Chlortrifluorid (7790-91-2) Physikalische und chemische Eigenschaften
Chlortrifluorid
Ein hochreaktives interhalogenes Fluorierungsmittel, typischerweise als verflüssigtes Druckgas geliefert; erfordert spezielle Materialien, Handhabungsverfahren und Qualitätssicherung des Lieferanten für den industriellen Einsatz.
| CAS-Nummer | 7790-91-2 |
| Familie | Interhalogenverbindung (Halogenfluorid) |
| Typische Form | Verflüssigtes Druckgas |
| Gängige Reinheitsgrade | EP |
Chlortrifluorid ist eine kovalente interhalogene Verbindung aus der Halogenklasse, formal das Fluorid des Chlors mit der Summenformel \(ClF_3\). Strukturell leitet es sich von einer trigonal-bipyramidalen Elektronengeometrie um das zentrale Chloratom mit zwei äquatorialen freien Elektronenpaaren ab, was eine T-förmige Molekülgeometrie und eine signifikante anisotrope Elektronendichte ergibt. Das Molekül ist aufgrund der drei Fluor-Substituenten stark elektronenziehend; trotz einer formal null Nettoladung zeigt es ein extrem starkes oxidierendes und fluorierendes Verhalten statt klassischer Brønsted-Säure/Base-Eigenschaften.
Als niedrig siedendes Molekülgas, das unter moderatem Druck verflüssigt werden kann, ist Chlortrifluorid nicht polar im Sinne eines formalen Dipolmoments, jedoch elektronisch für Oxidations- und Fluorierungsreaktionen aktiviert. Es hydrolysiert heftig mit Wasser unter Bildung von Fluorwasserstoff und verschiedenen Chlorexiden oder elementarem Chlor und reagiert exotherm und oft spontan mit organischen Materialien, vielen Metallen und Metalloxiden sowie feuerfesten Materialien. Diese Eigenschaften begründen seine Verwendung dort, wo aggressive Fluorierung oder hypergolische Oxidation erforderlich sind, und sie erfordern strenge Anforderungen an Werkstoffe, Lagerung und Handhabung im industriellen Bereich.
Gängige im Handel verfügbare Reinheitsgrade für diese Substanz umfassen: EP.
Grundlegende physikalische Eigenschaften
Dichte
Gemeldete Dichtewerte variieren je nach Phase und Temperatur. Repräsentative experimentelle Werte sind: - Flüssig: \(1,85\) (bei \(51,8\,^\circ\mathrm{F}\) gemessen); höher als Wasser, sinkt daher. - Flüssig (Siedepunkt): \(1,825\,\mathrm{g}\,\mathrm{mL}^{-1}\). - Gas (relative Dichte): Dampfdichte etwa \(3,21\) (Luft = 1); Gasdichte berichtet mit \(3,14\,\mathrm{g}\,\mathrm{L}^{-1}\). - Fest: Dichte \(2,530\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}\) (bei \(153\,\mathrm{K}\)).
Diese Werte spiegeln eine dichte Packung in den kondensierten Phasen wider und ein deutlich schwereres Gas als Luft; ein Gasaustritt führt zur Ansammlung in bodennahen Bereichen.
Schmelz- bzw. Zersetzungspunkt
- Schmelz-/Erstarrungstemperatur: \(-76,34\,^\circ\mathrm{C}\) (entspricht \(-105\,^\circ\mathrm{F}\)).
- Thermische Zersetzung: zerfällt oberhalb von \(220\,^\circ\mathrm{C}\) und kann beim Erhitzen Behälterversagen oder Explosion verursachen.
Die Substanz zeigt einen niedrigen Schmelzpunkt, typisch für kleine molekulare Interhalogenverbindungen, und zerfällt bei hohen Temperaturen zu einer Mischung aus Halogen- und Halogenoxidarten.
