stringtranslate.com

фтороводород

Фтороводород (фторан) — неорганическое соединение с химической формулой HF . Это очень ядовитый бесцветный газ или жидкость, которая растворяется в воде с образованием водного раствора, называемого плавиковой кислотой . Это основной промышленный источник фтора , часто в форме плавиковой кислоты, и важное сырье при получении многих важных соединений, включая фармацевтические препараты и полимеры , например политетрафторэтилен (ПТФЭ). HF также широко используется в нефтехимической промышленности в качестве компонента суперкислот . Из-за сильных и обширных водородных связей он кипит при температуре, близкой к комнатной, что намного выше, чем у других галогеноводородов .

Фтороводород — 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 раньше. Французскому химику Эдмону Фреми (1814–1894) приписывают открытие фторида водорода (HF) при попытке выделить фтор .

Структура и реакции

Строение цепочек HF в кристаллическом фтористом водороде.

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

Сравнение с другими галогеноводородами

Фторид водорода не кипит до 20 ° C, в отличие от более тяжелых галогеноводородов, которые кипят 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 любых пропорциях). Напротив, другие галогениды водорода обладают ограниченной растворимостью в воде. Фтороводород 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 . В разбавленном виде плавиковая кислота ведет себя как слабая кислота, в отличие от других галоидоводородных кислот, из-за образования ионных пар с водородными связями [ H 3 O + ·F - ]. Однако концентрированные растворы являются сильными кислотами, поскольку в них преобладают бифторид- анионы, а не ионные пары. В жидком безводном HF происходит самоионизация : [10] [11]

3 ВЧ ⇌ Ч 2 Ж + + ВЧ−2

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

Реакции с кислотами Льюиса

Как и вода, HF может действовать как слабое основание, реагируя с кислотами Льюиса с образованием суперкислот . Кислотная функция Гаммета ( H 0 ) -21 получается с помощью пентафторида сурьмы (SbF 5 ), образующего фторсурьмяную кислоту . [12] [13]

Производство

Фтороводород обычно получают в результате 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, при котором образуется гексафторкремниевая кислота . Эта кислота может разлагаться с выделением HF термически и гидролизом:

H 2 SiF 6 → 2 HF + SiF 4
SiF 4 + 2 H 2 O → 4 HF + SiO 2

Использовать

В целом безводный фтористый водород более распространен в промышленности, чем его водный раствор, плавиковая кислота . Его основное применение, в пересчете на тоннаж, — это использование в качестве прекурсора фторорганических соединений и прекурсора криолита для электролиза алюминия. [14]

Прекурсор фторорганических соединений

HF реагирует с хлоруглеродами с образованием фторуглеродов. Важным применением этой реакции является производство тетрафторэтилена (ТФЭ), предшественника тефлона . Хлороформ фторируется HF с образованием хлордифторметана (R-22): [14]

CHCl 3 + 2 HF → CHClF 2 + 2 HCl

Пиролиз хлордифторметана (при 550–750 °С) дает ТФЭ.

HF является активным растворителем при электрохимическом фторировании органических соединений. В этом подходе HF окисляется в присутствии углеводорода, а фтор заменяет связи C–H на связи C–F . Таким способом получают перфторкарбоновые кислоты и сульфокислоты . [15]

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

HC≡CH + 2 HF → CH 3 CHF 2

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

Прекурсор фторидов металлов и фтора.

Электролитическое получение алюминия основано на электролизе фторида алюминия в расплавленном криолите. На тонну производимого Al расходуется несколько килограммов HF. С использованием HF производятся и другие фториды металлов, в том числе тетрафторид урана . [14]

HF является предшественником элементарного фтора F 2 при электролизе раствора HF и бифторида калия . Бифторид 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 на большинстве установленных в мире производств линейного алкилбензола . Процесс включает дегидрирование н -парафинов до олефинов и последующую реакцию с бензолом с использованием HF в качестве катализатора. Например, на нефтеперерабатывающих заводах «алкилат» — компонент высокооктанового бензина ( бензина ) — образуется в установках алкилирования, объединяющих олефины С 3 и С 4 и изобутан . [14]

Растворитель

Фтороводород является отличным растворителем. Отражая способность HF участвовать в образовании водородных связей, даже белки и углеводы растворяются в HF и могут быть восстановлены из него. Напротив, большинство нефторидных неорганических химикатов реагируют с HF, а не растворяются. [17]

Влияние на здоровье

левая и правая руки, два вида, обожжены указательные пальцы
ВЧ-ожоги, незаметные до следующего дня

Фтороводород обладает высокой коррозионной активностью и является сильным контактным ядом. Воздействие требует немедленной медицинской помощи. [18] Это может вызвать слепоту из-за быстрого разрушения роговицы . Вдыхание фтористого водорода в больших количествах или в сочетании с его контактом с кожей может привести к смерти от нерегулярного сердцебиения или отека легких (накопление жидкости в легких). [18]

Рекомендации

  1. ^ abcd Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0334». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  2. ^ Эванс, Д.А. «pKa неорганических и оксокислот» (PDF) . Проверено 19 июня 2020 г.
  3. ^ ab «Фтороводород». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (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, Линус А. (1960). Природа химической связи и структура молекул и кристаллов: введение в современную структурную химию . Издательство Корнельского университета. стр. 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 978-1-4292-0965-6.
  8. ^ Эмсли, Джон (1981). «Скрытая сила водорода». Новый учёный . 91 (1264): 291–292 . Проверено 25 декабря 2012 г.
  9. ^ Гринвуд, Нью-Йорк; Эрншоу, А. (1998). Химия элементов (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт Хайнеманн. стр. 812–816. ISBN 0-7506-3365-4.
  10. ^ CE Housecroft и AG Sharpe Неорганическая химия , с. 221.
  11. ^ Ф. А. Коттон и Г. Уилкинсон, продвинутая неорганическая химия , стр. 111.
  12. ^ WL Jolly «Современная неорганическая химия» (McGraw-Hill 1984), стр. 203. ISBN 0-07-032768-8 . 
  13. ^ Ф. А. Коттон и Г. Уилкинсон, Продвинутая неорганическая химия (5-е изд.) Джон Вили и сыновья: Нью-Йорк, 1988. ISBN 0-471-84997-9 . п. 109. 
  14. ^ abcde Ж. Эгеперс, П. Моллард, Д. Девильерс, М. Чемла, Р. Фарон, Р. Романо, Дж. П. Куэр (2000). «Соединения фтора неорганические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a11_307. ISBN 978-3527306732.{{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. ^ М. Жакко, Р. Фарон, Д. Девильерс, Р. Романо (2005). "Фтор". Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 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 (фтороводородной кислоте)

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме фтороводорода .