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 .
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 .
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]
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.
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]
который образует чрезвычайно кислую жидкость ( H 0 = -15,1 ).
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]
Фтороводород обычно получают в результате реакции между серной кислотой и чистыми сортами минерала флюорита : [14]
Около 20% производимого HF является побочным продуктом производства удобрений, при котором образуется гексафторкремниевая кислота . Эта кислота может разлагаться с выделением HF термически и гидролизом:
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]
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]
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]
Промежуточным продуктом в этом процессе является винилфторид или фторэтилен, мономерный предшественник поливинилфторида .
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]
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]
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]
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]
{{cite encyclopedia}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite encyclopedia}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite encyclopedia}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ).