Сред съединенията на халогените - елементи от 7-ма група на основната подгрупа на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев - флуороводородът е от голямо практическо значение. Заедно с други халогеноводороди, той се използва в различни сектори на националната икономика: за производство на флуорсъдържащи пластмаси, флуороводородна киселина и нейните соли. В тази работа ще проучим структурата на молекулата, физичните и химичните свойства на това вещество и ще разгледаме областите на неговото приложение.
История на откриването
През 17-ти век К. Шванквард експериментира с минерала флуорен шпат и сулфатна киселина. Ученият открива, че по време на реакцията се отделя газ, който започва да разрушава стъклената плоча, покриваща епруветката със смес от реагенти. Това газообразно съединение се нарича флуороводород.
Флуороводородна киселина е получена през 19-ти век Gay-Lussac от същите суровини: флуорит и сярна киселина. Ампер доказа чрез своите експерименти, че структурата на HF молекулата е подобна на хлороводорода. Това важи и за водните разтвори на тези халогеноводороди. Разликите се отнасят до силата на киселините: флуороводородът е слаб, а хлоридът е силен.
Физически свойства
Газът с химична формула HF има остра характерна миризма, безцветен, малко по-лек от въздуха. В серията халогеноводороди HI-HBr-HCl- точките на кипене и топене се променят плавно, а при преминаване към HF рязко се повишават. Обяснението за това явление е следното: молекулярният флуороводород образува асоциати (групи от неутрални частици, между които възникват водородни връзки). Необходима е допълнителна енергия, за да се разбият, така че точките на кипене и топене се повишават. Според показателите за плътност на газа, в диапазона близо до точката на кипене (+19,5), флуороводородът се състои от агрегати със среден състав HF2. При нагряване над 25 оС, тези комплекси постепенно се разлагат и при температура от около 90 оС се състои флуороводород от HF молекули.
Как се добива флуорхидрид
Методи за получаване на вещество не в лабораторни условия, които вече споменахме, а в индустрията, практически не се различават един от друг: реагентите са едни и същи флуорит (флуорит) и сулфатна киселина.
Минералът, чиито находища се намират в Приморие, Забайкалия, Мексико, САЩ, първо се обогатява по метода на флотация и след това се използва в технологичния процесполучаване на HF, което се извършва в специални стоманени пещи. В тях се зарежда руда и се смесва със сулфатна киселина. Обогатената руда съдържа 55-60% флуорит. Стените на пещта са облицовани с оловни листове, които улавят флуороводород. Пречиства се в промивна колона, охлажда се и след това се кондензира. За производството на флуороводород се използват ротационни пещи, нагрявани индиректно с електричество. Изходната масова фракция на HF е приблизително 0,98, но процесът има своите недостатъци. Доста е дълъг и изисква голяма консумация на сулфатна киселина.
Полярност на HF молекулите
Безводният флуороводород се състои от частици, които имат способността да се свързват една с друга и да образуват агрегати. Това се обяснява с вътрешната структура на молекулата. Между атомите на водорода и флуора възниква силна химическа връзка, наречена полярна ковалентна връзка. Той е представен от обща електронна двойка, изместена към по-електроотрицателния флуорен атом. В резултат на това флуорохидридните молекули стават полярни и имат формата на диполи.
Между тях възникват сили на електростатично привличане, което води до появата на съдружници. Дължината на химичната връзка между водородните и флуорните атоми е 92 nm, а енергията й е 42 kJ/mol. Както в газообразно, така и в течно състояние, веществото се състои от полимерна смес под формата H2F2, H 4 F4.
Химически свойства
Безводният флуороводород има способността да взаимодейства със соликарбонатни, силикатни, нитритни и сулфидни киселини. Показвайки окислителни свойства, HF редуцира горните съединения до въглероден диоксид, силициев тетрафлуорид, сероводород и азотни оксиди. Воден 40% разтвор на флуороводород разрушава бетон, стъкло, кожа, каучук и също така взаимодейства с някои оксиди, като Cu2O. В продуктите се намират свободна мед, меден флуорид и вода. Има група вещества, с които HF не реагира, например тежки метали, както и магнезий, желязо, алуминий, никел.
