Fluorocarburi

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Perfluorohexan , un fluoroalcan lichid
Perfluoroizobutenă , un fluoroalchen gazos, toxic și foarte reactiv

Fluorocarburile , numite uneori perfluorocarburi ( PFC ), sunt compuși chimici constând numai din fluor și carbon . Legătura carbon-fluor este cea mai puternică legătură simplă din chimia organică . [1] În consecință, fluorocarburile care conțin numai legături simple (fluoroalcani) au o stabilitate termică și o inerție chimică mai mari decât alcanii corespunzători și găsesc diverse aplicații, cum ar fi: agenți de finisare pentru țesături, componente ale agenților de stingere a incendiilor, băi galvanice, uleiuri lubrifiante, purtători de oxigen pentru cercetarea respirației lichide . [2] Fluoroalcanii, cu toate acestea, au dezavantajul de a fi gaze cu efect de seră puternice. Fluorocarburile care conțin legături duble sau triple ( alchene fluor și alchine fluor) sunt în schimb mai reactive decât hidrocarburile corespunzătoare, fiind compuși nesaturați și sunt adesea folosite ca reactanți .

Nomenclatură

Conform definiției IUPAC , fluorocarburile sunt „compuși constând în întregime din fluor și carbon”. [3] Alți compuși care conțin atomi diferiți de fluor și carbon sunt, de asemenea, denumiți uneori în mod necorespunzător fluorocarburi, [4] deoarece au proprietăți similare și o structură similară. Astfel de compuși ar trebui considerați mai corect ca derivați ai fluorocarburilor și sunt considerați mai târziu într-o secțiune separată.

Proprietăți fizice

Perfluorodecalină , un lichid incolor de densitate mare (ρ = 1.917 g cm -3 )

Fluorocarburile lichide sunt incolore. Au o densitate ridicată, până la mai mult decât dublul apei, având în vedere că au o greutate moleculară mare . În interiorul lichidului forțele intermoleculare sunt slabe și, prin urmare, lichidele au vâscozitate scăzută în comparație cu lichidele cu un punct de fierbere similar. Valorile tensiunii superficiale , căldurii de evaporare și indicelui de refracție sunt, de asemenea, scăzute. Nu sunt miscibile cu solvenți organici precum etanol , acetonă , acetat de etil și cloroform , dar sunt miscibili cu unele hidrocarburi saturate (în unele cazuri în hexan ). Au o solubilitate foarte scăzută în apă, iar apa este foarte puțin solubilă în ea (de ordinul a 10 ppm ). Majoritatea proprietăților fizice sunt determinate de numărul de atomi de carbon conținuți în moleculă. Pe măsură ce crește numărul atomilor de carbon, crește punctul de fierbere, densitatea, vâscozitatea, tensiunea superficială, presiunea vaporilor și indicele de refracție. Pentru fluorocarburile gazoase, solubilitatea scade odată cu creșterea numărului de atomi de carbon, în timp ce punctul de topire depinde de alți factori și nu poate fi ușor de prezis.

Forțele din Londra

Tetrafluormetan , o fluorocarbonă gazoasă

Datorită electronegativității ridicate și a dimensiunii reduse a fluorului, norul de electroni din jurul fluorului este slab polarizabil în fluorocarburi și, prin urmare, forțele londoneze sunt slabe. Din acest motiv, fluorocarburile sunt caracterizate de forțe intermoleculare slabe și sunt atât hidrofobe, cât și lipofobe . Slăbiciunea forțelor londoneze face ca politetrafluoretilena să fie grasă, care are un coeficient de frecare foarte scăzut. Forțele intermoleculare slabe fac fluorocarburile lichide comprimabile și le fac capabile să dizolve cantități mari de gaze, făcând în același timp fluorocarburi mai mici extrem de volatile. [4] Există cinci fluoralcani gazoși: tetrafluormetan (T b = -128 ° C), hexafluoroetan (T b = -78,2 ° C), octafluoropropan (T b = -36,5 ° C), perfluoro-n- butan (T b = -2.2 ° C) și perfluoroisobutane (T b = -1 ° C). Aproape toți ceilalți fluoroalcani sunt lichizi la temperatura camerei, cu excepția perfluorociclohexanului , care este un solid care se sublimă la 51 ° C. [5]

