stringtranslate.com

Фтористый водород

Фтористый водород (флуоран) — неорганическое соединение с химической формулой HF . Это очень ядовитый, бесцветный газ или жидкость, которая растворяется в воде, образуя плавиковую кислоту . Это основной промышленный источник фтора , часто в форме плавиковой кислоты, и важное сырье для получения многих важных соединений, включая фармацевтические препараты и полимеры , такие как политетрафторэтилен (ПТФЭ). HF также широко используется в нефтехимической промышленности в качестве компонента суперкислот . Благодаря прочным и обширным водородным связям он кипит при температуре, близкой к комнатной, что намного выше температуры других галогеноводородов .

Фтористый водород — чрезвычайно опасный газ, образующий при контакте с влагой едкую и проникающую плавиковую кислоту . Газ также может вызвать слепоту из-за быстрого разрушения роговицы .

История

В 1771 году Карл Вильгельм Шееле приготовил водный раствор плавиковой кислоты в больших количествах, хотя плавиковая кислота была известна в стекольной промышленности и до этого. Французскому химику Эдмону Фреми (1814–1894) приписывают открытие фтороводорода (HF) при попытке выделить фтор .

Структура и реакции

Структура цепей HF в кристаллическом фтороводороде.

HF двухатомен в газовой фазе. В жидком состоянии HF образует относительно сильные водородные связи , отсюда и его относительно высокая температура кипения. Твердый HF состоит из зигзагообразных цепей молекул HF. Молекулы HF с короткой ковалентной связью H–F длиной 95 пм связаны с соседними молекулами межмолекулярными расстояниями H–F в 155 пм. [4] Жидкий HF также состоит из цепей молекул HF, но эти цепи короче и в среднем состоят всего из пяти или шести молекул. [5]

Сравнение с другими галогеноводородами

Фтористый водород не кипит до 20 °C в отличие от более тяжелых галогеноводородов, которые кипят при температуре от −85 °C (−120 °F) до −35 °C (−30 °F). [6] [7] [8] Эта водородная связь между молекулами HF приводит к высокой вязкости в жидкой фазе и более низкому, чем ожидалось, давлению в газовой фазе.

Водные растворы

HF смешивается с водой (растворяется в любой пропорции). Напротив, другие галогеноводороды демонстрируют предельную растворимость в воде. Фтористый водород образует моногидрат HF . H 2 O с температурой плавления −40 °C (−40 °F), что на 44 °C (79 °F) выше температуры плавления чистого HF. [9]

Водные растворы HF называются плавиковой кислотой . При разбавлении плавиковая кислота ведет себя как слабая кислота, в отличие от других галогенводородных кислот, из-за образования водородно-связанных ионных пар [ H 3 O + ·F − ]. Однако концентрированные растворы являются сильными кислотами, поскольку преобладают бифторид- анионы, а не ионные пары. В жидком безводном HF происходит самоионизация : [10] [11]

3 HF ⇌ H 2 F + + HF−2

который образует чрезвычайно кислую жидкость ( H 0  = −15,1 ).

Реакции с кислотами Льюиса

Подобно воде, HF может действовать как слабое основание, реагируя с кислотами Льюиса , давая суперкислоты . Функция кислотности Гаммета ( H 0 ) −21 получается с пентафторидом сурьмы (SbF 5 ), образуя фторантимоновую кислоту . [12] [13]

Производство

Фтористый водород обычно получают путем реакции между серной кислотой и чистыми сортами минерала флюорита : [14]

CaF 2 + H 2 SO 4 → 2 HF + CaSO 4

Около 20% производимого HF является побочным продуктом производства удобрений, в результате которого образуется гексафторкремниевая кислота . Эту кислоту можно разложить с высвобождением HF термически и путем гидролиза:

H2SiF6 → 2HF + SiF4​
SiF4 + 2H2O → 4HF + SiO2

Использовать

В целом, безводный фтористый водород более распространен в промышленности, чем его водный раствор, плавиковая кислота . Его основные применения, по тоннажу, в качестве предшественника фторорганических соединений и предшественника криолита для электролиза алюминия. [14]

Прекурсор фторорганических соединений

HF реагирует с хлоруглеродами, давая фторуглероды. Важное применение этой реакции — производство тетрафторэтилена (TFE), предшественника тефлона . Хлороформ фторируется HF, давая хлордифторметан (R-22): [14]

CHCl3 + 2HF → CHClF2 + 2HCl

Пиролиз хлордифторметана (при 550-750 °C) дает ТФЭ.

HF является реактивным растворителем в электрохимическом фторировании органических соединений. В этом подходе HF окисляется в присутствии углеводорода , а фтор заменяет связи C–H на связи C–F . Таким образом получаются перфторированные карбоновые кислоты и сульфоновые кислоты . [15]

1,1-Дифторэтан получают путем добавления HF к ацетилену с использованием ртути в качестве катализатора. [15]

HC≡CH + 2HF → CH 3 CHF 2

Промежуточным продуктом в этом процессе является винилфторид или фторэтилен, мономерный предшественник поливинилфторида .

