Фтороводень

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).

Фтороводень
	модель молекули
Назва за IUPAC	гідроген флуорид[1]
Інші назви	флуоран[1]
Ідентифікатори
Номер CAS	7664-39-3
Номер EINECS	231-634-8
DrugBank	DB11072
KEGG	C16487
ChEBI	29228
RTECS	MW7875000
SMILES	F[2]
InChI	InChI=1S/FH/h1H
Номер Ґмеліна	166
Властивості
Молекулярна формула	HF
Молярна маса	20,006 г/моль
Зовнішній вигляд	безбарвний газ, безбарвна рідина
Густина	0,958 г/см³
Тпл	-83,55 °C
Ткип	19,85 °C
Розчинність (вода)	висока
Розчинність (бензен)	2,55 г/100 г (5 °C)
Діелектрична проникність (ε)	83,6 (0 °C)
Показник заломлення (nD)	1,1574
В'язкість	0,256 мПа·с (0 °C)
Дипольний момент	1,826 D
Термохімія
Ст. ентальпія утворення ΔfHo 298	-299,78 кДж/моль (рід.) -273,30 кДж/моль (газ)
Ст. ентропія So 298	51,67 Дж/(моль·K) (рід.) 173,779 Дж/(моль·K) (газ)
Теплоємність, co p	29,14 Дж/(моль·K) (газ)
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

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:

${\displaystyle \mathrm {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}\longrightarrow 2HF\uparrow +CaSO_{4}} }$

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:

${\displaystyle \mathrm {SiO_{2}+4HF\longrightarrow SiF_{4}\uparrow +2H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {CaCO_{3}+H_{S}O_{4}\longrightarrow CaSO_{4}\downarrow +H_{2}O+CO_{2}\uparrow } }$

${\displaystyle \mathrm {Al_{2}O_{3}+3H_{2}SO_{4}\longrightarrow Al_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}SO_{4}\longrightarrow Fe_{2}(SO_{4})_{3}+3H_{2}O} }$

${\displaystyle \mathrm {MeS+H_{2}SO_{4}\longrightarrow MeSO_{4}+H_{2}S\uparrow } }$

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

${\displaystyle \mathrm {Fe+2H_{2}SO_{4}\longrightarrow FeSO_{4}+SO_{2}\uparrow +2H_{2}O} }$

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:

${\displaystyle \mathrm {H_{2}[SiF_{6}]{\xrightarrow {600^{o}C}}\ 2HF+SiF_{4}} }$

${\displaystyle \mathrm {SiH_{4}+2H_{2}O{\xrightarrow {600^{o}C}}\ 4HF+SiO_{2}} }$

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

${\displaystyle \mathrm {H_{2}[SiF_{6}]+6NH_{3}+(n+2)H_{2}O\longrightarrow 6NH_{4}F+SiO_{2}\cdot nH_{2}O} }$

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

${\displaystyle \mathrm {2NH_{4}F+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {180^{o}C}}\ 2HF+(NH_{4})_{2}SO_{4}} }$

${\displaystyle \mathrm {NH_{4}HF_{2}+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {180^{o}C}}\ 4HF+(NH_{4})_{2}SO_{4}} }$

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

${\displaystyle \mathrm {H_{2}+F_{2}\longrightarrow 2HF} }$

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

${\displaystyle \mathrm {HF{\xrightarrow {3500^{o}C}}H^{0}+F^{0}} }$

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

${\displaystyle \mathrm {HF+H_{2}O\leftrightarrows OH^{+}+HF_{2}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {HF+F^{-}\leftrightarrows HF_{2}^{-}} }$

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:

${\displaystyle \mathrm {3HF_{liq.}\leftrightarrows [H_{2}F^{+}][HF_{2}^{-}]} }$

${\displaystyle \mathrm {2HF_{liq.}+HNO_{3}\longrightarrow H_{2}NO_{3}^{+}+HF_{2}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {2HF_{liq.}+2HCl\longrightarrow H_{2}Cl^{+}+HF_{2}^{-}} }$

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:

${\displaystyle \mathrm {MeO+2HF\longrightarrow MeF_{2}+H_{2}O} }$

Із тріоксидом сірки фтороводень утворює фторосульфонову кислоту:

${\displaystyle \mathrm {HF+SO_{3}\longrightarrow HSO_{3}F} }$

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):

${\displaystyle \mathrm {3NaF+2AlF_{3}\longrightarrow 3Na^{+}+AlF_{6}^{-}} }$

(${\displaystyle \mathrm {AlF_{3}} }$ — як кислота)

${\displaystyle \mathrm {AlF_{3}+3BF_{3}\longrightarrow Al^{+}+3BF_{4}^{-}} }$

(AlF₃ — як основа)

Токсичність

Див. також: Флуоридна кислота

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