Хлорофлуоровъглерод

Хлорофлуоровъглеродите (CFC) са органични съединения, изцяло или частично халогенирани алканови въглеводороди, които съдържат въглерод (C), водород (H), хлор (Cl) и флуор (F). Образуват се като летливи деривати на метан, етан и пропан. ДюПон ги популяризира под търговското наименование фреони.

Хлорофлуоровъглерод
Идентификатори
MeSH	D017402
ChEBI	134024
Данните са при стандартно състояние на материалите (25 °C, 100 kPa), освен ако не е указано друго.
Хлорофлуоровъглерод в Общомедия

Най-широко разпространен е дихлородифлуорометанът (също фреон-12). Много CFC съединения намират широко приложение като хладилни агенти, горива (при аерозоли) и разтворители. Тъй като тези съединения допринасят за изтъняването на озоновия слой в горната атмосфера, производството им постепенно се прекратява по силата на Монреалския протокол, а те се заменят с други продукти като хидрофлуоровъглероди (HFC).^[1] Данни на НАСА от 2018 г. сочат, че озоновият слой се възстановява вследствие забраната на хлорофлуоровъглеродите.^[2]

Структура, свойство и получаване

Тенденции при газовете, изтъняващи озоновия слой.

Както и при по-простите алкани, въглеродът в CFC съединения се свързва в тетраедрална симетрия. Тъй като атомите на флуора и хлора се различават значително по размер и заряд както от водорода, така и помежду си, хлорофлуоровъглеродите след метана се отклоняват от идеалната тетраедрална симетрия.^[3]

Физичните свойства на хлорофлуоровъглеродите могат да се управляват чрез промени в броя и халогенните атоми. По принцип са летливи, но по-малко от началните алкани. Намалената летливост се дължи на молекулярната полярност, предизвикана от халидите, която въвежда допълнителни междумолекулни взаимодействия. Метанът кипи при −161 °C, докато флуорометаните кипят между −51,7 (CF₂H₂) и −128 °C (CF₄). Хлорофлуоровъглеродите имат дори по-висока температура на кипене, тъй като хлоридите се поляризират дори повече от флуоридите. Поради полярността си, CFC съединенията са полезни разтворители, а температурата им на кипене ги прави подходящи за хладилни агенти. Хлорофлуоровъглеродите са много по-малко запалими от метана, отчасти защото съдържат по-малко C-H връзки, но и защото освободените халиди гасят свободните радикали, които поддържат пламъците.

Плътността на CFC съединенията е по-висока от съответстващите им алкани. По принцип плътността на тези съединения зависи от броя хлориди.

CFC и HCFC съединенията обикновено се получават чрез халогенен обмен, започващ от хлорирани метани и етани. Показателен е синтезът на хлородифлуорометан от хлороформ:

HCCl₃ + 2 HF → HCF₂Cl + 2 HCl

Бромираните деривати се генерират от реакции на хидрохлорофлуоровъглероди със свободни радикали на, при което C-H връзките се заместват от C-Br връзки. Получаването на обезболяващия 2-бром-2-хлор-1,1,1-трифлуороетан (халотан) е показателно:

CF₃CH₂Cl + Br₂ → CF₃CHBrCl + HBr

Приложение

CFC и HCFC съединенията имат различни приложения, поради ниската им токсичност, реактивност и запалимост. Всяка пермутация на флуора, хлора и водорода, основаваща се на метан и етан, е проучена, като повечето вече са комерсиализирани. Употребяват се като хладилни агенти, разпенващи агенти, горива в медицински приложения и обезмасляващи разтворители.

Милиарди килограми хлородифлуорометан се произвеждат всяка година като прекурсор на тетрафлуороетилен – мономерът, от който се изработва тефлон.^[4]

Номенклатура

За флуорираните алкани се използва специална система за номериране с префикси Фреон-, R-, CFC- и HCFC-, където най-дясната стойност обозначава броя флуорни атоми, следващата стойност наляво е броят водородни атоми плюс 1, следващата стойност наляво е броят въглеродни атоми минус 1, а останалите атоми са на хлора. Така например, Фреон-12 обозначава метанов дериват (само две числа), съдържащ два флуорни атоми и нито един водороден. Следователно, това е CCl₂F₂. Фреоните, съдържащи бром, се обозначават с четири цифри.