Löslichkeit in Wasser
Chlortrifluorid reagiert heftig mit Wasser; es löst sich nicht als stabiles, neutrales Molekül. Die Hydrolyse verläuft heftig unter Bildung von Fluorwasserstoff und chlorkontainenden Oxiden oder elementarem Chlor bei erheblicher Wärmeentwicklung. Praktische Konsequenz: Direkter Kontakt mit Wasser (einschließlich Eis) führt zu heftigen Reaktionen und erzeugt korrosive sowie giftige wässrige Produkte.
Lösungs-pH (qualitatives Verhalten)
Kontakt mit Wasser erzeugt Fluorwasserstoff (\(HF\)) und weitere saure Zersetzungsprodukte; wässrige Systeme, die mit Chlortrifluorid kontaminiert sind, werden stark sauer und hochkorrosiv. Eine direkt gemessene GleichgewichtspH eines stabilen ClF\(_3\)-Lösungs ist nicht verfügbar, da die Verbindung reagiert und keine stabile gelöste Molekülart bildet.
Chemische Eigenschaften
Säure-Base-Verhalten
Chlortrifluorid ist kein konventioneller Brønsted-Säure- oder -Basiskomplex für sich alleine. Die Wechselwirkung mit protischen Medien wird von Hydrolyse und Oxidation dominiert: Die Reaktion mit Wasser erzeugt \(HF\) und Chlorexide bzw. \(Cl_2\), was starke saure, korrosive Gemische ergibt. Praktisch gesehen sind pH-Effekte in wässrigen Systemen eine Folge der Hydrolyseprodukte und nicht das Ergebnis intrinsischer Säure-Base-Dissoziation des Elternmoleküls.
Reaktivität und Stabilität
- Starkes Oxidationsmittel und aggressives Fluorierungsmittel; fähig zur Oxidation oder Fluorierung eines breiten Spektrums an anorganischen und organischen Substraten.
- Heftige oder explosive Reaktionen wurden mit Wasser, organischen Materialien, Brennstoffen, vielen Metallen und Metalloxiden, Halogenkohlenwasserstoffen, Nitroverbindungen und bestimmten Polymeren beobachtet; spontanen Zündungen bei Kontakt mit brennbaren Stoffen sind dokumentiert.
- Zersetzt sich in der Dampfphase zu Spezies wie \(Cl_2\), \(ClF\), \(ClO!F\), \(ClO_2F\), \(ClO_2\) und \(HF\), abhängig von Feuchtigkeit und Reaktionsbedingungen.
- Wird in feuchter Luft als instabil angesehen; Kontakt mit Spuren von Feuchtigkeit erhöht Reaktivität und Korrosion (einschließlich Angriff auf Silicium/Quarz).
- Zersetzungsbeginn: oberhalb von \(220\,^\circ\mathrm{C}\); Bildungsenthalpie und Phasenwechselenergie deuten auf signifikante gespeicherte chemische Energie hin (Bildungsenthalpie ca. \(164,5\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{mol}^{-1}\), Verdampfungsenthalpie \(27,50\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{mol}^{-1}\)).
Strikte Werkstoffauswahl (kompatible Metalle/Legierungen, Vermeidung organischer und silikatischer Materialien) sowie Feuchtigkeitsausschluss sind für die Stabilität unerlässlich.
Molekulare und ionische Parameter
Formel und Molmasse
- Molekülformel: \(ClF_3\).
- Molmasse: \(92,45\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\).
- Exakte/monoisotopische Masse: \(91,9640622\).
- Topologische polare Oberfläche (TPSA): \(0\).
- Berechneter XLogP3: \(2,5\).
Die elektronische Struktur (drei hoch elektronegative Fluoratome gebunden an ein zentrales Chlor mit zwei freien Elektronenpaaren) erklärt die Kombination aus niedriger Molekülpolarität und extremer oxidativer/fluorierender Reaktivität.
Konstituierende Ionen
Chlortrifluorid ist eine neutrale kovalente Molekülverbindung; es liegen unter normalen Bedingungen keine konstituierenden Ionen im intakten Molekül vor.
