Фторид кислорода - загадочное соединение, сочетающее в себе как конструктивные, так и разрушительные свойства. Оно способно выступать и сильным окислителем, и компонентом ракетных топлив. Давайте разберемся в его уникальных особенностях.
История открытия фторида кислорода
Впервые фторид кислорода был получен в 1927 году французскими учеными Полем Лебо и Августином Дамьеном. Однако подробно изучить его удалось лишь спустя пару лет - в 1929 году, когда за дело взялись Отто Руфф и Генрих Менцель.
Почему же столь долго не удавалось выделить это соединение в чистом виде и исследовать его свойства? Во многом из-за его высокой реакционной способности: фторид кислорода очень активно вступает в реакции с другими веществами, разлагается или взрывается.
Фторид кислорода даже некоторое время называли неверно - "оксидом фтора". Однако позже, согласно правилам IUPAC, было закреплено название по старшинству элемента - фторида кислорода.
Строение молекулы фторида кислорода
Молекула фторида кислорода состоит из двух атомов: атома кислорода в степени окисления -II и двух атомов фтора в степени окисления -I. Отсюда и формула этого соединения: OF2.
Атомы связаны между собой ковалентной полярной связью, так как атом фтора обладает бОльшей электроотрицательностью, чем атом кислорода. Поэтому именно фтор выступает в этом соединении окислителем. Также молекула имеет небольшой дипольный момент 0,3 Дб.
Структурная формула фторида кислорода выглядит следующим образом:
Здесь стрелочками обозначено смещение общей электронной пары от атома кислорода к атомам фтора. Несмотря на более высокую электроотрицательность фтора, это смещение не очень велико.
Как видно из формулы и описания строения, фторид кислорода представляет собой довольно необычное химическое соединение. Давайте далее разберем его уникальные свойства более подробно.
Физические свойства
При нормальных условиях фторид кислорода представляет собой бесцветный газ с резким раздражающим запахом. Он сходен со смесью запахов хлорной извести и озона. При охлаждении газ превращается в жидкость светло-желтого, а в толстом слое - золотисто-желтого цвета.
Температура плавления фторида кислорода составляет -223,7°С, температура кипения - 145°С. Плотность газа при -145°С равна 1,521 г/см3. Фторид кислорода плохо растворим в холодной воде - всего 7 объемных процентов. Зато он хорошо смешивается с такими веществами как жидкие фтор, кислород и озон.
Химические свойства
Главная особенность фторида кислорода - его чрезвычайно высокая химическая активность. По силе окислительных свойств он даже превосходит молекулярный фтор и сравним с озоном.
Однако в отличие от них, реакции с участием фторида кислорода характеризуются более высокой энергией активации. Это связано с первоначальным распадом молекулы и образованием атомарного кислорода, как и в случае озона.
Термическое разложение фторида кислорода на элементы начинается лишь при 200°С и является реакцией первого порядка. Энергия ее активации составляет 41 ккал/моль.
Растворяя фторид кислорода в горячей воде, можно наблюдать реакцию гидролиза с выделением обычного молекулярного кислорода. Также это соединение быстро вступает в реакции в щелочной среде.
Взаимодействие с материалами
Крайне важный момент при работе с фторидом кислорода - подбор материалов, с которыми он будет контактировать. Из-за высокой реакционной способности этого вещества возможно разрушение оборудования, емкостей для хранения и транспортировки.
Фторид кислорода не взаимодействует со стеклом, кварцем, керамикой. А вот контакт с ртутью категорически нежелателен - происходит интенсивное окисление ртути до ее полного исчезновения.
Медленное окисление фторидом кислорода происходит на поверхности таких металлов, как золото, платина, медь, серебро. На них образуется тончайшая защитная пленка, препятствующая дальнейшему разрушению металла.
При умеренном нагревании до 250°С пленка разрушается, и окисление возобновляется. Наилучшей химической стойкостью в контакте с фторидом кислорода обладают алюминий и магний.
Синтез фторида кислорода
В лабораторных условиях фторид кислорода можно получить, например, при взаимодействии фтора с водными растворами щелочей. Промышленное производство чаще всего основано на электролизе водных растворов фторида водорода.
При синтезе фторида кислорода всегда нужно соблюдать осторожность из-за возможности бурного течения реакций и даже взрывов. Кроме того, получаемый фторид кислорода обладает высокой токсичностью.