Воден разтвор на флуороводород
Нарича се флуороводородна киселина и се използва под формата на 40% и 72% разтвори. Флуороводородът, чиито химични свойства зависят от концентрацията му, е безкрайно разтворим във вода. В този случай се отделя топлина, което характеризира този процес като екзотермичен. Като киселина със средна сила, воден разтвор на HF взаимодейства с метали (реакция на заместване). Образуват се соли – флуориди – и се отделя водород. Пасивните метали не реагират с флуороводородна киселина – платина и злато, както и олово. Киселината го пасивира, тоест образува защитен филм върху металната повърхност, състоящ се от неразтворим оловен флуорид. Водният разтвор на HF може да съдържа примеси от желязо, арсен, серен диоксид, като в този случай се нарича техническа киселина. Концентриран 60% HF разтвор е от съществено значение в химията на органичния синтез. Съхранява се в полиетиленови или тефлонови съдове, както и в флуор с голям тонажкиселината се транспортира в стоманени резервоари.
Ролята на флуороводородната киселина в националната икономика
Разтвор на флуороводород се използва за производството на амониев борен флуорид, който е компонент на флюсите в черната и цветната металургия. Използва се и в процеса на електролиза за получаване на чист бор. Флуороводородна киселина се използва при производството на силикофлуориди, като Na2SiF6. Използва се за производство на цименти и емайли, устойчиви на минерални киселини.
Fluates правят строителните материали водоустойчиви. В процеса на тяхното използване трябва да се внимава, тъй като всички силикофлуориди са токсични. Воден разтвор на HF също се използва при производството на синтетични смазочни масла. За разлика от минералните масла, те запазват вискозитета и образуват защитен филм върху повърхността на работните части: компресори, скоростни кутии, лагери както при високи, така и при ниски температури. Водният флуороводород е от голямо значение в ецването (матирането) на стъкло, както и в полупроводниковата индустрия, където се използва за ецване на силиций.
Флуорирани пластмаси
Най-популярният от тях е тефлон (флуоропласт - 4). Открит е съвсем случайно. Органичният химик Рой Планкет, който участва в синтеза на фреони, открива в бутилки с газообразен етилен тетрахлорид, съхраняван при необичайно ниска температура, не газ, а бял прах, мазен на допир. Оказа се, че при високо налягане и ниска температуратетрафлуоретилен полимеризиран.
Тази реакция доведе до образуването на нова пластмасова маса. Впоследствие е наречен тефлон. Има изключителна устойчивост на топлина и замръзване. Тефлоновите покрития се използват успешно в хранително-вкусовата и химическата промишленост, в производството на съдове за готвене с незалепващи свойства. Дори при 70 оС продуктите от флуоропласт - 4 не губят свойствата си. Изключителна е високата химическа инертност на тефлона. Не се разрушава при контакт с агресивни вещества - алкали и киселини. Това е много важно за оборудването, използвано в технологичните процеси за производство на нитратни и сулфатни киселини, амониев хидроксид и сода каустик. Флуоропластите могат да съдържат допълнителни компоненти - модификатори, като стъклени влакна или метали, в резултат на което променят свойствата си, например повишават устойчивостта на топлина и износоустойчивост.
Дисоциация на флуороводород
По-рано споменахме, че в HF молекулите се образува силна ковалентна връзка, освен това те самите могат да се комбинират в агрегати, образувайки водородни връзки. Ето защо флуороводородът има ниска степен на дисоциация и е слабо разделен на йони във воден разтвор. Флуороводородната киселина е по-слаба от хлорида или бромида. Тези особености на неговата дисоциация обясняват съществуването на устойчиви киселинни соли, докато нито хлорид, нито йод ги образуват. Константата на дисоциация на воден разтвор на флуороводород е 7x10-4, което потвърждава факта, че неговият разтвор съдържа голям брой недисоцииранимолекули и има ниско съдържание на водородни и флуорни йони.
