Водород фтористый: характеристики и применение

Среди соединений галогенов – элементов 7 группы главной подгруппы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева - большое практическое значение имеет водород фтористый. Наряду с другими галогеноводородами, он используется в различных отраслях народного хозяйства: для получения фторсодержащих пластмасс, плавиковой кислоты и её солей. В данной работе мы изучим строение молекулы, физические и химические свойства этого вещества и рассмотрим области его применения.

История открытия

В 17 веке К. Шванквард провел опыт с минералом плавиковым шпатом и сульфатной кислотой. Ученый обнаружил, что в процессе реакции выделяется газ, который начал разрушать пластинку из стекла, прикрывающую пробирку со смесью реагентов. Это газообразное соединение получило название фтористый водород.

Плавиковая кислота была получена в 19 столетии Гей-Люссаком из того же сырья: флюорита и серной кислоты. Ампер своими опытами доказал, что по строению молекулы HF аналогичен хлороводороду. Это касается также водных растворов этих галогеноводородов. Отличия касаются силы кислот: плавиковая – слабая, а хлоридная – сильная.

Физические свойства

Газ с химической формулой HF имеет резкий характерный запах, бесцветен, немного легче воздуха. В ряду галогеноводородов HI- HBr- HCl- температуры кипения и плавления меняются плавно, а при переходе к HF резко увеличиваются. Объяснение этого явления следующее: молекулярный водород фтористый образует ассоциаты (группы нейтральных частиц, между которыми возникают водородные связи). Чтобы разорвать их, требуется дополнительная энергия, поэтому температуры кипения и плавления увеличиваются. Согласно показателям плотности газа, в интервале, близком к температуре кипения (+19,5), фтороводород состоит из агрегатов со средним составом HF_2. При нагревании выше 25 ^оС эти комплексы постепенно разлагаются, и при температуре около 90 ^оС водород фтористый состоит из молекул HF.

Как добывают фторгидрид

Способы получения вещества не в лабораторных условиях, о которых мы уже упоминали, а в промышленности, практически нечем между собой не отличаются: реагентами являются все тот же плавиковый шпат (флюорит) и сульфатная кислота.

Минерал, залежи которого расположены в Приморье, Забайкалье, Мексике, США, сначала обогащают методом флотации, а затем используют в технологическом процессе получения HF, который осуществляют в специальных стальных печах. В них загружают руду и смешивают с сульфатной кислотой. Обогащенная руда содержит 55-60 % флюорита_. Стенки печи выложены свинцовыми листами, улавливающими фтористый водород. Его очищают в промывочной колонне, охлаждают, а затем конденсируют. Чтобы получить водород фтористый, используют вращающиеся печи, косвенно обогревающиеся электричеством. Массовая доля HF на выходе составляет приблизительно 0,98, но процесс имеет свои недостатки. Он достаточно длительный и требует большого расхода сульфатной кислоты.

Полярность молекул HF

Безводный фтористый водород состоит из частиц, имеющих способность связываться между собой и образовывать агрегаты. Объясняется это внутренним строением молекулы. Между атомами водорода и фтора возникает сильная химическая связь, называемая полярной ковалентной. Она представлена общей электронной парой, смещенной к более электроотрицательному атому фтора. Вследствие этого молекулы фторгидрида становятся полярными и имеют вид диполей.

Между ними возникают силы электростатического притяжения, что и приводит к появлению ассоциатов. Длина химической связи между атомами водорода и фтора составляет 92 нм, а её энергия равна 42 кДж/моль. Как в газообразном, так и в жидком состоянии вещество состоит из полимерной смеси вида H₂F₂, H₄F₄.

