Među jedinjenjima halogena - elementima 7. grupe glavne podgrupe periodnog sistema hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva - fluorovodonik je od velike praktične važnosti. Zajedno s drugim halogenovodonicima, koristi se u raznim sektorima nacionalne ekonomije: za proizvodnju plastike koja sadrži fluor, fluorovodonične kiseline i njenih soli. U ovom radu ćemo proučavati strukturu molekula, fizička i hemijska svojstva ove supstance i razmotriti područja njene primene.
Historija otkrića
U 17. veku, K. Schvankvard je eksperimentisao sa mineralom fluorom i sulfatnom kiselinom. Naučnik je otkrio da se tokom reakcije oslobađa gas koji je mešavinom reagenasa počeo da uništava staklenu ploču koja je prekrivala epruvetu. Ovo gasovito jedinjenje se zove fluorovodonik.
Fluorovodonična kiselina je dobijena u 19. veku Gay-Lussac od istih sirovina: fluorita i sumporne kiseline. Amper je svojim eksperimentima dokazao da je struktura HF molekula slična klorovodiku. Ovo važi i za vodene rastvore ovih vodonik halogenida. Razlike se odnose na jačinu kiselina: fluorovodonična je slaba, a hlorid jaka.
Fizička svojstva
Plin sa hemijskom formulom HF ima oštar karakterističan miris, bezbojan, nešto lakši od vazduha. U nizu halogenovodonika HI-HBr-HCl-, tačke ključanja i topljenja se menjaju glatko, a pri prelasku u HF naglo rastu. Objašnjenje za ovu pojavu je sljedeće: molekularni fluorovodonik formira asocijacije (grupe neutralnih čestica između kojih nastaju vodonične veze). Potrebna je dodatna energija da se razbiju, pa se temperature ključanja i topljenja povećavaju. Prema indikatorima gustine gasa, u opsegu blizu tačke ključanja (+19,5), fluorovodonik se sastoji od agregata prosečnog sastava HF2. Kada se zagrije iznad 25 oS, ovi kompleksi se postepeno razgrađuju, a na temperaturi od oko 90 oS, fluorovodonik se sastoji HF molekula.
Kako se kopa fluorohidrid
Metode za dobijanje supstance ne u laboratorijskim uslovima, koje smo već spomenuli, već u industriji, praktično se ne razlikuju jedna od druge: reagensi su isti fluorit (fluorit) i sulfatna kiselina.
Mineral, čija se nalazišta nalaze u Primorju, Transbaikalia, Meksiku, SAD, prvo se obogaćuje metodom flotacije, a zatim koristi u tehnološkom procesudobijanje HF, koje se izvodi u specijalnim čeličnim pećima. U njih se ubacuje ruda i miješa se sa sulfatnom kiselinom. Obogaćena ruda sadrži 55-60% fluorita. Zidovi peći su obloženi olovnim pločama koje zadržavaju fluorovodonik. Prečišćava se u koloni za pranje, hladi i zatim kondenzuje. Za proizvodnju fluorovodonika koriste se rotacijske peći koje se zagrijavaju indirektno električnom energijom. Izlazni maseni udio HF je približno 0,98, ali proces ima svoje nedostatke. Prilično je dugačak i zahtijeva veliku potrošnju sulfatne kiseline.
Polaritet HF molekula
Bezvodni fluorovodon se sastoji od čestica koje imaju sposobnost da se vežu jedna za drugu i formiraju agregate. Ovo se objašnjava unutrašnjom strukturom molekula. Između atoma vodika i fluora nastaje jaka hemijska veza, koja se naziva polarna kovalentna veza. Predstavljen je zajedničkim elektronskim parom pomaknutim na elektronegativniji atom fluora. Kao rezultat toga, molekuli fluorohidrida postaju polarni i imaju oblik dipola.
Među njima nastaju elektrostatičke sile privlačenja, što dovodi do pojave saradnika. Dužina hemijske veze između atoma vodonika i fluora je 92 nm, a njena energija je 42 kJ/mol. I u plinovitom iu tekućem stanju, supstanca se sastoji od polimerne smjese oblika H2F2, H 4 F4.
