Фтороводород

Статья на основе материалов из Википедии

Фтороводоро́д (фтористый водород, гидрофторид, фторид водорода, ) — бесцветный токсичный газ (при стандартных условиях) с резким запахом, при комнатной температуре существует преимущественно в виде димера H2F2, ниже 19,9°C — бесцветная подвижная летучая жидкость. Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 35,4 % HF.

Строение молекулы

Молекула фтороводорода сильно полярна, μ = 0,64 Кл·м. Фтороводород в жидком и газообразном состояниях имеет большую склонность к ассоциации вследствие образования сильных водородных связей. Энергия водородных связей FH•••FH приблизительно составляет 42 кДж/моль, а средняя степень полимеризации в газовой фазе (при температуре кипения) ≈4. Даже в газообразном состоянии фтороводород состоит из смеси полимеров H2F2, H3F3, H4F4, H5F5, H6F6. Простые молекулы HF существуют лишь при температурах выше 90 °C. Вследствие высокой прочности связи термический распад фтороводорода становится заметным лишь выше 3500 °C (что выше температуры плавления вольфрама — самого тугоплавкого из металлов). Для сравнения — у воды термический распад становится заметным при температурах выше 2000 °C.

Структура

В кристаллическом состоянии HF образует орторомбические кристаллы, состоящие из цепеобразных структур: угол HFH = 116 °, d(F-H) = 95 пм, d(F•••H) = 155 пм. Аналогичные зигзагообразные цепи с углом HFH = 140°) имеют и полимеры HF, существующие в газовой фазе.

Свойства

Физические свойства

Химические свойства

  • Химические свойства HF зависят от присутствия воды. Сухой фтористый водород не действует на большинство металлов и не реагирует с оксидами металлов. Однако если реакция начнется, то дальше она некоторое время идет с автокатализом, так как в результате взаимодействия количество воды увеличивается:
`\mathsf{MgO + 2HF \rightarrow MgF_2 + H_2O}`
  • Жидкий HF — сильный ионизирующий растворитель. Все электролиты, растворённые в нём, за исключением хлорной кислоты HClO4, являются основаниями:
`\mathsf{HCl + 2HF \rightleftarrows H_2Cl^+ + HF_2^-}`

: В жидком фтороводороде кислотные свойства проявляют соединения, которые являются акцепторами фторид-ионов, например, BF3, SbF5: `\mathsf{BF_3 + 2HF \rightarrow H_2F^+ + BF_4 ^-}`

: Амфотерными соединениями в среде жидкого фтороводорода являются, например, фториды алюминия и хрома(III): `\mathsf{3NaF + AlF_3 \rightarrow 3Na^+ + AlF_6 ^{3-}}` :: (AlF3 — как кислота) `\mathsf{AlF_3 + 3BF_3 \rightarrow Al^{3+} + 3BF_4 ^-}` :: (AlF3 — как основание)

  • Фтороводород в газообразном состоянии и в виде водного раствора реагирует с диоксидом кремния:
: При условии, если фтороводород в газообразном состоянии: `\mathsf{4HF + SiO_2 \rightarrow SiF_4 + 2H_2O}` : При условии, если фтороводород в виде водного раствора: `\mathsf{6HF + SiO_2 \rightarrow H_2SiF_6 + 2H_2O}`
  • Фтороводород неограниченно растворяется в воде, при этом происходит ионизация молекул HF:
`\mathsf{2HF + H_2O \rightleftarrows HF_2^- + H_3O^+}` ::: Kd= 7,2 `\mathsf{HF + F^- \rightleftarrows HF_2^-}` ::: Kd= 5,1

: Водный раствор фтороводорода (плавиковая кислота) является кислотой средней силы. Соли плавиковой кислоты называются фторидами. Большинство их труднорастворимо в воде, хорошо растворяются лишь фториды NH4, Na, К, Ag(I), Sn(II), Ni(II) и Mn(II). Все соли плавиковой кислоты ядовиты.

Получение

Фтор со взрывом взаимодействует с водородом даже при низких температурах и (в отличие от хлора) в темноте с образованием фтороводорода: `\mathsf{H_2 + F_2 \rightarrow 2HF}`

В промышленности фтороводород получают при взаимодействии плавикового шпата и сильных нелетучих кислот (например, серной): `\mathsf{CaF_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + 2HF}`

Процесс проводят в стальных печах при 120—300 °C, по сравнению с аналогичными реакциями получения других галогеноводородов, реакция получения фтороводорода из фторидов идет очень медленно. Части установки, служащие для поглощения фтороводорода, делаются из свинца.

Техника безопасности

Фтористый водород (гидрофторид) обладает резким запахом, ядовит, дымит на воздухе (вследствие образования с парами воды мелких капелек раствора) и сильно разъедает стенки дыхательных путей. Фтороводород обладает слабыми наркотическими свойствами.

Подробнее о токсикологии фтороводорода см в ст. Плавиковая кислота.

Применение

Применяют для получения криолита, фтористых производных урана, фреонов, фторорганических веществ, матового травления силикатного стекла (плавиковую кислоту — для прозрачного травления). Необычная растворимость биологических молекул в жидком фтороводороде без разложения (напр., белков) используется в биохимии. Добавление в жидкий фтороводород акцепторов фтора позволяет создавать сверхкислые среды.

Интересные факты

  • Известный писатель-фантаст Иван Ефремов написал повесть «Сердце змеи», в которой описал гипотетическую жизнь, образовавшуюся на планете, где основную роль в природе играет не кислород, а фтор, а вместо воды поверхность планеты покрыта океанами фтороводорода. На эту мысль писателя навела глубокая аналогия между свойствами воды и фтороводорода.
  • Фтороводород реагирует со стеклом, поэтому он хранится в пластмассовых ёмкостях. При хранении фтороводорода в стеклянной посуде прибегают к покрытию стекла парафином для защиты его от фтороводорода.

Примечания

    Литература

    • Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия» М.: Высшая школа, 2001.
    • Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1994.