Među spojevima halogena - elementima 7. skupine glavne podskupine periodnog sustava kemijskih elemenata D. I. Mendelejeva - fluorovodik je od velike praktične važnosti. Zajedno s drugim halogenvodikovima, koristi se u raznim sektorima nacionalnog gospodarstva: za proizvodnju plastike koja sadrži fluor, fluorovodične kiseline i njezinih soli. U ovom radu proučavat ćemo strukturu molekule, fizikalna i kemijska svojstva ove tvari te razmotriti područja njezine primjene.
Povijest otkrića
U 17. stoljeću, K. Schvankvard je eksperimentirao s mineralom fluorom i sulfatnom kiselinom. Znanstvenik je otkrio da se tijekom reakcije oslobađa plin koji je mješavinom reagensa počeo uništavati staklenu ploču koja je prekrivala epruvetu. Ovaj plinoviti spoj naziva se fluorovodik.
Fluorovodonična kiselina dobivena je u 19. stoljeću Gay-Lussac od istih sirovina: fluorita i sumporne kiseline. Ampère je svojim pokusima dokazao da je struktura HF molekule slična klorovodiku. To vrijedi i za vodene otopine ovih vodikovih halogenida. Razlike se odnose na jačinu kiselina: fluorovodična je slaba, a klorid je jak.
Fizička svojstva
Plin s kemijskom formulom HF ima oštar karakterističan miris, bezbojan, nešto lakši od zraka. U nizu halogenida vodika HI-HBr-HCl-, vrelište i talište se mijenjaju glatko, a prijelaskom u HF naglo rastu. Objašnjenje za ovu pojavu je sljedeće: molekularni fluorovodik stvara asociate (skupine neutralnih čestica između kojih nastaju vodikove veze). Za njihovo razbijanje potrebna je dodatna energija, pa se vrelište i talište povećavaju. Prema pokazateljima gustoće plina, u području blizu vrelišta (+19,5), fluorovodik se sastoji od agregata prosječnog sastava HF2. Kada se zagrije iznad 25 oS, ovi kompleksi se postupno razgrađuju, a na temperaturi od oko 90 oS, sastoji se od fluorovodika HF molekula.
Kako se kopa fluorhidrid
Metode za dobivanje tvari ne u laboratorijskim uvjetima, koje smo već spomenuli, već u industriji, praktički se ne razlikuju jedna od druge: reagensi su isti fluorit (fluorit) i sulfatna kiselina.
Mineral čija se nalazišta nalaze u Primorye, Transbaikalia, Meksiko, SAD, prvo se obogaćuje metodom flotacije, a zatim se koristi u tehnološkom procesudobivanje HF, koje se provodi u posebnim čeličnim pećima. U njih se utovaruje ruda i miješa se sa sulfatnom kiselinom. Obogaćena ruda sadrži 55-60% fluorita. Stijenke peći su obložene olovnim pločama koje zadržavaju fluorovodik. Pročišćava se u koloni za pranje, ohladi i zatim kondenzira. Za proizvodnju fluorovodika koriste se rotacijske peći koje se zagrijavaju neizravno električnom energijom. Izlazni maseni udio HF-a je približno 0,98, ali postupak ima svoje nedostatke. Prilično je dugačak i zahtijeva veliku potrošnju sulfatne kiseline.
Polaritet HF molekula
Bezvodni fluorovodik sastoji se od čestica koje imaju sposobnost da se vežu jedna na drugu i formiraju agregate. To se objašnjava unutarnjom strukturom molekule. Između atoma vodika i fluora nastaje jaka kemijska veza, nazvana polarna kovalentna veza. Predstavljen je zajedničkim elektronskim parom pomaknutim na elektronegativniji atom fluora. Kao rezultat toga, molekule fluorohidrida postaju polarne i imaju oblik dipola.
Među njima nastaju elektrostatičke sile privlačenja, što dovodi do pojave suradnika. Duljina kemijske veze između atoma vodika i fluora je 92 nm, a energija joj je 42 kJ/mol. I u plinovitom i u tekućem stanju, tvar se sastoji od smjese polimera oblika H2F2, H 4 F4.