Identifikatoren und Synonyme
Registernummern und Codes
- CAS-Nummer: 7790-91-2
- EC-Nummer: 232-230-4
- UN-Nummer / Versand-ID: 1749
- UN/NA ID und Handbuch: UN 1749
- UN-Gefahrklasse (Nebenrisiken): 2.3 (toxisches Gas); Nebenrisiken: 5.1 (Oxidationsmittel), 8 (ätzend)
- UNII: 921841L3N0
- InChIKey: JOHWNGGYGAVMGU-UHFFFAOYSA-N
- ChEBI ID: CHEBI:30123
- DSSTox Stoff-ID: DTXSID90893948
Synonyme und gebräuchliche Namen
Gängige Synonyme und Bezeichnungen aus industriellen und technischen Kontexten sind: - chlorine trifluoride - ClF3 - trifluorochlorine - trifluoro-lambda3-chlorane - chlorotrifluoride - trifluoridochlorine
(Mehrere ältere und lieferantenspezifische Varianten existieren; die primäre systematische Formelbezeichnung ist \(ClF_3\).)
Industrielle und kommerzielle Anwendungen
Funktionale Rollen und Anwendungsbereiche
Chlornitrifluorid wird hauptsächlich als starkes Fluorierungs- und Oxidationsmittel eingesetzt, wenn eine aggressive, nichtwässrige Fluorierung erforderlich ist. Wichtige industrielle Einsatzbereiche umfassen: - Fluorierungsmittel für Umwandlungsschritte in der spezialisierten anorganischen und organischen Fluorchemie. - Verfahrensmittel im nuklearen Brennstoffkreislauf zur Umwandlung von Uran in gasförmiges Uranhexafluorid. - Hypergolisches Oxidationsmittel / Zündmittel in bestimmten Forschungsbereichen der Raketentriebwerkstechnik und historischen Treibstoffanwendungen. - Ätzmittel für Silizium und verwandte Materialien in der Halbleiter- und Photovoltaikfertigung (Niedrigtemperatur-Siliziumätzung). - Pyrolyse-Inhibitor und Behandlungsagentur in einigen Fluorpolymerprozessen.
Typische Anwendungsbeispiele
Repräsentative Anwendungen in der Praxis: - Umwandlung von Metallfluoriden oder Oxyfluoriden während der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen zu flüchtigen Fluoriden. - Kontrollierte Fluorierung robuster anorganischer Substrate, bei denen mildere Fluorierungsmittel unwirksam sind. - Verwendung als oxidierende Komponente oder Initiator in Treibstoff- oder Brandmittelformulierungen unter streng kontrollierten Bedingungen (historische und Nischenanwendungen). - Niedrigtemperatur-Trockenätzung von Einkristall-Silizium in spezialisierten Halbleiterprozessschritten.
Eine prägnante Produktanwendungsübersicht kann keine prozessspezifische Sicherheits- und Verträglichkeitsbewertung ersetzen; die Auswahl wird durch die einzigartige Kombination aus extrem starker Fluorierkraft und begrenzter Handhabbarkeit bestimmt.
Sicherheits- und Handhabungsübersicht
Gesundheits- und Umweltgefahren
- Akute Inhalationsgefahr: Dämpfe sind hochgradig reizend und potenziell tödlich. Berichtete akute Inhalationstoxizitätswerte umfassen LC50 (Ratte) ~\(299\,\mathrm{ppm}/1\,\mathrm{h}\) und Maus-LC50 \(178\,\mathrm{ppm}/1\,\mathrm{h}\).
- Berufliche Expositionsgrenzwerte: üblicherweise zitierte Höchstwerte sind \(0,1\,\mathrm{ppm}\) (Ceiling-Wert) für berufliche Exposition (gemäß verschiedenen Expositionsrichtlinien); IDLH-Werte liegen im Bereich von \(12\)–\(20\,\mathrm{ppm}\).
- AEGL (Beispielwerte für Kurzzeitbelastung): 10 min — \(0,12\,\mathrm{ppm}\) (AEGL-1), \(8,1\,\mathrm{ppm}\) (AEGL-2), \(84\,\mathrm{ppm}\) (AEGL-3); Werte für längere Expositionsdauern zeigen verringerte AEGL-2/3-Schwellen.