Химические свойства

Безводный фтористый водород имеет способность ко взаимодействию с солями карбонатной, силикатной, нитритной и сульфидной кислот. Проявляя окислительные свойства, HF восстанавливает вышеперечисленные соединения до углекислого газа, четырехфтористого кремния, сероводорода и оксидов азота. Водный 40 % раствор фтороводорода разрушает бетон, стекло, кожу, каучук, а также взаимодействует с некоторыми оксидами, например с Cu₂O. В продуктах обнаруживается свободная медь, фторид меди и вода. Есть группа веществ, с которыми HF не реагирует, например, тяжелые металлы, а также магний, железо, алюминий, никель.

Водный раствор фтороводорода

Он имеет название плавиковая кислота и используется в виде 40 % и 72 % растворов. Водород фтористый, характеристика химических свойств которого зависит от его концентрации, неограниченно растворяется в воде. При этом выделяется тепло, что характеризует этот процесс как экзотермический. Являясь кислотой средней силы, водный раствор HF взаимодействует с металлами (реакция замещения). Образуются соли – фториды - и выделяется водород. Не реагируют с плавиковой кислотой пассивные металлы – платина и золото, а также свинец. Кислота пассивирует его, то есть образует на поверхности металла защитную пленку, состоящую из нерастворимого фторида свинца. Водный раствор HF может содержать примеси железа, мышьяка, диоксида серы, в этом случае он называется технической кислотой. Концентрированный 60 % раствор HF имеет важное значение в химии органического синтеза. Он хранится в полиэтиленовых или тефлоновых емкостях, а многотоннажная плавиковая кислота перевозится в стальных цистернах.

Роль плавиковой кислоты в народном хозяйстве

Раствор фтороводорода применяют для производства борфторида аммония, являющегося компонентом флюсов в черной и цветной металлургии. Также его используют в процессе электролиза для получения чистого бора. Плавиковая кислота применяется в производстве кремнефторидов, например, такого как Na₂SiF₆. Его используют для получения цементов и эмалей, устойчивых к действию минеральных кислот.

Флюаты придают строительным материалам водонепроницаемые свойства. В процессе их применения нужно соблюдать осторожность, так как все кремнефториды токсичны. Водный раствор HF используют также и в производстве синтетических смазочных масел. В отличие от минеральных, они сохраняют вязкость и образуют защитную пленку на поверхности рабочих частей: компрессоров, редукторов, подшипников как при высоких, так и при низких температурах. Большое значение имеет водный фтористый водород в травлении (матировании) стекла, а также в полупроводниковой промышленности, где он используется для травления кремния.

Фторсодержащие пластмассы

Наиболее востребованным из них является тефлон (фторопласт – 4). Он был открыт совершенно случайно. Химик-органик Рой Планкетт, занимавшийся синтезом фреонов, обнаружил в баллонах с газообразным четерыххлористым этиленом, хранящимся при аномально низкой температуре, не газ, а белый порошок, жирный на ощупь. Оказалось, что при высоком давлении и низкой температуре тетрафторэтилен полимеризовался.

Это реакция привела к образованию новой пластической массы. Впоследствии её назвали тефлоном. Он обладает исключительной тепло- и морозоустойчивостью. Тефлоновые покрытия с успехом применяют в пищевой, химической промышленности, при производстве посуды с антипригарными свойствами. Даже при 70 ^оС изделия из фторопласта – 4 не теряют свои свойства. Исключительной является высокая химическая инертность тефлона. Он не разрушается при контакте с агрессивными веществами – щелочами и кислотами. Это очень важно для оборудования, используемого в технологических процессах получения нитратной и сульфатной кислот, гидроксида аммония, едкого натра. Фторопласты могут содержать дополнительные компоненты – модификаторы, такие как стекловолокно или металлы, вследствие чего они меняют свои свойства, например, повышают термостойкость и износоустойчивость.

