Фтороводень

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Фтороводень
Hydrogen-fluoride-2D-dimensions.png
Hydrogen-fluoride-3D-vdW.png
модель молекули
Назва за IUPAC гідроген флуорид[1]
Інші назви флуоран[1]
Ідентифікатори
Номер CAS 7664-39-3
Властивості
Молекулярна формула HF
Молярна маса 20,006 г/моль
Зовнішній вигляд безбарвний газ, безбарвна рідина
Густина 0,958 г/см³
Тпл -83,55 °C
Ткип 19,85 °C
Розчинність (вода) висока
Розчинність (бензен) 2,55 г/100 г (5 °C)
Діелектрична проникність (ε) 83,6 (0 °C)
Показник заломлення (nD) 1,1574
В'язкість 0,256 мПа·с (0 °C)
Дипольний момент 1,826 D
Термохімія
Ст. ентальпія
утворення
ΔfHo298
-299,78 кДж/моль (рід.)
-273,30 кДж/моль (газ)
Ст. ентропія So298 51,67 Дж/(моль·K) (рід.)
173,779 Дж/(моль·K) (газ)
Теплоємність, cop 29,14 Дж/(моль·K) (газ)
Якщо не зазначено інше, дані приведені для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Фто́рово́день, флуори́д гідроге́ну — неорганічна сполука ряду галогеноводнів складу HF. За звичайних умов є отруйним, безбарвним газом з різким запахом. При кімнатній температурі існує переважно у вигляді димеру (HF)2, нижче від 19,9 °C — безбарвна рухлива рідина. У водному розчині утворює флуоридну кислоту (плавикову).

Вперше фтороводень був отриманий у 1856 році французьким хіміком Едмоном Фремі.

Фізичні властивості[ред.ред. код]

Фтороводень (гідрофторид) являє собою безбарвну, рухливу і легколетючу рідину (ткип +19,5 ° С), змішуюється з водою в будь-яких співвідношеннях з утворенням плавикової кислоти. Він має різкий запах, димить на повітрі (внаслідок утворення з парами води дрібних крапельок розчину) і сильно роз'їдає стінки дихальних шляхів.

Критична температура фтороводню дорівнює 187,85 °С, критичний тиск 63,95 атм. Теплота випаровування рідкого HF в точці кипіння становить лише 7,5 кДж/моль. Таке низьке значення (приблизно в 6 разів менше, ніж у води при 20 °С) обумовлено тим, що саме по собі випаровування мало змінює характер асоціації фтороводню (на відміну від води). Подібно до густини (0,958 г/см³), діелектрична проникність рідкого фтороводню (83,6 при 0 °С) дуже близька до відповідного значення для води.

Отримання[ред.ред. код]

Практично увесь фтороводень, що синтезують у промислових масштабах, отримують при взаємодії флюориту і сульфатної кислоти:

\mathrm{ CaF_2 + H_2SO_4 \longrightarrow 2HF \uparrow + CaSO_4}

В якості заміни флюориту використовують флуорапатит CaF2·3Ca3(PO4)2. Не зважаючи на те, що в апатиті вміст флуориду кальцію коливається в межах лише 3—4%, його використання є доцільним завдяки наявності значно більших природних покладів.

Процес проводять в сталевих печах при 100—300 °С. Концентрація сульфатної кислоти має знаходитися у проміжку 98—99%. При нижчих значеннях посилюються корозійні процеси у реакторі, тоді як при більших значеннях відбувається утворення флуоросульфонової кислоти. Вхідний флюорит подрібнюють до розміру часток 150 мкм; вміст у ньому флуориду кальцію не повинен бути меншим за 97%; в якості домішок у ньому допускаються:

Наявні домішки також беруть участь у взаємодії:

\mathrm{ SiO_2 + 4HF \longrightarrow SiF_4 \uparrow + 2H_2O}
\mathrm{ CaCO_3 + H_SO_4 \longrightarrow CaSO_4 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow}
\mathrm{ Al_2O_3 + 3H_2SO_4 \longrightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O}
\mathrm{ Fe_2O_3 + 3H_2SO_4 \longrightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 3H_2O}
\mathrm{ MeS + H_2SO_4 \longrightarrow MeSO_4 + H_2S \uparrow}

Якщо стінки реактору виготовляється зі сталі, сульфатна кислота також взаємодіє із залізом у їхньому складі:

\mathrm{ Fe + 2H_2SO_4 \longrightarrow FeSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O}

В результаті синтезу утворюються дві фази: газуватий фтороводень із супутніми домішковими газами (флуорид кремнію, сірководень, вуглекислий газ тощо) та твердий осад, що складається з сульфату кальцію та, головним чином, сульфатів заліза й алюмінію.

Частини установки, службовці для поглинання фтороводню, робляться з свинцю.

При використанні в якості сировини флуороапатиту, в розчинах у значній кількості утворюється гексафлуоросилікатна кислота H2[SiF6]. Її переробка з отриманням фтороводню проводиться гідролізом SiF4 або лужним способом:

  • виділена з реакційної системи кислота піддається нагріванню та розкладається на флуориди із наступним гідролізом:
\mathrm{ H_2[SiF_6] \xrightarrow{600^oC} \ 2HF + SiF_4 }
\mathrm{ SiH_4 + 2H_2O \xrightarrow{600^oC} \ 4HF + SiO_2 }
  • виділену кислоту обробляють водним розчином аміаку та нагрівають із сульфатною кислотою:
\mathrm{ H_2[SiF_6] + 6NH_3 + (n+2)H_2O \longrightarrow 6NH_4F + SiO_2 \cdot nH_2O}
Після концентрування флуориду амонію, він частково розкладається на гідрофлуорид NH4HF2. З утворених продуктів отримують фтороводень дією на них кислот (сульфатної або хлоридної):
\mathrm{ 2NH_4F + H_2SO_4 \xrightarrow{180^oC} \ 2HF + (NH_4)_2SO_4}
\mathrm{ NH_4HF_2 + H_2SO_4 \xrightarrow{180^oC} \ 4HF + (NH_4)_2SO_4}

Також фтороводень може бути отриманий при безпосередній взаємодії простих речовин за помірної температури:

\mathrm{ H_2 + F_2 \longrightarrow 2HF}

Фтор з вибухом взаємодіє з воднем навіть при низьких температурах і (на відміну від хлору) в темряві з утворенням фтороводню.

Хімічні властивості[ред.ред. код]

Флуорид гідрогену є надзвичайно стійкою молекулою, він розпадається лише при нагріванні до 3500 °C

\mathrm{ HF \xrightarrow{3500^oC} H^0 + F^0}

Фтороводень необмежено розчиняється у воді, при цьому відбувається іонізація молекул HF:

\mathrm{ HF + H_2O \leftrightarrows OH^+ + HF_2^- }
\mathrm{ HF + F^- \leftrightarrows HF_2^- }

Рідкий HF — сильний іонізуючий розчинник. Молекула схильна до утворення водневих зв'язків, тому при взаємодії з кислотами фтороводень утворює гідрофлуорид-аніон HF2-, а в рідкому стані може зазнавати автопротолізу:

\mathrm{ 3HF_{liq.} \leftrightarrows [H_2F^+][HF_2^-]}
\mathrm{ 2HF_{liq.} + HNO_3 \longrightarrow H_2NO_3^+ + HF_2^-}
\mathrm{ 2HF_{liq.} + 2HCl \longrightarrow H_2Cl^+ + HF_2^-}

Хімічні властивості HF залежать від присутності води. Сухий фтороводень не діє на більшість металів і не реагує з оксидами металів. Проте якщо реакція почнеться, то далі вона деякий час йде з автокаталізом, тому що в результаті взаємодії кількість води збільшується:

\mathrm{2MeO + 2HF \longrightarrow 2MeF_2 + H_2 \uparrow}

Із тріоксидом сірки фтороводень утворює флуоросульфонову кислоту:

\mathrm{ HF + SO_3 \longrightarrow HSO_3F }

Абсолютно безводний або близький до цього стану фтороводень майже миттєво обвуглює фільтрувальний папір. За цією ознаком іноді контролюють ступінь його зневоднювання. Більш точно такий контроль здійснюється визначенням електропровідності: у безводного HF вона мізерно мала, але навіть сліди води (як і багатьох інших домішок) різко її підвищують. Багато неорганічних сполук добре розчинні у рідкому HF, причому розчини є, як правило, провідниками електричного струму.