Hemijska svojstva
Bezvodni fluorovodonik ima sposobnost interakcije sa solimakarbonatne, silikatne, nitritne i sulfidne kiseline. Pokazujući oksidirajuća svojstva, HF reducira gornja jedinjenja na ugljični dioksid, silicijum tetrafluorid, vodonik sulfid i dušikove okside. Vodeni rastvor fluorovodika od 40% uništava beton, staklo, kožu, gumu, a takođe stupa u interakciju sa nekim oksidima, kao što je Cu2O. U proizvodima se nalaze slobodni bakar, bakar fluorid i voda. Postoji grupa supstanci sa kojima HF ne reaguje, na primer teški metali, kao i magnezijum, gvožđe, aluminijum, nikl.
Vodeni rastvor fluorovodonika
Zove se fluorovodonična kiselina i koristi se u obliku 40% i 72% rastvora. Vodonik fluorid, čija hemijska svojstva zavise od njegove koncentracije, beskonačno je rastvorljiv u vodi. U tom slučaju se oslobađa toplina, što ovaj proces karakterizira kao egzoterman. Budući da je kiselina srednje jačine, vodeni rastvor HF stupa u interakciju s metalima (reakcija supstitucije). Nastaju soli - fluoridi - i oslobađa se vodik. Pasivni metali ne reaguju sa fluorovodoničnom kiselinom - platinom i zlatom, kao i olovom. Kiselina ga pasivizira, odnosno stvara zaštitni film na površini metala koji se sastoji od nerastvorljivog olovnog fluorida. Vodeni rastvor HF može sadržavati nečistoće gvožđa, arsena, sumpor-dioksida, u kom slučaju se naziva tehnička kiselina. Koncentrovana 60% HF otopina je neophodna u hemiji organske sinteze. Skladišti se u polietilenskim ili teflonskim posudama, te u fluoru velike tonažekiselina se transportuje u čeličnim rezervoarima.
Uloga fluorovodonične kiseline u nacionalnoj ekonomiji
Rastvor fluorovodika koristi se za proizvodnju amonijum-bor-fluorida, koji je komponenta fluksa u crnoj i obojenoj metalurgiji. Također se koristi u procesu elektrolize za dobivanje čistog bora. Fluorovodonična 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 upotrebe potrebno je paziti, jer su svi silikofluoridi toksični. Vodeni rastvor HF se takođe 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 fluorovodonik je od velike važnosti u jetkanju (matiranju) stakla, kao iu industriji poluprovodnika, gdje se koristi za jetkanje silicijuma.
Fluorirana plastika
Najpopularniji od njih je teflon (fluoroplast - 4). Otkriveno je sasvim slučajno. Organski hemičar Roy Plunkett, koji je bio uključen u sintezu freona, pronašao je u cilindrima s plinovitim etilen tetrahloridom pohranjenim na nenormalno niskoj temperaturi, ne plin, već bijeli prah, mastan na dodir. Ispostavilo se da pri visokom pritisku i niskoj temperaturitetrafluoroetilen polimerizovan.
Ova reakcija je dovela do formiranja nove plastične mase. Kasnije je nazvan teflon. Ima izuzetnu otpornost na toplotu i mraz. Teflonski premazi se uspešno koriste u prehrambenoj i hemijskoj industriji, u proizvodnji posuđa sa nelepljivim svojstvima. Čak i kod 70 oS proizvodi od fluoroplastike - 4 ne gube svoja svojstva. Izuzetna je visoka hemijska inertnost teflona. Ne uništava se kontaktom sa agresivnim supstancama - alkalijama i kiselinama. Ovo je veoma važno za opremu koja se koristi u tehnološkim procesima za proizvodnju nitratnih i sulfatnih kiselina, amonijum 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.
Disocijacija fluorovodonika
Ranije smo spomenuli da se u HF molekulima formira jaka kovalentna veza, osim toga, oni sami mogu da se kombinuju u agregate, formirajući vodonične veze. Zbog toga fluorovodonik ima nizak stepen disocijacije i slabo se cepa na jone u vodenom rastvoru. Fluorovodonična kiselina je slabija od hlorida ili bromida. Ove karakteristike njegove disocijacije objašnjavaju postojanje postojanih, kiselih soli, dok ih ni hlorid ni jod ne stvaraju. Konstanta disocijacije vodenog rastvora fluorovodonika je 7x10-4, što potvrđuje činjenicu da njegov rastvor sadrži veliki broj nedisociranihmolekula i postoji nizak sadržaj jona vodonika i fluora.
