Фтороводень

Шаблон:Речовина Фто́рово́день — 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 фторидну кислоту (плавикову).

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

Фізичні властивості

Фтороводень (гідрофторид) являє собою безбарвну, рухливу і легколетючу рідину (т_кип +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

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

$\mathrm{C}\mathrm{a}{\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{\uparrow }\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

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 фторсульфонової 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:

• SiO₂ (до 1 %);
• сульфіди (до 0,05 %);
• CaCO₃ (до 1 %);
• Al₂O₃, Fe₂O₃ (до 1,5 %);
• вода (до 0,1 %).

Наявні домішки також беруть участь у взаємодії:

$\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{⟶}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{F}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\uparrow }\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

$\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{S}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\downarrow }\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\uparrow }$

$\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{A}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

$\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

$\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{S}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}\mathrm{\uparrow }$

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

$\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{F}\mathrm{e}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\uparrow }\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

В результаті синтезу утворюються дві фази: газуватий фтороводень із супутніми домішковими газами (фторид 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 фтороапатиту, в розчинах у значній кількості утворюється гексафторосилікатна 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:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{[}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{F}}_{\mathrm{6}}\mathrm{]}\stackrel{600^{o}C}{\to }\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{F}}_{\mathrm{4}}$

$\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{600^{o}C}{\to }\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

• виділену кислоту обробляють водним розчином аміаку та нагрівають із сульфатною кислотою:

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{[}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{F}}_{\mathrm{6}}\mathrm{]}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{(}\mathrm{n}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{)}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{6}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\cdot }\mathrm{n}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Після концентрування фториду амонію, він частково розкладається на гідрофторид NH₄HF₂. З утворених продуктів отримують фтороводень дією на них кислот (сульфатної або хлоридної):

$\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{F}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\stackrel{180^{o}C}{\to }\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{(}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\mathrm{H}{\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\stackrel{180^{o}C}{\to }\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{(}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}$

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

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{F}$

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

Хімічні властивості

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

$\mathrm{H}\mathrm{F}\stackrel{3500^{o}C}{\to }{\mathrm{H}}^{\mathrm{0}}\mathrm{+}{\mathrm{F}}^{\mathrm{0}}$

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

$\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\leftrightarrows }\mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{H}{F}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{-}}$

$\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}{\mathrm{F}}^{\mathrm{-}}\mathrm{\leftrightarrows }\mathrm{H}{F}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{-}}$

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:

$\mathrm{3}\mathrm{H}{\mathrm{F}}_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{q}\mathrm{.}}\mathrm{\leftrightarrows }\mathrm{[}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{F}}^{\mathrm{+}}\mathrm{]}\mathrm{[}\mathrm{H}{F}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{-}}\mathrm{]}$

$\mathrm{2}\mathrm{H}{\mathrm{F}}_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{q}\mathrm{.}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{N}{O}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{H}{F}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{-}}$

$\mathrm{2}\mathrm{H}{\mathrm{F}}_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{q}\mathrm{.}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{⟶}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{H}{F}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{-}}$

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:

$\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{⟶}\mathrm{M}\mathrm{e}{\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Із тріоксидом сірки фтороводень утворює фторосульфонову кислоту:

$\mathrm{H}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}\mathrm{H}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{F}$

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):

$\mathrm{3}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{F}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{F}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}\mathrm{3}\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{A}\mathrm{l}{F}_{\mathrm{6}}^{\mathrm{-}}$

($\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{F}}_{\mathrm{3}}$ — як кислота)

$\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{F}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{B}{\mathrm{F}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{B}{F}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{-}}$

(AlF₃ — як основа)

Токсичність

Шаблон:Див. також 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

Застосовують для отримання кріоліту, фторопохідних урану, фреонів, фторорганічних 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

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

• Гідрофторид аргону
• Флуоридна кислота

Посилання

• ГІДРОГЕН ФЛУОРИД //Фармацевтична енциклопедія
• Властивості фтороводню на сайті chemister.ru Шаблон:Ref-ru

Джерела

• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-en
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-en
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-en
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-en
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-en
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-ru