Каква е опасността от флуорхидрид
Трябва да се отбележи, че газообразният и течният флуороводород са токсични. Кодът на веществото е 0342. Флуороводородна киселина също има наркотични свойства. Ще се спрем на ефекта му върху човешкото тяло малко по-късно. В класификатора това вещество, както и безводният флуорхидрид, е във втория клас на опасност. Това се дължи преди всичко на способността на флуорните съединения да се запалват лесно. По-специално, това свойство се проявява особено в такова съединение като газообразен флуороводород, чиято опасност от пожар и експлозия е особено висока.
Защо да определяте нивото на флуороводород във въздуха
При промишленото производство на HF, получен от флуорен шпат и сярна киселина, може да има загуба на газообразен продукт, чиито пари навлизат в атмосферата. Припомнете си, че флуороводородът (чийто клас на опасност е вторият) е силно токсично вещество и изисква постоянно измерване на неговата концентрация. Индустриалните емисии съдържат голям брой вредни и потенциално опасни химикали, предимно азотни и серни оксиди, сулфиди на тежки метали и газообразни халогеноводороди. Сред тях голяма част се пада на флуороводород, чиято ПДК в атмосферния въздух е 0,005 mg/m3 по отношение на флуор на ден. За заводски обекти, където се намират барабанни пещи, максимално допустимата концентрация (MPC) трябва да бъде 0,1mg/m3.
Анализатори на флуороводород
За да разберете какви вредни газове и колко са попаднали в атмосферата, има специални измервателни уреди. За откриване на HF пари се използват фотоколориметрични газови анализатори, в които като източници на излъчване се използват както лампи с нажежаема жичка, така и полупроводникови светодиоди, а фотодиодите и фототранзисторите играят ролята на фотодетектори. Определянето на флуороводород в атмосферния въздух също се извършва чрез инфрачервени газови анализатори. Те са доста чувствителни. HF молекулите абсорбират дълговълнова радиация в диапазона от 1-15 µm. Инструментите, използвани за определяне на токсични отпадъци в атмосферния въздух и в работната зона на промишлените предприятия, регистрират колебания в концентрацията на HF както в рамките на допустимата норма, така и в изолирани екстремни случаи (техногенни бедствия, нарушаване на технологичните цикли поради прекъсване на електрозахранването и др.). Тези функции се изпълняват от термокондуктометрични газови анализатори на флуороводород. Бал. те различават емисиите въз основа на зависимостта на топлопроводимостта на HF от състава на газовата смес.
Вредни ефекти на флуорхидрид върху човешкото тяло
Както безводният флуороводород, така и флуороводородната киселина, която е неговият разтвор във вода, принадлежат към втория клас на опасност. Тези съединения имат особено негативен ефект върху жизненоважните системи: сърдечно-съдовата, отделителната, дихателната, както и кожата и лигавиците. Проникване на вещество през кожатаостава незабелязано и безсимптомно. Явленията на токсикозата могат да се появят на следващия ден и се диагностицират като лавина, а именно: кожата се разязвява, образуват се участъци от изгаряне на повърхността на лигавицата на очите. Белодробните тъкани се разрушават поради некротични лезии на алвеолите. Флуорните йони, които са попаднали в интерстициалната течност, след това проникват в клетките и свързват в тях магнезиеви и калциеви частици, които са част от нервната тъкан, кръвта, а също и бъбречните тубули - структурите на нефроните. Ето защо внимателното наблюдение на съдържанието на газообразен флуороводород и пари на флуороводородна киселина в атмосферата е особено важно.