Koja je opasnost od fluorohidrida
Treba napomenuti da su i plinoviti i tekući vodonik fluorid toksični. Šifra supstance je 0342. Fluorovodonična kiselina takođe ima narkotična svojstva. O njegovom uticaju na ljudski organizam ćemo se zadržati nešto kasnije. U klasifikatoru, ova supstanca, kao i bezvodni fluorhidrid, spada u drugu klasu opasnosti. To je prvenstveno zbog sposobnosti jedinjenja fluora da se lako zapale. Ovo svojstvo se posebno manifestuje u takvom jedinjenju kao što je gasoviti fluorovodonik, čija je opasnost od požara i eksplozije posebno velika.
Zašto određivati nivo fluorovodonika u vazduhu
U industrijskoj proizvodnji HF, dobijenog iz fluorita i sumporne kiseline, može doći do gubitka gasovitih proizvoda čije pare ulaze u atmosferu. Podsjetimo da je fluorovodik (čija je klasa opasnosti druga) vrlo toksična tvar i zahtijeva stalno mjerenje njegove koncentracije. Industrijske emisije sadrže veliki broj štetnih i potencijalno opasnih hemikalija, prvenstveno oksida azota i sumpora, sulfida teških metala i gasovitih vodonik halogenida. Među njima, veliki udio otpada na fluorovodonik, čiji je MPC u atmosferskom zraku 0,005 mg/m3 u smislu fluora dnevno. Za fabričke lokacije na kojima se nalaze bubnjeve, maksimalno dozvoljena koncentracija (MPC) treba da bude 0,1mg/m3.
Analizatori gasa vodikovog fluorida
Da biste saznali koji su štetni gasovi i koliko ih je dospjelo u atmosferu, postoje posebni mjerni instrumenti. Za detekciju VF para koriste se fotokolorimetrijski gasni analizatori, u kojima se kao izvori zračenja koriste i žarulje sa žarnom niti i poluvodičke diode koje emitiraju svjetlost, a fotodiode i fototranzistori igraju ulogu fotodetektora. Određivanje fluorovodonika u atmosferskom vazduhu takođe se vrši pomoću infracrvenih gasnih analizatora. Prilično su osjetljivi. HF molekuli apsorbuju dugotalasno zračenje u opsegu od 1-15 µm. Instrumenti koji se koriste za određivanje toksičnog otpada u atmosferskom zraku iu radnom prostoru industrijskih preduzeća bilježe fluktuacije koncentracije HF-a kako unutar dozvoljene norme tako iu izolovanim ekstremnim slučajevima (tehničke katastrofe, prekid tehnoloških ciklusa zbog nestanka napajanja). itd.). Ove funkcije obavljaju termokonduktometrijski gasni analizatori fluorovodonika. Matursko veče. oni razlikuju emisije na osnovu zavisnosti toplotne provodljivosti HF-a o sastavu gasovite mešavine.
Štetni efekti fluorhidrida na ljudski organizam
I bezvodni fluorovodonik i fluorovodonična kiselina, koja je njegov rastvor u vodi, pripadaju drugoj klasi opasnosti. Ova jedinjenja posebno negativno utiču na vitalne sisteme: kardiovaskularni, ekskretorni, respiratorni, kao i kožu i sluzokožu. Prodiranje supstance kroz kožuprolazi nezapaženo i asimptomatski. Pojave toksikoze mogu se pojaviti već sutradan, a dijagnosticiraju se kao lavina i to: ulcerira koža, na površini sluzokože očiju formiraju se opekotine. Tkiva pluća su uništena zbog nekrotičnih lezija alveola. Joni fluora koji su ušli u intersticijalnu tečnost tada prodiru u ćelije i vezuju u njima čestice magnezijuma i kalcijuma, koji su deo nervnog tkiva, krvi, a takođe i bubrežnih tubula - struktura nefrona. Zbog toga je posebno važno pažljivo praćenje sadržaja gasovitih para fluorovodonika i fluorovodonične kiseline u atmosferi.
