三フッ化塩素（7790-91-2）物理的および化学的性質
三フッ化塩素
高度に反応性のあるハロゲン間化合物フッ素化剤で、通常液化圧縮ガスとして供給されます。工業用途には専門的な材料、取り扱い手順および供給者の品質管理が必要です。
| CAS No. | 7790-91-2 |
| 化学族 | ハロゲン間化合物（ハロゲンフッ化物） |
| 一般的な形態 | 液化圧縮ガス |
| 一般的グレード | EP |
三フッ化塩素は、ハロゲン族の共有結合性ハロゲン間化合物であり、組成式は \(ClF_3\) です。構造的には、中心の塩素原子を取り囲む三角二角錐型の電子配置から派生し、2つの赤道上の孤立電子対を持ち、T字形の分子形状となり、著しい異方的電子密度を示します。3つのフッ素置換基によって強い電子引き抜き効果を持ち、形式上は正味電荷ゼロですが、従来のブラント酸・塩基性とは異なり、非常に強力な酸化およびフッ素化能を示します。
低沸点の分子性ガスで、中圧下で液化でき、形式上は分極面積がゼロの非極性ですが、酸化およびフッ素化反応に対して電子的に活性化されています。水と激しく加水分解し、フッ化水素および各種の塩素酸化物または元素塩素を生成します。また有機物、多くの金属や金属酸化物、難熔材料と発熱的かつ自発的に反応することが知られています。これらの性質は、強力なフッ素化や過剰酸化を要する用途に用いられ、工業的には材料の厳格な選定、保管および取り扱いの管理を必要とします。
商業的に報告されているグレードにはEPがあります。
基本物理的性質
密度
密度値は相および温度により異なります。代表的な実験値は以下の通りです： - 液体：\(1.85\)（51.8°Fで報告）；水より重く沈みます。 - 液体（沸点時）：\(1.825\,\mathrm{g}\,\mathrm{mL}^{-1}\)。 - 気体（相対密度）：蒸気密度 約\(3.21\)（空気 = 1）；気体密度 \(3.14\,\mathrm{g}\,\mathrm{L}^{-1}\)。 - 固体：密度 \(2.530\,\mathrm{g}\,\mathrm{cm}^{-3}\)（153 Kにて）。
これらの値は凝縮相での緻密な充填を反映し、蒸気は空気よりもはるかに重いことを示します。気体の放出は低い場所に滞留する傾向があります。
融点または熱分解温度
- 融点/凝固点：\(-76.34\,^\circ\mathrm{C}\)（同等で\(-105\,^\circ\mathrm{F}\））。
- 熱分解：220°C以上で分解し、加熱時に容器の破損または爆発を引き起こす可能性があります。
本物質は、小さな分子性ハロゲン間化合物として低い融点を示し、高温ではハロゲンおよびハロゲン酸化物の混合物に分解します。
水への溶解性
三フッ化塩素は水と反応し、安定した中性分子としては溶解しません。加水分解は激しく進行し、フッ化水素や塩素含有酸化物または元素塩素を生じ、多量の熱を発生します。実質的な結果として、水（氷を含む）との直接接触は激しく反応し、腐食性および有毒な水溶性生成物を生成します。
溶液のpH（定性的挙動）
水溶液はフッ化水素（\(HF\)）やその他の酸性分解生成物を生じます。三フッ化塩素が混入した水系は強酸性かつ高度に腐食性となります。安定したClF\(_3\)溶液の平衡pHの直接測定値は存在しません。なぜなら、化合物は安定溶存分子としてではなく反応してしまうためです。
化学的性質
酸塩基挙動
三フッ化塩素は単独では従来のブラント酸または塩基ではありません。プロトン性媒体との相互作用は主に加水分解と酸化に支配され、水との反応でフッ化水素および塩素酸化物または\(Cl_2\)を生成し、強酸性かつ腐食性の混合物を形成します。実際のpH影響は親分子の酸塩基解離によるものではなく、加水分解生成物の二次的効果です。
反応性および安定性