- Korrosivität: Flüssigkeit und konzentrierte Dämpfe verursachen schwere Haut- und Augenverätzungen und können tiefe Gewebeschäden hervorrufen; Inhalation kann zu Lungenödem und schweren Atemwegsschäden führen; systemische Fluoridtoxizität kann durch Bildung löslicher Fluoridverbindungen auftreten.
- Umwelttoxizität: sehr giftig für Wasserorganismen; Freisetzung ins Wasser erzeugt korrosive, toxische Spezies einschließlich \(HF\) und Chloroxide.
- Brand- und Explosionsverhalten: Der Stoff brennt nicht, ist jedoch ein starkes Oxidationsmittel, das die Verbrennung organischer Stoffe und vieler sonst nicht brennbarer Materialien unterstützen und in vielen Fällen entfachen kann; Kontakt mit Wasser oder organischen Stoffen kann heftig exotherm oder explosiv verlaufen. Behälter, die Feuer ausgesetzt sind, können bersten oder „rauschen“.
Erste-Hilfe-Maßnahmen sind Notfall- und symptomenorientiert: sofortiges Entfernen von der Exposition, großzügiges Spülen bei Haut-/Augenkontakt, Atemunterstützung und schnelle medizinische Abklärung möglicher Lungenschäden. Die medizinische Behandlung systemischer Fluoridwirkungen umfasst symptomatische/unterstützende Maßnahmen und gegebenenfalls Kalziumgabe.
Lagerung und Handhabung
- Zylinder und Behälter in einem kühlen, trockenen, gut belüfteten Bereich lagern, getrennt von Wasser, organischen Stoffen, Reduktionsmitteln, Säuren, Basen sowie inkompatiblen Metallen oder feuerfesten Materialien. Außen- oder separate Lagerräume sind bevorzugt.
- Konstruktionsmaterialien: Verträglichkeitsprüfung ist entscheidend; Silika, viele Polymere sowie bestimmte Metalle und Metalloxide sind inkompatibel. Verfahren und Ausrüstung müssen frei von organischen Rückständen und Feuchtigkeit sein; Leitungen und Gefäße müssen vor Kontakt mit inertem Gas gespült und getrocknet werden.
- Handhabungskontrollen: Verwendung von technischer Absaugung und Lecküberwachung; Zugangsbeschränkungen und Notfallisolationsmaßnahmen bereitstellen. Zylinderbefestigungen und Überdruckschutz müssen für verflüssigte Druckgase geeignet sein.
- Persönliche Schutzausrüstung: Druckluftselbstretter (SCBA) mit Überdruck für Notfalleinsätze; vollständige Chemikalienschutzanzüge und Gesichtsschutz bei möglichem Kontakt; leicht zugängliche Augenspül- und Notduscheinrichtungen bei Flüssigkontakt.
- Umgang mit Verschüttungen und Feuer: Bereich absperren und ggf. evakuieren; Ansammlungen in Tieflagen verhindern; kein direktes Wasser auf die Flüssigkeitsquelle richten (Wasserkontakt kann heftig reagieren), aber Wassernebel oder Sprühstrahl zur Dampfzerstreuung oder Kühlung benachbarter Behälter nur vorsichtig und nach Notfallvorschriften verwenden. Für den Stoff selbst keine Standard-Trockenpulverlöscher einsetzen; Brandbekämpfung an Behältern nur aus größtmöglicher Entfernung oder durch Fachpersonal mit ferngesteuerten Systemen durchführen.
- Entsorgung und Dekontamination: Keine Neutralisation oder Kontakt mit inkompatiblen Stoffen versuchen; Neutralisation und Entsorgung müssen von Spezialisten gemäß Gefahrstoffvorschriften durchgeführt werden; Wasserzufuhr in kontaminierte Anlagen nur als Teil validierter Neutralisationsverfahren.
Für detaillierte, situationsabhängige Gefahren-, Transport- und Regelgebungshinweise konsultieren Sie das produktbezogene Sicherheitsdatenblatt und geltende lokale Vorschriften.