Proprietăți chimice

Stabilitatea fluoroalcanilor

Înalta electronegativitate a fluorului creează o puternică polarizare a legăturii carbon-fluor

Fluorocarburile care conțin doar legături simple (fluoroalcani) posedă o stabilitate ridicată datorită naturii și rezistenței legăturii carbon-fluor, care este cea mai puternică legătură simplă din chimia organică. [1] Puterea acestei legături se datorează electronegativității fluorului care determină o polarizare puternică a legăturii carbon - fluor, conferindu-i un caracter ionic parțial. [1] Legătura este scurtată și întărită prin interacțiunea Coulomb care se stabilește între sarcinile parțiale formate. Mai mult, fiecare legătură carbon-fluor întărește și stabilizează celelalte legături carbon-fluor conectate la același atom de carbon, deoarece carbonul capătă o încărcare parțială din ce în ce mai pozitivă. [4] Din acest motiv, fluorocarburile saturate sunt termic mai stabile și chimic mai inerte decât hidrocarburile corespunzătoare: rezistă atacurilor acizilor, bazelor, agenților oxidanți și reducători până la 600 ° C. [6]

Reactivitatea fluoroalcenelor și fluoroalchinelor

Tetrafluoretilena , un important reactiv industrial

Fluorocarburile nesaturate sunt mai puțin stabile și mai reactive decât fluoroalcanii și hidrocarburile lor corespunzătoare. Câteva exemple sunt următoarele. Cea mai simplă fluoroalchină, difluor acetilena , polimerizează ușor. [4] Fluorul fulleren reacționează cu nucleofili și hidrolizează în soluție, având legături carbon-fluor mai lungi și mai slabe decât fluorocarburile saturate. [7] Polimerizarea tetrafluoretilenei pentru a forma PTFE este energetic mai favorabilă decât cea a etilenei . [4]

Producție

Înainte de al doilea război mondial , fluorocarburile puteau fi produse numai prin reacție directă între fluor și hidrocarburi. Cu acest proces extrem de exoterm, doar tetrafluormetanul, hexafluoroetanul și octafluoropropanul ar putea fi sintetizate; Hidrocarburi mai mari se descompun în aceste condiții extreme. Proiectul Manhattan a identificat necesitatea obținerii unor substanțe chimice deosebit de inatacabile, inclusiv un număr mai mare de fluorocarburi. Au fost astfel dezvoltate noi metode de sinteză. Așa-numita metodă „catalitică” a implicat reacția dintre fluor și hidrocarburi pe un pat de aur de cupru; metalul nu a acționat ca un catalizator, ci a servit la îndepărtarea căldurii dezvoltate de reacție și a permis hidrocarburilor mai mari să supraviețuiască procesului. Cu toate acestea, procesul Fowler a făcut posibilă obținerea fluorocarburilor la scară largă, așa cum este cerut de proiectul Manhattan.

Fluorarea cu fluoruri metalice

În această tehnică (procedeul Fowler) se utilizează fluoruri de cobalt pentru moderarea reacției. În laborator, aceasta implică două etape; prima este fluorurarea difluorurii de cobalt pentru a ajunge la trifluorura de cobalt :

2 CoF 2 + F 2 → 2 CoF 3

În a doua etapă, hidrocarbura este introdus care este fluorurat de COF 3; acesta din urmă este convertit înapoi la CoF 2 . Ambele etape trebuie efectuate la o temperatură ridicată. De exemplu, pentru a produce perfluorohexan :

C 6 H 14 + 28 CoF 3 → C 6 F 14 + 14 HF + 28 CoF 2

Industrial, cele două etape sunt combinate, de exemplu folosind un reactor vertical: hidrocarbura este introdusă de jos, în timp ce fluorul este introdus la jumătate de înălțime. Fluorocarbonul este colectat de sus.