Kemijska svojstva
Bezvodni fluorovodik ima sposobnost interakcije sa solimakarbonatne, silikatne, nitritne i sulfidne kiseline. Pokazujući oksidirajuća svojstva, HF reducira gornje spojeve na ugljični dioksid, silicij tetrafluorid, sumporovodik i dušikove okside. Vodena otopina fluorovodika od 40% uništava beton, staklo, kožu, gumu, a također stupa u interakciju s nekim oksidima, kao što je Cu2O. U proizvodima se nalaze slobodni bakar, bakrov fluorid i voda. Postoji skupina tvari s kojima HF ne reagira, na primjer, teški metali, kao i magnezij, željezo, aluminij, nikal.
Vodena otopina fluorovodika
Zove se fluorovodična kiselina i koristi se u obliku 40% i 72% otopina. Fluorvodik, čija kemijska svojstva ovise o njegovoj koncentraciji, beskonačno je topiv u vodi. U tom slučaju se oslobađa toplina, što ovaj proces karakterizira kao egzotermni. Budući da je kiselina srednje jakosti, vodena otopina HF stupa u interakciju s metalima (reakcija supstitucije). Nastaju soli – fluoridi – i oslobađa se vodik. Pasivni metali ne reagiraju s fluorovodičnom kiselinom – platinom i zlatom, kao i olovom. Kiselina ga pasivizira, odnosno stvara zaštitni film na površini metala koji se sastoji od netopivog olovnog fluorida. Vodena otopina HF-a može sadržavati nečistoće željeza, arsena, sumpor-dioksida, u kojem slučaju se naziva tehnička kiselina. Koncentrirana 60% otopina HF neophodna je u kemiji organske sinteze. Skladišti se u polietilenskim ili teflonskim posudama, te u fluoru velike tonažekiselina se transportuje u čeličnim tankovima.
Uloga fluorovodične kiseline u nacionalnoj ekonomiji
Otopina vodikovog fluorida koristi se za proizvodnju amonij-bor-fluorida, koji je sastavni dio fluksa u crnoj i obojenoj metalurgiji. Također se koristi u procesu elektrolize za dobivanje čistog bora. Fluorovodična kiselina se koristi u proizvodnji silikofluorida, kao što je Na2SiF6. Koristi se za proizvodnju cementa i emajla otpornih na mineralne kiseline.
Fluate čine građevinski materijal vodootpornim. U procesu njihove uporabe potrebno je paziti, jer su svi silikofluoridi otrovni. Vodena otopina HF također se koristi u proizvodnji sintetičkih ulja za podmazivanje. Za razliku od mineralnih ulja, zadržavaju viskoznost i stvaraju zaštitni film na površini radnih dijelova: kompresora, mjenjača, ležajeva i na visokim i na niskim temperaturama. Vodeni fluorovodik je od velike važnosti u jetkanju (matiranju) stakla, kao i u industriji poluvodiča, gdje se koristi za jetkanje silicija.
Fluorirana plastika
Najpopularniji od njih je teflon (fluoroplast - 4). Otkrivena je sasvim slučajno. Organski kemičar Roy Plunkett, koji je sudjelovao u sintezi freona, pronašao je u cilindrima s plinovitim etilen tetrakloridom pohranjenim na nenormalno niskoj temperaturi, ne plin, već bijeli prah, mastan na dodir. Pokazalo se da pri visokom tlaku i niskoj temperaturitetrafluoroetilen polimeriziran.
Ova reakcija dovela je do stvaranja nove plastične mase. Kasnije je nazvan teflon. Ima izuzetnu otpornost na toplinu i mraz. Teflonski premazi uspješno se koriste u prehrambenoj i kemijskoj industriji, u proizvodnji posuđa s neljepljivim svojstvima. Čak i kod 70 oS proizvodi od fluoroplastike - 4 ne gube svoja svojstva. Iznimna je visoka kemijska inertnost teflona. Ne uništava se kontaktom s agresivnim tvarima - lužinama i kiselinama. To je vrlo važno za opremu koja se koristi u tehnološkim procesima za proizvodnju nitratnih i sulfatnih kiselina, amonijevog hidroksida i kaustične sode. Fluoroplasti mogu sadržavati dodatne komponente - modifikatore, kao što su staklena vlakna ili metali, zbog čega mijenjaju svoja svojstva, na primjer, povećavaju otpornost na toplinu i otpornost na habanje.