Основни хлорофлуоровъглероди
Систематично име	Друго име, код	Точка на кипене (°C)	Формула
Трихлорофлуорометан	Фреон-11, R-11, CFC-11	23,77	CCl3F
Дихлородифлуорометан	Фреон-12, R-12, CFC-12	−29,8	CCl2F2
Дифлуорометан/пентафлуороетан	R-410A, Пурон, AZ-20	−48,5	50% CH2F2/50% CHF2CF3
Хлоротрифлуорометан	Фреон-13, R-13, CFC-13	−81	CClF3
Хлородифлуорометан	R-22, HCFC-22	−40,8	CHClF2
Дихлорофлуорометан	R-21, HCFC-21	8,9	CHCl2F
Хлорофлуорометан	Фреон 31, R-31, HCFC-31	−9,1	CH2ClF
Бромохлородифлуорометан	BCF, Халон 1211, H-1211, Фреон 12B1	−3,7	CBrClF2
1,1,2-трихлоро-1,2,2-трифлуороетан	Фреон 113, R-113, CFC-113, 1,1,2-Трихлоротрифлуороетан	47,7	Cl2FC-CClF2
1,1,1-трихлоро-2,2,2-трифлуороетан	Фреон 113a, R-113a, CFC-113a	45,9	Cl3C-CF3
1,2-дихлоро-1,1,2,2-тетрафлуороетан	Фреон 114, R-114, CFC-114, Дихлоротетрафлуороетан	3,8	ClF2C-CClF2
1-хлоро-1,1,2,2,2-пентафлуороетан	Фреон 115, R-115, CFC-115, Хлоропентафлуороетан	−38	ClF2C-CF3
2-хлоро-1,1,1,2-тетрафлуороетан	R-124, HCFC-124	−12	CHFClCF3
1,1-дихлоро-1-флуороетан	R-141b, HCFC-141b	32	Cl2FC-CH3
1-хлоро-1,1-дифлуороетан	R-142b, HCFC-142b	−9,2	ClF2C-CH3
Тетрахлоро-1,2-дифлуороетан	Фреон 112, R-112, CFC-112	91,5	CCl2FCCl2F
Тетрахлоро-1,1-дифлуороетан	Фреон 112a, R-112a, CFC-112a	91,5	CClF2CCl3
1,1,2-Трихлоротрифлуороетан	Фреон 113, R-113, CFC-113	48	CCl2FCClF2
1-бромо-2-хлоро-1,1,2-трифлуороетан	Халон 2311a	51,7	CHClFCBrF2
2-бромо-2-хлоро-1,1,1-трифлуороетан	Халон 2311	50,2	CF3CHBrCl
1,1-Дихлоро-2,2,3,3,3-пентрафлуоропропан	R-225ca, HCFC-225ca	51	CF3CF2CHCl2
1,3-Дихлоро-1,2,2,3,3-пентрафлуоропропан	R-225cb, HCFC-225cb	56	CClF2CF2CHClF

История

Тетрахлорометан (CCl₄) се използва в пожарогасителите и стъклените противопожарни гранати от края на 19 век до края на Втората световна война. Белгийският учен Фредерик Суартс първи синтезира CFC съединения през 1890-те години. Той разработва ефективен агент на обмяна, който заменя хлорида във въглеродния тетрахлорид с флуор, при което се получават CFC-11 (CCl₃F) и CFC-12 (CCl₂F₂). Опитите с хлороалкани за пожарогасене на военните самолети започват през 1920-те години. Фреон е търговското име на група хлорофлуоровъглероди, използвани главно като хладилни агенти, но намиращи приложение и в пожарогасенето и като гориво в аерозолите.

През 1960-те години флуороалканите и бромофлуороалканите бързо стават известни като високоефективни противопожарни материали. Към края на десетилетието те вече са стандартни материали там, където водните и праховите пожарогасители представляват заплаха от повреждане на имота (стаи с компютри, телекомуникационно оборудване, лаборатории, музеи и други). През 1970-те години бромофлуороалканите се използват за бързо потушаване на тежки пожари в ограничените пространства на военните кораби с минимален риск за екипажа.

След 1980-те години употребата на CFC съединения попада под много сериозни регулации, поради разрушителното им влияние върху озоновия слой. Вредата, която носят тези съединения, е открита от Шерууд Роуланд и Марио Молина още през 1974 г. Оказва се, че едно от най-желаните свойства на CFC съединенията, тяхната слаба реактивност, е ключът към най-разрушителния им ефект. Липсата им на реактивност ги прави устойчиви в продължение на над сто години, през което време те се разсейват в горната стратосфера.^[5] Веднъж попаднали там, ултравиолетовото лъчение на Слънцето вече е достатъчно силно, за да предизвика разцепване на C-Cl връзките.

През 1987 г. е съставен Монреалският протокол, който налага драстични ограничения върху производството на хлорофлуоровъглеродите. И докато той ограничава производството и употребата на CFC съединения, емисиите от наличните запаси на CFC съединения не се регулират.