Амфотерними сполуками в середовищі рідкого фтороводню є, наприклад, флуориди алюмінію та хрому(III):

\mathrm{3NaF + 2AlF_3 \longrightarrow 3Na^+ + AlF_6^- }
(\mathrm{AlF_3} — як кислота)
\mathrm{AlF_3 + 3BF_3 \longrightarrow Al^+ + 3BF_4^- }
(AlF3 — як основа)

Токсичність[ред.ред. код]

Фтороводень недзвичайно отруйний. Він має різкий запах, димить на повітрі (внаслідок утворення з парами води дрібних крапельок розчину) і сильно роз'їдає стінки дихальних шляхів. Спричинане дихальна недостатність варіюється від звичайного подразнення до значного набряку легенів.

Присутність фтороводню у повітрі відчувається при його концентрації від 0,03—0,11 мг/м³, в залежності індивідуального прийняття. Граничні допустимі значення концентрацій HF для дії протягом 8 годин варіюються від 0,5 до 2,5 мг/м³. Повітря, що містить 50 мг/м³ фтороводню є небезпечним.

Застосування[ред.ред. код]

Застосовують для отримання кріоліту, флуоропохідних урану, фреонів, флуорорганічних сполук, матового травлення силікатного скла (плавиковую кислоту — для прозорого травлення).

Незвичайна розчинність біологічних молекул в рідкому фтороводні без розкладання (наприклад, білків) використовується в біохімії. Додавання в рідкий фтороводень акцепторів фтору дозволяє створювати надкислі середовища.

Цікаві факти[ред.ред. код]

Відомий письменник-фантаст Іван Єфремов написав повість «Серце змії», в якій описав гіпотетичне життя, що утворилася на планеті, де основну роль у природі відіграє не кисень, а фтор, а замість води поверхню планети вкрита океанами фтороводню. На цю думку письменника навела глибока аналогія між властивостями води і фтороводню.

Фтороводень реагує зі склом, тому він зберігається в пластмасових ємностях. У деяких випадках вдаються до покриття скла парафіном, для захисту його від фтороводню.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. а б Nomenclature of Inorganic Chemistry. IUPAC Recommendations 2005. — Cambridge: RSC Publishing, 2005. — P. 299. — ISBN 0-85404-438-8. (англ.)

Посилання[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • CRC Handbook of Chemistry and Physics / Lide, D. R., editor. — 86th. — Boca Raton (FL): CRC Press, 2005. — 2656 p. — ISBN 0-8493-0486-5. (англ.)
  • Patnaik P. Handbook of Inorganic Chemicals. — McGraw-Hill, 2003. — 1086 p. — ISBN 0-07-049439-8. (англ.)
  • Fluorine Compounds, Inorganic, Hydrogen // Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. — 4th. — New York: John Wiley & Sons, 2004. — P. 190—196. — ISBN 978-0-471-48517-9. (англ.)
  • Lange's Handbook of Chemistry / Dean, John A., editor. — 15th. — New York: McGraw-Hill, 1999. — ISBN 0-07-016384-7. (англ.)
  • Aigueperse, Jean Fluorine Compounds, Inorganic // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. — 6th. — Weinheim: Wiley-VCH, 2005. — P. 2—10. — DOI:10.1002/14356007.a11_307. (англ.)
  • Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ / Под ред. Р. А. Лидина. — 3-е. — М.: «Химия», 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0. (рос.)