- 強力な酸化剤かつ攻撃的なフッ素化剤であり、多種多様な無機および有機基質の酸化やフッ素化が可能です。
- 水、有機物、燃料、多くの金属および金属酸化物、ハロカーボン、ニトロ化合物、特定のポリマーとは激しいまたは爆発的な反応が報告されています。多くの可燃物との接触で自発点火が文献にあります。
- 蒸気相で分解し、\(Cl_2\)、\(ClF\)、\(ClOF\)、\(ClO_2F\)、\(ClO_2\)、\(HF\)等の種を生成し、湿度や反応条件に依存します。
- 湿潤空気中では不安定とされ、微量の水分との接触で反応性および腐食性が増大します（シリカ/石英への攻撃を含む）。
- 分解開始温度：220°C以上。生成熱と相転移エネルギーは著しい化学エネルギー貯蔵を示します（生成熱約164.5 kJ/mol、蒸発熱27.50 kJ/mol）。
安定には材料の厳密な選択（金属・合金の適合性確認、有機物・シリカ質材料の排除）および水分の除去が必須です。
分子およびイオンパラメータ
組成式および分子量
- 分子式：\(ClF_3\)
- 分子量：\(92.45\,\mathrm{g}\,\mathrm{mol}^{-1}\)
- 正確質量/単一同位体質量：\(91.9640622\)
- トポロジカル極性表面積（TPSA）：0
- 計算XLogP3：2.5
電子構造は、中心の塩素に結合する3つの高電気陰性度フッ素原子と2つの孤立電子対の組み合わせであり、低分子極性ながら極端な酸化・フッ素化反応性を説明します。
構成イオン
三フッ化塩素は中性の共有結合性分子種であり、通常の条件下では分解せず、構成イオンは含まれていません。
識別子および別名
登録番号およびコード
- CAS登録番号：7790-91-2
- EC番号：232-230-4
- 国連番号（UN Number）/輸送ID：1749
- UN/NA識別番号およびガイド：UN 1749
- 国連危険物クラス（副次リスク）：2.3（毒性ガス）；副次：5.1（酸化性物質）、8（腐食性物質）
- UNIIコード：921841L3N0
- InChIKey：JOHWNGGYGAVMGU-UHFFFAOYSA-N
- ChEBI ID：CHEBI:30123
- DSSTox物質ID：DTXSID90893948
同義語および一般名
工業的および技術的文脈で用いられる一般的な同義語および呼称は以下の通りです： - 三フッ化塩素 - ClF3 - トリフルオロクロリネ - トリフルオロラムダ3-クロラン - クロロトリフルオリド - トリフルオリドクロリネ
（数種の過去の名称や登録者提供の変種がありますが、主要な系統命名法上の標準表記は \(ClF_3\) です。）
産業および商業用途
機能的役割および使用分野
三フッ化塩素は、攻撃的で非水性のフッ素化が必要な場合に、強力なフッ素化剤および酸化剤として主に使用されます。主な産業上の役割は以下のとおりです： - 特殊無機化学および有機フッ素化学における変換反応のフッ素化剤。 - 核燃料サイクルにおけるウランの六フッ化ウランへの変換反応試薬としての使用。 - 一部のロケット推進研究および歴史的推薬用途におけるハイパーゴリック酸化剤／点火剤。 - 半導体および太陽電池製造におけるシリコンおよび関連材料のエッチング剤（低温シリコンエッチング）。 - 一部のフッ素ポリマー製造過程における熱分解抑制剤および処理剤。
典型的な適用例
実際の代表的な適用例は以下の通りです： - 核燃料再処理において、金属フッ化物または酸フッ化物を揮発性フッ化物に変換する反応。 - より穏和なフッ素化剤が効果を示さない堅牢な無機基材の制御されたフッ素化。 - 厳密に管理された条件下において推薬や焼夷剤組成物の酸化成分または起爆剤としての使用（歴史的およびニッチな用途）。 - 専門的な半導体工程ステップにおける単結晶シリコンの低温乾式エッチング。
