Hydrogenfluorid: egenskaber og anvendelse

Blandt halogenforbindelserne - elementer i gruppe 7 i den vigtigste undergruppe af det periodiske system af kemiske elementer i DI Mendeleyev - er hydrogenfluorid af stor praktisk betydning. Sammen med andre halogenerede hydrogen anvendes den i forskellige grene af den nationale økonomi: til opnåelse af fluorholdig plast, flussyre og salte deraf. I dette papir studerer vi molekylets struktur, stoffets fysiske og kemiske egenskaber og overvejer anvendelsesområderne.

Historien om opdagelsen

I det 17. århundrede gennemførte K. Schwanquard et forsøg med et mineral af fluorspar og sulfatsyre . Forskeren opdagede, at der under reaktionen blev frigivet en gas, som begyndte at ødelægge en glasplade, der dækkede røret med en blanding af reagenser. Denne gasformige forbindelse kaldes hydrogenfluorid.

Fluorsyre blev opnået i det 19. århundrede af Gay-Lussac fra samme råmateriale: fluorit og svovlsyre. Ampere viste ved sine eksperimenter, at strukturen af molekylet HF svarer til hydrogenchlorid. Dette gælder også for vandige opløsninger af disse halogener. Forskellene vedrører styrken af syrer: Fluorflowet er svagt, og kloridet er stærkt.

Fysiske egenskaber

Gas med kemisk formel HF har en skarp karakteristisk lugt, farveløs, lidt lettere end luft. I serien af HI-HBr-HCl halogenider ændres kognings- og smeltepunkterne glat, og ved at gå til HF stiger kraftigt. Forklaringen af dette fænomen er følgende: molekylære hydrogenfluorid former associerede (grupper af neutrale partikler, mellem hvilke hydrogenbindinger opstår). For at bryde dem kræves der ekstra energi, så kogende og smeltepunkterne stiger. Ifølge gasdensitetsindekserne består et hydrogenfluorid i et interval tæt på kogepunktet (+19,5) af aggregater med en gennemsnitlig sammensætning af HF _2. Når de opvarmes over 25 ° C, dekomponerer disse komplekser gradvist og ved en temperatur på ca. 90 ° C består hydrogenfluorid Fra HF molekyler.

Hvordan er hydrofluoridet

Metoderne til at opnå et stof, der ikke er i laboratoriebetingelser, som vi allerede har nævnt, men i industrien, har praktisk talt intet at gøre med hinanden: reagenser er alle de samme fluorspar (fluorit) og sulfatsyre.

Mineralet, hvis aflejringer er placeret i Primorye, Transbaikalia, Mexico, USA, er først beriget ved flotation og anvendes derefter i fremstillingsprocessen til fremstilling af HF, som udføres i specielle stålovne. De laver malm og blandes med sulfatsyre. Den berigede malm indeholder 55-60% fluorit _. Ovnens vægge er foret med blyplader, der fanger hydrogenfluorid. Den renses i en vaskekolonne, afkøles og kondenseres derefter. Til fremstilling af hydrogenfluorid anvendes roterende ovne, indirekte opvarmet af elektricitet. Massefraktionen af HF ved udløbet er ca. 0,98, men processen har sine ulemper. Det er ret lang og kræver et stort forbrug af sulfatsyre.

Polariteten af HF molekyler

Vandfrit hydrogenfluorid består af partikler, som har evnen til at binde til hinanden og danne aggregater. Dette forklares af molekylets indre struktur. Mellem hydrogen og fluoratomer er der en stærk kemisk binding, der kaldes den polære kovalente binding. Det er repræsenteret af et fælles elektronisk par forskudt til et mere elektronegativt fluoratom. Som et resultat bliver fluorhydridmolekylerne polære og har form af dipoler.

Mellem dem er der kræfter af elektrostatisk attraktion, hvilket fører til udseende af associerede. Længden af den kemiske binding mellem hydrogen og fluoratomer er 92 nm, og dens energi er 42 kJ / mol. Både i gasformig og flydende form består stoffet af en polymerblanding af typen H ₂ F ₂ , H ₄ F ₄ .

