слабая кислотность в разбавленном растворе иногда объясняется высокой прочностью связи H—F , которая в сочетании с высокой энтальпией растворения HF перевешивает более отрицательную энтальпию гидратации фторид-иона. [22] Поль Жигер и Сильвия Таррелл [11] [12] показали с помощью инфракрасной спектроскопии , что преобладающим видом растворенного вещества в разбавленном растворе является пара ионов, связанных водородом, H 3 O + ·F − . [23]

H2O + HF ⇌ H3O + ⋅F −​​

С увеличением концентрации HF концентрация иона дифторида водорода также увеличивается. [11] Реакция

3 КВ ⇌ КВ−
2+ Н 2 Ж +

является примером гомоконъюгации .

Здоровье и безопасность

Ожог руки плавиковой кислотой

Помимо того, что плавиковая кислота является очень едкой жидкостью, она также является мощным контактным ядом . Поскольку она может проникать в ткани, отравление может легко произойти через воздействие на кожу или глаза, вдыхание или проглатывание . Симптомы воздействия плавиковой кислоты могут не проявиться сразу, и это может дать ложное успокоение жертвам, заставляя их откладывать медицинское лечение. [24] Несмотря на раздражающие пары, HF может достигать опасных уровней без явного запаха. [5] Она нарушает функцию нервов, что означает, что ожоги изначально могут быть не болезненными. Случайные воздействия могут остаться незамеченными, задерживая лечение и увеличивая степень и серьезность травмы. [24] Симптомы воздействия HF включают раздражение глаз, кожи, носа и горла, ожоги глаз и кожи, ринит , бронхит , отек легких (накопление жидкости в легких) и повреждение костей [25] из-за того, что HF сильно взаимодействует с кальцием в костях. [26] В концентрированной форме HF может вызывать серьезное разрушение тканей из-за повреждений и повреждения слизистых оболочек, но разбавленная HF все еще опасна из-за ее высокого липидного сродства, что приводит к клеточной гибели нервов, кровеносных сосудов, сухожилий, костей и других тканей. [27]

Ожоги фтористоводородной кислотой лечат гелем глюконата кальция .