簡潔な製品用途のまとめは、個々の工程に特有の安全性および適合性評価に代わるものではありません。選択は、極めて強力なフッ素化能と限定的な取扱適合性の独自の組み合わせにより決定されます。
安全性および取扱概要
健康および環境への危険性
- 急性吸入危険性：蒸気は強い刺激性があり、致命的な場合がある。報告されている急性吸入毒性値はLC50（ラット）約\(299\,\mathrm{ppm}/1\,\mathrm{h}\)、マウスLC50は\(178\,\mathrm{ppm}/1\,\mathrm{h}\)。
- 職業曝露限界：各種曝露ガイドラインにより、職業曝露に関する天井値推奨および限度値は一般に\(0.1\,\mathrm{ppm}\)（天井値）とされている。IDLH値は\(12\)〜\(20\,\mathrm{ppm}\)の範囲で報告されている。
- AEGL（例：短時間曝露値）：10分間 — \(0.12\,\mathrm{ppm}\)（AEGL-1）、\(8.1\,\mathrm{ppm}\)（AEGL-2）、\(84\,\mathrm{ppm}\)（AEGL-3）；より長時間の曝露ではAEGL-2/3の閾値が低下する。
- 腐食性：液体および高濃度蒸気は重度の皮膚・眼の火傷を引き起こし、深部組織損傷を生じることがある。吸入は肺水腫および重篤な呼吸器損傷を引き起こす可能性がある。可溶性フッ化物種の生成により全身性フッ化物毒性が起こり得る。
- 環境毒性：水生生物に非常に有害であり、水中への放出は腐食性および毒性のある種（HFや塩素酸化物など）を生成する。
- 火災／爆発挙動：物質自体は燃焼しないが、強力な酸化剤であり、多くの場合有機物および他の非可燃材料の燃焼を助長または開始させる。水や有機物との接触は激しい発熱反応や爆発を伴うことがある。火災にさらされた容器は破裂または“ロケット化”することがある。
応急処置は緊急かつ症状に即したものであり、曝露源から直ちに離脱し、皮膚・眼接触の場合は大量の洗浄を行い、呼吸補助および肺損傷の可能性について迅速な医療評価が必要である。フッ化物関連の全身症状に対する医療管理には、対症療法および支持療法、必要に応じてカルシウム投与が含まれる。
貯蔵および取扱上の注意事項
- シリンダーおよび容器は冷涼で乾燥し、換気の良い場所に保管し、水、有機物、還元剤、酸、アルカリ、非適合金属または耐火物から分離する。屋外または別置きの保管場所が望ましい。
- 構成材料：適合性の評価が不可欠であり、ケイ素（二酸化ケイ素）、多くの高分子、特定の金属および金属酸化物は不適合である。器具および装置は有機残留物や水分を含まないことが必要で、配管や容器は接触前に不活性ガスで洗浄・乾燥を行うこと。
- 取扱管理：局所排気装置および漏洩検知システムを使用し、アクセスを制限し緊急遮断手段を準備する。液化圧縮ガスに適したシリンダー拘束および圧力解放保護を維持する。
- 個人防護具：緊急対応には正圧式自給式呼吸器（SCBA）を使用し、接触が想定される場合は全面化学防護服および顔面保護具を装着する。液体曝露時には眼洗い設備および非常用シャワーを容易に使用できる状態にしておくこと。
- 漏洩および火災対応：現場を隔離し必要に応じて避難し、低所への滞留を防止する。液体源に直接水をかけることは避ける（水接触は激しい反応を起こす可能性がある）が、蒸気の分散や隣接容器の冷却には緊急対策で推奨される場合のみ水の噴霧または霧化が慎重に使用される。通常の乾燥化学消火器は本物質には使用しない。タンクを含む火災対応は最も安全な距離からか、無人システムを用いる専門家によって行うべきである。
- 廃棄および除染：中和や不適合物質との接触は試みず、専門家が危険廃棄物規制に従って中和および処理を行うこと。検証済み中和システムの一部でない限り、被汚染装置への水の導入は避けること。
詳細かつ状況に応じた危険性、輸送および法規制に関する指針は、製品固有の安全データシートおよび適用される地域法令をご参照ください。
