Трифторид хлора — это межгалогеновое соединение с формулой ClF3 . Это бесцветный, ядовитый, едкий и чрезвычайно реактивный газ , который конденсируется в бледно-зеленовато-желтую жидкость, в форме, в которой он чаще всего продается (под давлением при комнатной температуре). Он славится своими экстремальными окислительными свойствами. Соединение в первую очередь представляет интерес для операций безплазменной очистки и травления в полупроводниковой промышленности , [8] [9] в переработке топлива ядерных реакторов , [10] исторически как компонент ракетного топлива и различных других промышленных операций из-за его едкой природы. [11]
Впервые он был описан в 1930 году Раффом и Кругом, которые получили его путем фторирования хлора ; в результате также образовался монофторид хлора (ClF), и смесь разделялась путем перегонки . [12]
Ежегодно производится несколько сотен тонн. [13]
Молекулярная геометрия ClF 3 приблизительно Т-образная , с одной короткой связью (1,598 Å ) и двумя длинными связями (1,698 Å). [14] Эта структура согласуется с предсказанием теории VSEPR , которая предсказывает, что неподеленные пары электронов занимают две экваториальные позиции гипотетической тригональной бипирамиды . Удлиненные аксиальные связи Cl-F согласуются с гипервалентной связью .
ClF 3 также реагирует со взрывом с водой, образуя фтористый водород и хлористый водород , а также кислород и дифторид кислорода ( OF 2 ): [15]
При нагревании разлагается: [13]
Реакции со многими металлами и даже оксидами металлов дают фториды : [15]
ClF 3 используется для производства гексафторида урана :
С фосфором он дает трихлорид фосфора ( PCl3 ) и пентафторид фосфора ( PF5 ) , а с серой — дихлорид серы ( SCl2 ) и тетрафторид серы ( SF4 ) .
Реагирует с фторидом цезия , образуя соль, содержащую анион F(ClF 3 ).−3. [16]
В полупроводниковой промышленности трифторид хлора используется для очистки камер химического осаждения паров . Его можно использовать для удаления полупроводникового материала со стенок камеры без необходимости ее демонтажа. В отличие от большинства альтернативных химикатов, используемых в этой роли, его не нужно активировать с помощью плазмы, поскольку тепла камеры достаточно, чтобы он разложился и вступил в реакцию с полупроводниковым материалом.
ClF 3 используется для фторирования различных соединений. [13]
Трифторид хлора исследовался как высокоэффективный хранимый окислитель в ракетных топливных системах. Однако проблемы обращения с ним серьезно ограничивают его использование. Следующий отрывок из трудов ракетчика Джона Д. Кларка широко цитируется в описаниях чрезвычайно опасной природы этого вещества:
Он, конечно, чрезвычайно токсичен, но это наименьшая из проблем. Он гиперголичен со всеми известными видами топлива, и так быстро гиперголичен, что задержка воспламенения никогда не была измерена. Он также гиперголичен с такими вещами, как ткань , дерево и инженеры-испытатели , не говоря уже об асбесте , песке и воде , с которыми он реагирует взрывообразно. Его можно хранить в некоторых обычных конструкционных металлах — стали, меди, алюминии и т. д. — из-за образования тонкой пленки нерастворимого фторида металла, которая защищает большую часть металла, так же как невидимый слой оксида на алюминии не дает ему сгореть в атмосфере. Однако, если этот слой расплавится или сотрется и не сможет восстановиться, оператор столкнется с проблемой борьбы с пожаром металла и фтора. Для решения этой ситуации я всегда рекомендовал хорошую пару кроссовок . [17]
Пентафторид хлора (ClF 5 ) также исследовался как потенциальный ракетный окислитель. Он показал улучшенный удельный импульс по сравнению с трифторидом хлора, но с теми же трудностями в обращении. Ни одно из соединений не использовалось ни в одной рабочей ракетной двигательной установке.
Под кодовым названием N-Stoff («вещество N») трифторид хлора исследовался для военного применения Институтом кайзера Вильгельма в нацистской Германии незадолго до начала Второй мировой войны . Испытания проводились на макетах укреплений линии Мажино , и было обнаружено, что это чрезвычайно эффективное зажигательное оружие и отравляющий газ . С 1938 года началось строительство частично бункерованного , частично подземного завода по производству боеприпасов площадью 14 000 м 2 (150 000 кв. футов), промышленного комплекса Фалькенхагена , который должен был производить 90 тонн N-Stoff в месяц, в дополнение к зарину (смертоносному нервно-паралитическому веществу ). Однако к тому времени, когда он был захвачен наступающей Красной армией в 1945 году, завод производил всего около 30–50 тонн по цене более 100 немецких рейхсмарок за килограмм. N -Stoff никогда не использовался на войне. [18] [19]
ClF 3 является очень сильным окислителем . Он чрезвычайно реактивен с большинством неорганических и органических материалов и будет сжигать многие в противном случае негорючие материалы без какого-либо источника воспламенения . Эти реакции часто бывают бурными и в некоторых случаях взрывоопасными . Сталь , медь и никель не расходуются, потому что образуется пассивирующий слой фторида металла, который предотвращает дальнейшую коррозию, но молибден , вольфрам и титан непригодны, поскольку их фториды летучи. ClF 3 быстро разъедает даже благородные металлы , такие как иридий, платина или золото, окисляя их до хлоридов и фторидов.
Эта окислительная способность, превосходящая кислородную, заставляет ClF 3 бурно реагировать со многими другими материалами, которые часто считаются негорючими и огнеупорными. Он воспламеняет песок, асбест , стекло и даже золу веществ, которые уже сгорели в кислороде. В одной конкретной промышленной аварии разлив 900 кг ClF 3 прожег 30 см бетона и 90 см гравия под ним. [20] [17] Существует только один известный метод контроля/тушения пожара, способный справиться с ClF 3 — огня азотом или благородными газами, такими как аргон . За исключением этого, область должна просто поддерживаться в прохладном месте, пока реакция не прекратится. [21] Соединение реагирует с подавителями на водной основе и CO 2 , делая их контрпродуктивными. [22]
Воздействие больших количеств ClF 3 , как жидкости, так и газа, воспламеняет живую ткань, что приводит к тяжелым химическим и термическим ожогам. ClF 3 бурно реагирует с водой, и воздействие реакции также приводит к ожогам. Продуктами гидролиза являются в основном плавиковая кислота и соляная кислота , которые обычно выделяются в виде пара или испарений из-за сильно экзотермического характера реакции.
^a Используя данные Economic History Services [23] и The Inflation Calculator [24], можно подсчитать, что сумма 100 рейхсмарок в 1941 году приблизительно эквивалентна 4652,50 долларам США в 2021 году. Значения обменного курса рейхсмарки с 1942 по 1944 год являются фрагментарными.
)