Фтороводень

хімічна сполука

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).

Фтороводень
модель молекули
Назва за IUPAC гідроген флуорид[1]
Інші назви флуоран[1]
Ідентифікатори
Номер CAS 7664-39-3
Номер EINECS 231-634-8
DrugBank 11072
KEGG C16487
ChEBI 29228
RTECS MW7875000
SMILES F[2]
InChI InChI=1S/FH/h1H
Номер Гмеліна 166
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
ΔfHo
298
-299,78 кДж/моль (рід.)
-273,30 кДж/моль (газ)
Ст. ентропія So
298
51,67 Дж/(моль·K) (рід.)
173,779 Дж/(моль·K) (газ)
Теплоємність, co
p
29,14 Дж/(моль·K) (газ)
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

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

Фізичні властивості ред.

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.

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

 

Як заміну флюориту використовують флуорапатит CaF2·3Ca3(PO4)2. Незважаючи на те, що в апатиті вміст фториду кальцію коливається в межах лише 3–4 %, його використання є доцільним завдяки наявності значно більших природних покладів.

Процес проводять у 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 флуорсульфонової кислоти. Вхідний флюорит подрібнюють до розміру часток 150 мкм; вміст у ньому фториду кальцію не повинен бути меншим за 97 %; як домішки у ньому допускаються:

Наявні домішки також беруть участь у взаємодії:

 
 
 
 
 

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

 

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, що слугують для поглинання фтороводню, робляться з свинцю.

При використанні як 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 фториди із наступним гідролізом:
 
 
  • виділену кислоту обробляють водним розчином аміаку та нагрівають із сульфатною кислотою:
 
Після концентрування фториду амонію, він частково розкладається на гідрофторид NH4HF2. З утворених продуктів отримують фтороводень дією на них кислот (сульфатної або хлоридної):
 
 

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

 

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

Хімічні властивості ред.

Фторид водню є надзвичайно стійкою молекулою, він розпадається лише при нагріванні до 3500 °C

 

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

 
 

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

 
 
 

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:

 

Із тріоксидом сірки фтороводень утворює флуоросульфонову кислоту:

 

Абсолютно безводний або близький до цього стану фтороводень майже миттєво обвуглює фільтрувальний папір. За цією ознакою 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, фториди алюмінію та хрому(III):

 
(  — як кислота)
 
(AlF3 — як основа)

Токсичність ред.

Фтороводень надзвичайно отруйний. Він має різкий запах, димить на повітрі (внаслідок утворення з парами води дрібних крапельок розчину) і сильно роз'їдає стінки дихальних шляхів. Спричинена 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, залежно від індивідуального сприйняття. 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.

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.

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 поверхня 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.

Примітки ред.

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

Посилання ред.

Джерела ред.

  • 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. — Vol. 11. — 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.)