Токсическое действие
Фторид кислорода относится к веществам с очень высокой токсичностью, превышающей даже фосген. Он вызывает сильнейшее раздражение тканей, глубоко проникает в организм, что приводит к нарушениям дыхания и может стать причиной летального исхода.
Поэтому при работе с фторидом кислорода очень важно соблюдать меры предосторожности, а также контролировать предельно допустимые концентрации этого вещества в воздухе рабочей зоны.
Транспортировка и хранение
Из-за высокой химической активности и токсичности фторида кислорода при его транспортировке и хранении необходимо соблюдать особые меры предосторожности.
В частности, контейнеры и емкости для этого вещества должны изготавливаться из инертных по отношению к фториду кислорода материалов. Чаще всего используют никелированную сталь, алюминий или нержавеющую сталь.
Обязателен контроль герметичности упаковки, а также отсутствия в ней посторонних примесей, которые могут инициировать опасные реакции фторида кислорода.
При транспортировке и хранении фторида кислорода температуру поддерживают в диапазоне от -60 до -30°С, а давление - около 0,07 МПа.
Применение фторида кислорода
Главная сфера использования этого соединения - ракетное топливо. Благодаря исключительно высокой химической активности, фторид кислорода является одним из наиболее эффективных окислителей.
В частности, с применением фторида кислорода в двухкомпонентных жидкостных ракетных топливах удается значительно увеличить удельный импульс, скорость и дальность полета ракет.
Другая перспективная область использования фторида кислорода - химические газовые лазеры, где он также проявляет высокую эффективность.
Будущее фторида кислорода
Несмотря на многолетнюю историю изучения фторида кислорода, до конца не раскрыты все тонкости функционирования этого удивительного соединения. Требуют уточнения некоторые константы, характеризующие скорость протекания различных химических реакций с его участием.
Кроме того, ведутся работы по поиску новых потенциальных областей применения этого перспективного окислителя и компонента ракетных топлив. В частности, ведутся эксперименты по использованию фторида кислорода в ионных двигателях космических аппаратов.
Фторид кислорода(II)
Рассмотренный в этой статье фторид кислорода имеет степень окисления кислорода, равную -II. Однако существует и нестабильное соединение фторида кислорода(I) с формулой OF, где кислород имеет степень окисления -I.
Это вещество также проявляет окислительные свойства, но значительно менее стабильно по сравнению с фторидом кислорода(II). Практического применения пока не нашло из-за сложностей при работе с ним.
Работа с фторидом кислорода
Работа с фторидом кислорода требует строжайшего соблюдения правил безопасности и использования средств индивидуальной защиты. Это связано как с высокой химической активностью этого соединения, так и с его экстремальной токсичностью.
Помещения, где проводятся работы с фторидом кислорода, должны быть оснащены приточно-вытяжной вентиляцией для поддержания ПДК этого вещества на допустимом уровне. Концентрацию фторида кислорода в воздухе непрерывно контролируют газоанализаторами.
В случае разлива или утечки фторида кислорода незамедлительно проводят его локализацию и обезвреживание с помощью нейтрализующих веществ.
Тип химической связи в фториде кислорода
Фторид кислорода является полярным ковалентным соединением. Это означает, что атомы фтора и кислорода соединены ковалентными полярными связями, при которых общие электронные пары смещены к более электроотрицательному фтору.
Благодаря этому типа связи молекула фторида кислорода приобретает определенный дипольный момент, что и обуславливает ее полярность и высокую химическую активность.
Альтернативные методы получения
Помимо распространенных лабораторных методов, существуют и другие интересные способы получения фторида кислорода, которые могут найти применение в специфических условиях.
Например, при электролизе расплавов фторидов щелочных металлов происходит выделение фторида кислорода на аноде. Также перспективным представляется фотохимическое фторирование кислородсодержащих соединений.
Продолжаются исследования возможности получения фторида кислорода при взаимодействии фтора с озоном в газовой фазе. Хотя пока не удается достичь высоких выходов целевого продукта.
Переработка отходов фторида кислорода
Утилизация отходов производства и применения фторида кислорода является важной экологической задачей из-за чрезвычайной токсичности этого соединения.
Для обезвреживания отходов фторида кислорода чаще всего используют окисление или гидролиз с получением побочных нетоксичных соединений, которые затем утилизируют обычными методами.
Перспективным представляется также каталитическое разложение фторида кислорода на элементы, которое может протекать при относительно мягких условиях - атмосферном давлении и температуре около 200°С.