Диссоциация фтористого водорода

Ранее мы упоминали, что в молекулах HF образуется прочная ковалентная связь, кроме того, сами они способны объединяться в агрегаты, образовывая водородные связи. Именно поэтому фтороводород имеет низкую степень диссоциации и плохо расщепляется в водном растворе на ионы. Плавиковая кислота является более слабой, чем хлоридная или бромидная. Эти особенности её диссоциации объясняют существование стойких, кислых солей, тогда как ни хлоридная, ни йодная их не образует. Константа диссоциации водного раствора фтороводорода составляет 7х10^-4, что подтверждает тот факт, что в её растворе находится большое количество недиссоциированных молекул и отмечается низкое содержание ионов водорода и фтора.

Чем опасен фторгидрид

Нужно отметить, что токсичным является как газообразный, так и жидкий фтористый водород. Код вещества – 0342. Плавиковая кислота обладает также и наркотическими свойствами. На её влиянии на организм человека мы остановимся чуть позже. В классификаторе это вещество, так же как и безводный фторгидрид, находится во втором классе опасности. Это объясняется, прежде всего, способностью соединений фтора легко воспламеняться. В частности, это свойство особенно проявляется у такого соединения, как газообразный водород фтористый, пожаровзрывоопасность которого особенно велика.

Зачем определяют уровень фтороводорода в воздухе

В промышленном производстве HF, получаемого из плавикового шпата и серной кислоты, возможны потери газообразного продукта, пары которого попадают в атмосферу. Напомним, что фтористый водород (класс опасности которого – второй) – вещество высокотоксичное и требует постоянного измерения его концентрации. В промышленных выбросах содержится большое количество вредных и потенциально опасных химических веществ, прежде всего оксидов азота и серы, сульфидов тяжелых металлов, а также газообразных галогеноводородов. Среди них большая доля приходится на фтористый водород, ПДК которого в атмосферном воздухе составляет 0,005 мг/м³ в пересчете на фтор в сутки. Для заводских участков, где находятся барабанные печи, предельно допустимая концентрация (ПДК) должна составлять 0, 1 мг/м³.

Газоанализаторы фтористого водорода

Чтобы выяснить, какие вредные газы и в каком количестве попали в атмосферу, существуют специальные измерительные приборы. Для обнаружения паров HF используют фотоколориметрические газоанализаторы, в которых применяют как лампы накаливания, так и полупроводниковые светодиоды в качестве источников излучения, а фотодиоды и фототранзисторы играют роль фотоприемников. Определение фтористого водорода в атмосферном воздухе проводится еще и инфракрасными газоанализаторами. Они достаточно чувствительны. Молекулы HF поглощают длинноволновые излучения в интервале 1-15 мкм. Приборы, используемые для определения токсичных отходов в атмосферном воздухе и в рабочей зоне промышленных предприятий, фиксируют колебания концентрации HF как в пределах допустимой нормы, так и в единичных экстремальных случаях (техногенные катастрофы, нарушения технологических циклов вследствие повреждений электроснабжения и т. д.). Эти функции выполняют термокондуктометрические газоанализаторы фтористого водорода. Пром. выбросы они дифференцируют на основе зависимости теплопроводности HF от состава газообразной смеси.

Вредное влияние фторгидрида на организм человека

Как безводный фтороводород, так и плавиковая кислота, являющаяся его раствором в воде, относятся ко второму классу опасности. Особенно негативно эти соединения влияют на жизненно важные системы: сердечно-сосудистую, выделительную, дыхательную, а также кожу и слизистые оболочки. Проникновение вещества через кожу проходит незаметно и бессимптомно. Явления токсикоза могут проявиться на следующие сутки, причем они диагностируются лавинообразно, а именно: кожа изъязвляется, на поверхности слизистой глаз образуются ожоговые участки. Ткани легких разрушаются вследствие некротического поражения альвеол. Ионы фтора, попавшие в межклеточную жидкость, далее проникают в клетки и связывают в них частицы магния и кальция, входящие в состав нервной ткани, крови, а также почечных канальцев – структур нефронов. Поэтому особенно актуальным является тщательный контроль за содержанием газообразного фтороводорода и паров плавиковой кислоты в атмосфере.