Kemiske egenskaber

Vandfrit hydrogenfluorid har evnen til at interagere med salte af carbonat-, silicat-, nitrit- og sulfidsyrer. Med oxidative egenskaber reducerer HF de ovennævnte forbindelser til carbondioxid, siliciumtetrafluorid, hydrogensulfid og nitrogenoxider. Vandig 40% hydrogenfluoridopløsning ødelægger beton, glas, læder, gummi og interagerer også med nogle oxider, f.eks. Med Cu ₂ O. Der findes gratis kobber, kobberfluorid og vand i produkterne. Der er en gruppe stoffer, med hvilke HF ikke reagerer, for eksempel tungmetaller, såvel som magnesium, jern, aluminium, nikkel.

En vandig opløsning af hydrogenfluorid

Det hedder flussyre og anvendes i form af 40% og 72% opløsninger. Hydrogenfluorid, karakteristika for dets kemiske egenskaber afhænger af koncentrationen, opløses ubegrænset i vand. I dette tilfælde frigives varme, hvilket karakteriserer denne proces som eksoterm. Som en syre med medium styrke interagerer den vandige opløsning af HF med metaller (en substitutionsreaktion). Salte dannes - fluorider - og hydrogen frigives. Passive metaller - platin og guld samt bly - reagerer ikke med flussyre. Syren passerer gennem den, det vil sige, danner en beskyttende film på overfladen af metallet, der består af uopløseligt blyfluorid. En vandig opløsning af HF kan indeholde urenheder af jern, arsen, svovldioxid, i hvilket tilfælde det kaldes en teknisk syre. En koncentreret 60% opløsning af HF er vigtig i kemi af organisk syntese. Den opbevares i polyethylen eller Teflon beholdere, og en stor mængde flussyre transporteres i stålcisterner.

Fluorinsyrens rolle i den nationale økonomi

En opløsning af hydrogenfluorid anvendes til fremstilling af ammoniumborafluorid, som er en komponent af flux i jern og ikke-jernholdig metallurgi. Det anvendes også i elektrolyseprocessen til fremstilling af rent bor. Fluorsyre anvendes til fremstilling af silicofluorider, for eksempel som Na2SiF6. Det bruges til at fremstille cement og emaljer modstandsdygtige over for mineralsyrer.

Floats giver vandfaste egenskaber til byggematerialer. Pas på, at de anvendes, da alle silicofluorider er toksiske. En vandig opløsning af HF anvendes også til fremstilling af syntetiske smøreolier. I modsætning til mineraler holder de viskositet og danner en beskyttende film på overfladen af arbejdsdele: kompressorer, reduktionsmidler, lejer både ved høje og lave temperaturer. Af stor betydning er vandig hydrogenfluorid i ætsning (matting) af glas såvel som i halvlederindustrien, hvor den anvendes til ætsning af silicium.

Fluorineret plast

De mest populære af dem er Teflon (fluoroplastisk - 4). Det blev opdaget ved et uheld. En organisk kemiker, Roy Plunkett, der var engageret i syntesen af freons, fandt gas i cylindre med gasformig chlorethylen opbevaret ved en usædvanlig lav temperatur, ikke gas, men et hvidt pulver, der var fedtet til berøring. Det viste sig, at der ved højt tryk og lavtemperatur tetrafluorethylen er polymeriseret.

Denne reaktion førte til dannelsen af en ny plastmasse. Derefter blev det kaldt Teflon. Det har enestående varme og frost modstand. Teflonovertræk anvendes med succes i fødevareindustrien, kemisk industri, til fremstilling af skåle med non-stick egenskaber. Selv ved 70 ^o C, taber fluoroplastiske produkter - 4 ikke deres egenskaber. Exceptionelt er Teflons høje kemiske inertitet. Det nedbrydes ikke ved kontakt med ætsende stoffer - alkalier og syrer. Dette er meget vigtigt for udstyr, der anvendes i de teknologiske processer til produktion af nitrat- og sulfatsyrer, ammoniumhydroxid, natriumhydroxid. Fluoroplastisk kan indeholde yderligere komponenter - modifikatorer, såsom glasfibre eller metaller, således at de ændrer deres egenskaber, for eksempel øger varmebestandighed og slidstyrke.

