Klór-trifluorid

A klór-trifluorid szervetlen vegyület, két halogén (a fluor és a klór) egymással alkotott vegyülete (interhalogén). Színtelen, mérgező, korrozív és nagyon reakcióképes gáz, a legkülönfélébb anyagokkal reagál. Szobahőmérsékleten nyomás alatt halvány sárgászöld folyadékká kondenzálódik, jellemzően ilyen formában kerül kereskedelmi forgalomba. A második világháború gyújtóbombáinak egyik alkotója.^[5] Elsősorban rakéták hajtóanyagának alkotórészeként, a félvezetőiparban tisztító- és maratószerként,^[6][7] a kiégett fűtőelemek újrahasznosításában^[8] és más ipari műveletekben^[9] használják.

Klór-trifluorid
A klór-trifluorid molekulaszerkezete A klór-trifluorid kalottamodellje
Szabályos név	trifluoro-λ3-klorán[1] (szubsztitúciós)
Kémiai azonosítók
CAS-szám	7790-91-2
PubChem	24637
ChemSpider	23039
EINECS-szám	232-230-4
MeSH	chlorine+trifluoride
ChEBI	30123
RTECS szám	FO2800000
SMILES	F[Cl](F)F
InChI	1/ClF3/c2-1(3)4
InChIKey	JOHWNGGYGAVMGU-UHFFFAOYSA-N
Gmelin	1439
UNII	921841L3N0
UN-szám	1749
Kémiai és fizikai tulajdonságok
Kémiai képlet	ClF3
Moláris tömeg	92,45 g/mol
Megjelenés	színtelen gáz
Szag	édeskés, szúrós, irritáló[2]
Sűrűség	4 mg cm−3
Olvadáspont	−76,34 °C
Forráspont	11,75 °C
Oldhatóság (vízben)	hevesen reagál[3]
Oldhatóság	Hevesen reagál benzollal, toluollal, éterrel, alkohollal, ecetsavval, szelén-tetrafluoriddal, salétromsavval, kénsavval, lúgokkal, hexánnal.[3] CCl4-gyel ütésre érzékeny robbanásveszélyes oldatot képez.
Viszkozitás	91,82 μPa s
Gőznyomás	175 kPa
Kristályszerkezet
Molekulaforma	T-alakú
Termokémia
Std. képződési entalpia ΔfHo298	−158,87 kJ mol−1[4]
Standard moláris entrópia So298	281,59 J K−1mol−1[4]
Veszélyek
MSDS	natlex.ilo.ch
EU osztályozás	oxidálószer (O) rendkívül mérgező (T+) környezetre veszélyes (N) korrozív (C)
NFPA 704	0 4 3
R mondatok	R8, R14, R39/26/27/28, R35, R49, R46, R60, R61
S mondatok	(S1/2), S17, S30, S38, S45, S53, S60, S61
Rokon vegyületek
Rokon vegyületek	klór-pentafluorid klór-monofluorid bróm-trifluorid jód-trifluorid
Ha másként nem jelöljük, az adatok az anyag standardállapotára (100 kPa) és 25 °C-os hőmérsékletre vonatkoznak.

Felfedezése

Elsőként Ruff és Krug számolt be róla 1930-ban, klór fluorozásával állították elő, a reakció során ClF is keletkezett, a keveréket desztillációval választották szét.^[10]

3 F₂ + Cl₂ → 2 ClF₃

Tulajdonságai

Szobahőmérsékleten a ClF₃ színtelen gáz (forráspontja 11,75 °C), egyesek szerint édeskés, de fullasztó. Már 0,1 ppm hígításban is mérgező^[forrás?], a bőrre maró hatású, gőzei megtámadják az orr, a torok és a szem nyálkahártyáját. A szemekben maradandó károsodást okoz, a bőrön égési sebeket, fekélyeket hoz létre. Különösen alattomos tulajdonsága, hogy a fájdalom nem azonnal jelentkezik.^[forrás?] A fenti hatások azzal magyarázhatók, hogy a levegő vízgőztartalma hidrolizálja és így HF és ClO₂ keletkezik.^[forrás?]

Előállítása

Előállítása fluor és klór elegyének melegítésével 280 °C-on egy korrózióálló, nikkelből (vagy Ni-Cu 67%-30% ötvözetből) készült edényben történik.