В популярной культуре

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Фавр, Анри А.; Пауэлл, Уоррен Х., ред. (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013. Кембридж: Королевское химическое общество . стр. 131. ISBN 9781849733069.
  2. ^ Харрис, Дэниел С. (2010). Количественный химический анализ (8-е международное издание). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. AP14. ISBN 978-1429263092.
  3. ^ "Плавучая кислота". PubChem . Национальный институт здравоохранения . Получено 12 октября 2017 г.
  4. ^ abcd Эгеперс, Жан; Моллард, Поль; Девильерс, Дидье; Чемла, Мариус; Фарон, Роберт; Романо, Рене; Куэр, Жан Пьер (2000). «Соединения фтора неорганические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a11_307. ISBN 3527306730.
  5. ^ abcd "Фтористый водород/плавиковая кислота: системный агент". База данных по безопасности и охране труда при чрезвычайных ситуациях . NIOSH - CDC. 12 мая 2011 г. Архивировано из оригинала 7 декабря 2015 г. Получено 04.12.2015 .
  6. ^ Крейг, Роберт (2006). Реставрационные стоматологические материалы Крейга . Сент-Луис, Миссури: Mosby Elsevier. ISBN 0-323-03606-6. OCLC  68207297.
  7. ^ Страхан, Джон (январь 1999). «Смертельное полоскание: опасности плавиковой кислоты». Профессиональная мойка и чистка автомобилей . 23 (1). Архивировано из оригинала 25 апреля 2012 г.
  8. ^ Эдвардс, Д. (1982). «Фрагментарные несосудистые растительные микроископаемые из позднего силура Уэльса». Ботанический журнал Линнеевского общества . 84 (3): 223–256. doi :10.1111/j.1095-8339.1982.tb00536.x.
  9. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press . стр. 921. ISBN 978-0-08-022057-4.
  10. ^ ab Ральф Х. Петруччи; Уильям С. Харвуд; Джеффри Д. Мадура (2007). Общая химия: принципы и современные приложения. Pearson/Prentice Hall. стр. 691. ISBN 978-0-13-149330-8. Получено 22 августа 2011 г.
  11. ^ abcd Жигер, Поль А .; Туррелл, Сильвия (1980). «Природа плавиковой кислоты. Спектроскопическое исследование комплекса с переносом протона H 3 O + ...F − ». ​​J. Am. Chem. Soc. 102 (17): 5473. doi :10.1021/ja00537a008.
  12. ^ ab Раду Ифтими; Вибин Томас; Сильвен Плесси; Патрик Маршан; Патрик Айотт (2008). «Спектральные сигнатуры и молекулярное происхождение промежуточных продуктов диссоциации кислот». J. Am. Chem. Soc. 130 (18): 5901–7. doi :10.1021/ja077846o. PMID  18386892.
  13. ^ ab Mootz, D. (1981). «Кристаллически-химическая корреляция с аномалией плавиковой кислоты». Angew. Chem. Int. Ed. Engl . 20 (123): 791. doi :10.1002/anie.198107911.
  14. ^ Бунич, Тина; Трамшек, Мелита; Горешник, Евгений; Жемва, Борис (2006). «Трехфтористый барий тригидроген состава Ba(H 3 F 4 ) 2 : первый пример гомолептической металлической среды HF». Solid State Sciences . 8 (8): 927–931. Bibcode :2006SSSci...8..927B. doi :10.1016/j.solidstatesciences.2006.02.045.
  15. ^ ab Хайман, Герберт Х.; Килпатрик, Мартин; Кац, Джозеф Дж. (1957). «Функция кислотности Гаммета H 0 для растворов плавиковой кислоты». Журнал Американского химического общества . 79 (14). Американское химическое общество (ACS): 3668–3671. doi :10.1021/ja01571a016. ISSN  0002-7863.
  16. ^ ab Jolly, William L. (1984). Современная неорганическая химия . McGraw-Hill. стр. 203. ISBN 0-07-032768-8. OCLC  22861992.
  17. ^ ab Коттон, ФА ; Уилкинсон, Г. (1988). Advanced Inorganic Chemistry (5-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. стр. 109. ISBN 0-471-84997-9. OCLC  16580057.
  18. ^ Виберг, Эгон; Виберг, Нильс; Холлеман, Арнольд Фредерик (2001). Неорганическая химия . Сан-Диего: Academic Press. стр. 425. ISBN 978-0-12-352651-9.
  19. ^ Кларк, Джим (2002). "Кислотность галогенидов водорода" . Получено 4 сентября 2011 г.
  20. ^ ab Chambers, C.; Holliday, AK (1975). Современная неорганическая химия (промежуточный текст) (PDF) . The Butterworth Group. стр. 328–329. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-03-23.
  21. ^ Ханнан, Генри Дж. (2010). Курс химии для IIT-JEE 2011. Tata McGraw Hill Education Private Limited. стр. 15–22. ISBN 9780070703360.
  22. ↑ C. E. Housecroft и A. G. Sharpe «Неорганическая химия» (Pearson Prentice Hall, 2-е изд., 2005 г.), стр. 170.
  23. ^ Коттон и Уилкинсон (1988), стр. 104
  24. ^ ab Ямашита М, Ямашита М, Сузуки М, Хираи Х, Кадзигая Х (2001). «Ионофоретическая доставка кальция при экспериментальных ожогах плавиковой кислотой». Crit. Care Med . 29 (8): 1575–8. doi :10.1097/00003246-200108000-00013. PMID  11505130. S2CID  45595073.
  25. ^ "NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards – Hydrogen fluoride" (Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям – фтористый водород). CDC . Получено 28.11.2015 .
  26. ^ "Информационный листок о плавиковой кислоте" (PDF) . Департамент экологической безопасности, устойчивого развития и риска . Мэрилендский университет . Получено 11 марта 2024 г. . молекула HF может вызывать глубокие повреждения тканей, включая разрушение костей. ... когда ионы фтора связываются с кальцием и магнием
  27. ^ Байрактарова-Валякова Е, Коруноска-Стевковска В, Георгиева С, Ивановский К, Байрактарова-Мисевска С, Мийоска А, Грозданов А (2018). «Плавиковая кислота: ожоги и системная токсичность, защитные меры, неотложная и стационарная медицинская помощь». Македонский журнал медицинских наук открытого доступа . 6 (11): 2257–69. doi : 10.3889/oamjms.2018.429 (неактивен с 1 ноября 2024 г.). ПМК 6290397 . ПМИД  30559898. {{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  28. ^ «Насколько научная информация в сериале «Во все тяжкие» соответствует действительности?». BBC News . 16 августа 2013 г. Архивировано из оригинала 17 августа 2023 г.
  29. ^ Hare, Jonathan (1 мая 2011 г.). «Во все тяжкие II – утилизация тел в кислотной ванне». химическое образование . Королевское химическое общество. Архивировано из оригинала 10 июня 2023 г.

Внешние ссылки