Предшественник фторидов металлов и фтора

Электролиз алюминия основан на электролизе фторида алюминия в расплавленном криолите . На тонну произведенного Al расходуется несколько килограммов HF. Другие фториды металлов производятся с использованием HF, включая тетрафторид урана . [14]

HF является предшественником элементарного фтора , F 2 , путем электролиза раствора HF и гидробифторида калия . Дифторид калия необходим, поскольку безводный HF не проводит электричество. Ежегодно производится несколько тысяч тонн F 2 . [16]

Катализатор

HF служит катализатором в процессах алкилирования на нефтеперерабатывающих заводах. Он используется в большинстве установленных в мире установок по производству линейного алкилбензола . Процесс включает дегидрирование н- парафинов в олефины и последующую реакцию с бензолом с использованием HF в качестве катализатора. Например, на нефтеперерабатывающих заводах «алкилат», компонент высокооктанового бензина ( бензина ), образуется в установках алкилирования, которые объединяют олефины C3 и C4 и изобутан . [ 14 ]

Растворитель

Фтористый водород является прекрасным растворителем. Отражая способность HF участвовать в водородных связях, даже белки и углеводы растворяются в HF и могут быть извлечены из него. Напротив, большинство нефтористых неорганических химикатов реагируют с HF, а не растворяются. [17]

Влияние на здоровье

левая и правая руки, два вида, обожженные указательные пальцы
Ожоги от HF, не проявляющиеся в течение дня после

Фтористый водород очень едкий и является сильным контактным ядом. Воздействие требует немедленной медицинской помощи. [18] Он может вызвать слепоту из-за быстрого разрушения роговицы . Вдыхание фтористого водорода в больших количествах или в сочетании с контактом с кожей может привести к смерти от нерегулярного сердцебиения или от отека легких (накопление жидкости в легких). [18]

Ссылки

  1. ^ abcd Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. "#0334". Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  2. ^ Эванс, ДА "pKa неорганических и оксокислот" (PDF) . Получено 19 июня 2020 г.
  3. ^ ab "Фтористый водород". Концентрации, представляющие непосредственную опасность для жизни или здоровья (IDLH) . Национальный институт охраны труда (NIOSH).
  4. ^ Джонсон, МВт; Шандор, Э.; Арзи, Э. (1975). «Кристаллическая структура фторида дейтерия». Акта Кристаллографика . B31 (8): 1998–2003 гг. дои : 10.1107/S0567740875006711.
  5. ^ Маклейн, Сильвия Э.; Бенмор, CJ; Сивени, JE; Уркиди, Дж.; Тернер, Дж. Ф. (2004). «О строении жидкого фтористого водорода». Angewandte Chemie, международное издание . 43 (15): 1952–55. дои : 10.1002/anie.200353289. ПМИД  15065271.
  6. ^ Полинг, Лайнус А. (1960). Природа химической связи и структура молекул и кристаллов: Введение в современную структурную химию . Cornell University Press. С. 454–464. ISBN 978-0-8014-0333-0.
  7. ^ Аткинс, Питер; Джонс, Лоретта (2008). Химические принципы: поиски понимания. WH Freeman & Co. стр. 184–185. ISBN 978-1097774678.
  8. ^ Эмсли, Джон (1981). «Скрытая сила водорода». New Scientist . 91 (1264): 291–292. Архивировано из оригинала 22 июля 2023 г. Получено 25 декабря 2012 г.
  9. ^ Гринвуд, NN; Эрншоу, А. (1998). Химия элементов (2-е изд.). Оксфорд: Butterworth Heinemann. С. 812–816. ISBN 0-7506-3365-4.
  10. ↑ C. E. Housecroft и A. G. Sharpe Неорганическая химия , стр. 221.
  11. ↑ Ф. А. Коттон и Г. Уилкинсон, Продвинутая неорганическая химия , стр. 111.
  12. ^ W. L. Jolly «Современная неорганическая химия» (McGraw-Hill 1984), стр. 203. ISBN 0-07-032768-8 . 
  13. ^ ФА Коттон и Г. Уилкинсон, Продвинутая неорганическая химия (5-е изд.) John Wiley and Sons: Нью-Йорк, 1988. ISBN 0-471-84997-9 . стр. 109. 
  14. ^ abcde J. Aigueperse, P. Mollard, D. Devilliers, M. Chemla, R. Faron, R. Romano, JP Cuer (2000). "Соединения фтора, неорганические". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a11_307. ISBN 3527306730.{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  15. ^ ab Г. Зигемунд, В. Швертфегер, А. Фейринг, Б. Смарт, Ф. Бер, Х. Фогель, Б. МакКузик (2005). «Соединения фтора органические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a11_349. ISBN 978-3527306732.{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  16. ^ M. Jaccaud, R. Faron, D. Devilliers, R. Romano (2005). "Фтор". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Weinheim: Wiley-VCH. doi :10.1002/14356007.a11_293. ISBN 978-3527306732.{{cite encyclopedia}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ).
  17. ↑ Гринвуд и Эрншоу, «Химия элементов», стр. 816–819.
  18. ^ ab Факты о фтористом водороде (плавиковой кислоте)

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Фтористый водород .