Fluorarea electrochimică

Fluorarea electrochimică (cunoscută sub numele de procesul Simons) este o tehnică alternativă pentru producerea fluorocarburilor; se bazează pe electroliza substratului dizolvat în fluorură de hidrogen anhidru. Electroliza fluorurii de hidrogen produce fluor direct, dar procesul are loc într-o singură celulă fără a elibera fluor fluor. Fluorinarea are loc pe anod cu un mecanism radical. Alegerea substratului este limitată de necesitatea dizolvării acestuia în fluorură de hidrogen. În general, se folosesc eteri și amine terțiare. De exemplu, trihexilamina este utilizată pentru a produce perfluorohexan :

2 N (C 6 H 13 ) 3 + 90 HF → 6 C 6 F 14 + 2 NF 3 + 81 H 2

De asemenea, se formează amină perfluorurată :

N (C 6 H 13 ) 3 + 39 HF → N (C 6 F 13 ) 3 + 39 H 2

Acești doi compuși sunt produși de 3M și comercializați în linia Fluorinert .

Derivați ai fluorocarburilor

Acei compuși care conțin și alte elemente în plus față de fluor și carbon sunt derivați ai fluorocarburilor. Uneori sunt denumite în mod necorespunzător fluorocarburi, deoarece posedă proprietăți care sunt, de asemenea, foarte asemănătoare cu cele ale fluorocarburilor reale și, prin urmare, se pretează la aplicații utile de interes economic. De exemplu, surfactanții fluorurați sunt mai eficienți decât surfactanții convenționali cu hidrocarburi în reducerea tensiunii superficiale . De fapt, fluorosurfactanții au o parte fluorurată care este atât lipofobă, cât și hidrofobă, și o parte hidrofilă dată de grupul funcțional polar adăugat lanțului fluorurat. [8] Alți derivați ai fluorocarburilor sunt folosiți ca anestezice : pot conține un atom de oxigen într-o grupă eterică sau atomi de clor. Clorul este utilizat și în clorofluorocarburi .

Fluorosurfactanți

Anestezice

Derivați halogenați

Hidrofluorocarburi

Probleme pentru sănătate și mediu

Unele fluorocarburi sunt de origine naturală; de exemplu, tetrafluormetanul și alte hidrocarburi fluorurate au fost găsite în roci magmatice și metamorfice . [9] Cu toate acestea, fluorocarburile sintetice sunt gaze puternice cu efect de seră . În ceea ce privește aspectele de mediu, trebuie luate în considerare și caracteristicile de bioacumulare ale fluorocarburilor, care sunt substanțe extrem de stabile și se pot acumula în corpul animalelor și al oamenilor. [10]

Notă

  1. ^ a b c O'Hagan 2008
  2. ^ Lewandowski și colab. 2006
  3. ^ Moss și colab. 1995
  4. ^ a b c d și Lemal 2004
  5. ^ Sigman și colab. 2000
  6. ^ Housecroft și Sharpe 2008
  7. ^ Kiplinger și colab. 1994
  8. ^ Hu și colab. 2010
  9. ^ Harnisch și colab. 2000
  10. ^ Agenția SUA pentru Protecția Mediului .

Bibliografie

linkuri externe

Controlul autorității Tezaur BNCF 21007 · LCCN (EN) sh85049435 · BNF (FR) cb122887965 (data) · NDL (EN, JA) 00.575.245
Chimie Portalul chimiei : portalul științei compoziției, proprietăților și transformărilor materiei
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Fluorocarboni&oldid=122481219 ”