Cl₂ + 3 F₂ = 2 ClF₃

Reakciói

Szinte minden anyaggal képes reakcióba lépni. Kitűnő fluorozó szer, robbanásszerűen reagál vízzel, lángra lobbantja a fémpor alakban levő platinafémeket, nemfémes- és szerves anyagokat, meggyújtja a ruhát, a fát, a hajat, még az azbesztet is. A xenonnal és a radonnal is reagál: fluorid keletkezik.

Számos fémmel kloridok és fluoridok keletkezése közben reagál, foszforral reagálva foszfor-trikloridot (PCl₃) és foszfor-pentafluoridot (PF₅), míg kénnel kén-dikloridot (SCl₂) és kén-tetrafluoridot (SF₄) képez. Vízzel is robbanásszerű hevességgel reagál, a vizet oxigénné vagy oxigén-difluoriddá (OF₂), valamint hidrogén-fluoriddá és hidrogén-kloriddá oxidálja. A fém-oxidokkal fém-halogenideket és oxigént vagy oxigén-difluoridot képez. Csak a fent említett ellenálló fémedényekben tárolható.

ClF₃ + 2H₂O → 3HF + HCl + O₂

ClF₃ + H₂O → HF + HCl + OF₂

A ClF₃ fő felhasználását az urán-hexafluorid (UF₆) gyártása jelenti, mely a nukleáris fűtőanyagok feldolgozásának és újrafeldolgozásának fontos lépése:

U + 3 ClF₃ → UF₆ + 3 ClF

Szerkezete

A ClF₃ molekulája nem síkháromszöges, hanem közelítőleg T alakú. Az egyik kötés valamivel rövidebb (159,8 pm), mint a másik kettő (169,8 pm).^[11] Ez a szerkezet összhangban van a vegyértékelektronpár-taszítási elmélet által jósolttal, mely szerint a klóratomnak mindössze 3 elektronja vesz részt kötésben (3 F atommal), így marad még 2 nagy térigényű nemkötő elektronpár. Emiatt a molekula AB₃E₂ típusú és a lehető legszimmetrikusabb elrendezés a T alak. Ezt a T alakot picit torzítja a nemkötő elektronpárok taszítása, így az ideális 90° helyett a kötésszög 87,5°. A megnyúlt Cl−F axiális kötés összhangban van a kötés hipervalens voltával.

Felhasználása

Gyújtó hatását a második világháborús bombákban is felhasználták. Rendkívül exoterm a reakciója hidrazinnal, ezért már az 1950-es évektől használták rakéták hajtóanyagént. A reakció során nagy mennyiségű gáz keletkezik.^[5]

3 N₂H₄ + 4 ClF₃ = 3 N₂ + 12 HF + 2 Cl₂

A nukleáris reaktorok kiégett fűtőelemei uránt, plutóniumot, jódizotópot és lantanoidákat tartalmaznak. A ClF₃ 50-80 °C-on reakcióba lép ezekkel az anyagokkal. A reakciók eredményeképpen illékony UF₆ (urán-hexafluorid) keletkezik.

U + 3 ClF₃ = UF₆ + 3 ClF

A keletkező PuF₄ és a lantanoidák fluoridjai nem illékonyak, ezért könnyen elválaszthatók az UF₆-tól. Így az urán újrahasznosítható.^[5]

Az utóbbi évtizedekben a félvezetőipar nagyot növekedett. A félvezető gyártásban alkalmazott eszközök legjobb tisztítóanyaga a klór-trifluorid, mert nem igényel plazma aktivációt. Reakciókészsége miatt nem üvegházgáz, és nem károsítja az ózonpajzsot.^[5]

Katonai alkalmazások

Nem sokkal a II. világháború kezdete előtt a nemzetiszocialista Német Birodalomban N-stoff („N-anyag”) kódnévvel a Kaiser Wilhelm Institute vizsgálta lehetséges katonai felhasználását. A Maginot-vonal erődítményeinek makettjét felhasználva úgy találták, hogy hatásos kombinált gyújtófegyver és harci gáz. 1938-ban kezdtek el építeni egy részben bunkerekben, részben föld alatt elhelyezkedő 31,76 km²-os hadiipari komplexumot Falkenhagen mellett, ahol havonta 50 tonna N-stoff előállítását, valamint szarin gyártását is tervezték. 1944-ig azonban, amikor az előretörő Vörös Hadsereg elfoglalta a területet, csak 30–50 tonnát állítottak elő, kilogrammonként több mint 100 birodalmi márka költséggel. Az N-stoffot sosem használták háborúban.^[12]