Disociacija vodikovog fluorida
Ranije smo spomenuli da se u HF molekulama stvara jaka kovalentna veza, osim toga, one se same mogu kombinirati u agregate, tvoreći vodikove veze. Zato fluorovodik ima nizak stupanj disocijacije i slabo se cijepa na ione u vodenoj otopini. Fluorovodonična kiselina je slabija od klorida ili bromida. Ove značajke njegove disocijacije objašnjavaju postojanje postojanih kiselih soli, dok ih ni klorid ni jod ne stvaraju. Konstanta disocijacije vodene otopine fluorovodika je 7x10-4, što potvrđuje činjenicu da njezina otopina sadrži veliki broj nedisociranihmolekula i postoji nizak sadržaj vodikovih i fluorovih iona.
Koja je opasnost od fluorhidrida
Treba napomenuti da su i plinoviti i tekući vodikov fluorid otrovni. Šifra tvari je 0342. Fluorovodonična kiselina također ima narkotička svojstva. Nešto kasnije ćemo se zadržati na njegovom učinku na ljudski organizam. U klasifikatoru je ova tvar, kao i bezvodni fluorhidrid, u drugom razredu opasnosti. To je prvenstveno zbog sposobnosti spojeva fluora da se lako zapale. Posebno se to svojstvo očituje u spoju kao što je plinoviti fluorovodik, čija je opasnost od požara i eksplozije posebno velika.
Zašto odrediti razinu fluorovodika u zraku
U industrijskoj proizvodnji HF-a, dobivenog iz fluorita i sumporne kiseline, može doći do gubitka plinovitih proizvoda čije pare ulaze u atmosferu. Podsjetimo da je fluorovodik (čiji je razred opasnosti drugi) vrlo otrovna tvar i zahtijeva stalno mjerenje njegove koncentracije. Industrijske emisije sadrže velik broj štetnih i potencijalno opasnih kemikalija, prvenstveno dušikovih i sumpornih oksida, sulfida teških metala i plinovitih vodikovih halogenida. Među njima, veliki udio otpada na fluorovodik, čiji je MPC u atmosferskom zraku 0,005 mg/m3 u smislu fluora dnevno. Za tvornička mjesta gdje se nalaze bubnjeve peći, najveća dopuštena koncentracija (MPC) treba biti 0,1mg/m3.
Analizatori plina vodikovog fluorida
Da biste saznali koji su to štetni plinovi i koliko je dospjelo u atmosferu, postoje posebni mjerni instrumenti. Za detekciju HF para koriste se fotokolorimetrijski plinski analizatori, u kojima se kao izvori zračenja koriste i žarulje sa žarnom niti i poluvodičke svjetleće diode, a fotodiode i fototranzistori imaju ulogu fotodetektora. Određivanje fluorovodika u atmosferskom zraku također se provodi infracrvenim plinskim analizatorima. Prilično su osjetljivi. HF molekule apsorbiraju dugovalno zračenje u rasponu od 1-15 µm. Instrumenti koji se koriste za određivanje toksičnog otpada u atmosferskom zraku i u radnom području industrijskih poduzeća bilježe fluktuacije koncentracije HF-a kako unutar dopuštene norme, tako iu izoliranim ekstremnim slučajevima (tehničke katastrofe, prekid tehnoloških ciklusa zbog kvarova u opskrbi električnom energijom, itd.). Ove funkcije obavljaju termokonduktometrijski plinski analizatori fluorovodika. Maturalna večer. razlikuju emisije na temelju ovisnosti toplinske vodljivosti HF-a o sastavu plinovite smjese.
Štetni učinci fluorhidrida na ljudski organizam
I bezvodni fluorovodik i fluorovodična kiselina, koja je njegova otopina u vodi, pripadaju drugoj klasi opasnosti. Ovi spojevi posebno negativno utječu na vitalne sustave: kardiovaskularni, izlučni, dišni, kao i kožu i sluznicu. Prodor tvari kroz kožuprolazi nezapaženo i asimptomatski. Pojave toksikoze mogu se pojaviti već sljedeći dan, a dijagnosticiraju se kao lavina i to: koža ulcerira, na površini sluznice očiju stvaraju se opekotine. Tkiva pluća su uništena zbog nekrotičnih lezija alveola. Ioni fluora koji su ušli u intersticijsku tekućinu tada prodiru u stanice i vežu u njima čestice magnezija i kalcija, koji su dio živčanog tkiva, krvi, a također i bubrežnih tubula - struktura nefrona. Stoga je posebno važno pažljivo praćenje sadržaja plinovitih para vodikovog fluorida i fluorovodične kiseline u atmosferi.