Dissociation af hydrogenfluorid

Tidligere har vi nævnt, at der dannes en stærk kovalent binding i HF-molekyler, og at de selv kan kombinere til aggregater, der danner hydrogenbindinger. Derfor har hydrogenfluorid en lav grad af dissociation og er dårligt dekomponeret i ioner i vandig opløsning. Fluorsyre er svagere end chlorid eller bromid. Disse træk ved dissociationen forklarer eksistensen af vedvarende sure salte, hvorimod hverken chlorid eller iod danner dem. Dissociationskonstanten for den vandige opløsning af hydrogenfluorid er 7 × 10 ^-4 , hvilket bekræftes af det forhold, at der i dets opløsning er et stort antal uforskudte molekyler, og et lavt indhold af hydrogen og fluoridioner er noteret.

Men fluorhydrid er farligt

Det skal bemærkes, at både gasformigt og flydende hydrogenfluorid er toksisk. Stoffet er 0342. Flussyre har også narkotiske egenskaber. På dens indvirkning på menneskekroppen vil vi stoppe lidt senere. I klassifikatoren er dette stof, såvel som vandfrit hydrofluorid, i anden klasse af fare. Dette forklares først og fremmest af fluorforbindelsens evne til at antændes let. Navnlig er denne egenskab især tydelig i en forbindelse som gasformigt hydrogenfluorid, hvis brand- og eksplosionsfare er særlig høj.

Hvorfor bestemme niveauet af hydrogenfluorid i luften

I industriel produktion af HF, der er fremstillet af fluorspar og svovlsyre, er tab af gasformigt produkt, hvis dampe kommer ind i atmosfæren, mulige. Husk at hydrogenfluorid (hvis fareklasse er den anden) - stoffet er meget giftigt og kræver konstant måling af dets koncentration. Industrielle emissioner indeholder et stort antal skadelige og potentielt farlige kemikalier, primært nitrogen- og svovloxider, tungmetalsulfider og gasformige hydrogenhalogenider. Blandt dem falder en stor brøkdel af hydrogenfluorid, hvis MPC i den omgivende luft er 0,005 mg / m3 i forhold til fluor per dag. For de plantesteder, hvor tromleovne er placeret, skal den maksimalt tilladte koncentration (MPC) være 0, 1 mg / m ³ .

Hydrogenfluoridgasanalysatorer

For at finde ud af, hvilke skadelige gasser og hvor mange der er kommet ind i atmosfæren, er der specielle måleinstrumenter. For at detektere HF dampe anvendes fotokalorimetriske gasanalysatorer, hvor både glødelamper og halvleder-lysdioder anvendes som strålekilder, og fotodioder og fototransistorer spiller rollen som fotodetektorer. Bestemmelse af hydrogenfluorid i atmosfærisk luft udføres også af infrarøde gasanalysatorer. De er ret følsomme. HF-molekyler absorberer langbølgestråling i intervallet 1-15 mikron. Apparater til bestemmelse af giftigt affald i luften og arbejdsområdet for industrielle virksomheder registrerer udsving i koncentrationen af HF både inden for den tilladte norm og i isolerede ekstreme tilfælde (menneskeskabte katastrofer, fejl i teknologiske cyklus på grund af strømforsyningsfejl osv.). Disse funktioner udføres af termo-ledende gasanalysatorer af hydrogenfluorid. Prom. De differentierer emissioner på basis af afhængigheden af HF's termiske ledningsevne på sammensætningen af den gasformige blanding.

Den skadelige virkning af hydrofluorid på menneskekroppen

Både vandfrit hydrogenfluorid og flussyre, som er dets opløsning i vand, tilhører den anden klasse af fare. Særligt negativt påvirker disse forbindelser vigtige systemer: kardiovaskulær, ekskretion, åndedræt, samt hud og slimhinder. Penetration af stoffet gennem huden passerer ubemærket og asymptomatisk. Fænomenet toksikose kan manifesteres den næste dag, og de diagnosticeres som lavine, nemlig: huden er sårdannet, på overfladen af slimhinde øjne dannes brændearealer. Lungenes væv er ødelagt på grund af nekrotiske læsioner af alveolerne. Fluorioner, der kommer ind i den intercellulære væske, trænger så ind i cellerne og binder dem i magnesium- og calciumpartiklerne, som er en del af det nervøse vævs-, blod- og nyretubuli - strukturer af nefroner. Derfor er det særligt vigtigt at overvåge indholdet af gasformigt hydrogenfluorid og flussyredampe i atmosfæren.