Трифторид хлора (7790-91-2) Физические и химические свойства

Химический профиль

Трифторид хлора

Высокоактивный межгалогеновый фторирующий агент, обычно поставляемый в виде сжиженного сжатого газа; требует специализированных материалов, процедур обращения и контроля качества поставщика для промышленного использования.

Номер CAS	7790-91-2
Класс вещества	Межгалогеновое соединение (галоген-фторид)
Типичная форма	Сжиженный сжатый газ
Обычные разновидности	EP

Применяется в специализированных промышленных процессах фторирования и поверхностной обработки, включая очистку реакторов и некоторые процессы травления полупроводников; при закупке и формировании рецептур необходимо учитывать совместимость материалов, специализированное оборудование для удержания и контроль качества поставщиков. Обращение и хранение требуют инженерных средств контроля и систем, устойчивых к коррозии, из-за агрессивной реакции с органическими веществами, водой и многими металлами.

Трифторид хлора — это ковалентное межгалогеновое соединение класса галогенов, формально фторид хлора с эмпирической формулой \(ClF_3\). Структурно оно основано на тригонально-бипирамидальном распределении электронных областей вокруг центрального атома хлора с двумя экваториальными неподелёнными парами, что придаёт молекуле Т-образную геометрию и значительную анизотропию электронной плотности. Молекула обладает сильным электронным оттягивающим эффектом вследствие трёх атомов фтора; несмотря на формально нулевой суммарный заряд, демонстрирует крайне сильное окислительное и фторирующее поведение, а не классическую кислотно-основную активность по Брёнстеду.

Будучи молекулярным газом с низкой температурой кипения, который может быть сжижен при умеренном давлении, трифторид хлора не полярен с точки зрения формального дипольного момента нулевой поверхности, но электронно активирован для реакций окисления и фторирования. Он бурно гидролизуется водой с образованием фтороводорода и разнообразных оксидов хлора или элементарного хлора, а также экзотермично и часто спонтанно реагирует с органическими веществами, множеством металлов и оксидов металлов, а также тугоплавкими материалами. Эти свойства обуславливают его применение там, где необходимы агрессивное фторирование или гиперголическое окисление, и диктуют строгие требования к материалам конструкций, хранению и обращению в промышленных условиях.

Общепринятые коммерческие сорта данного вещества включают: EP.

Основные физические свойства

Плотность

Значения плотности зависят от фазы и температуры. Репрезентативные экспериментальные данные включают: - Жидкость: \(1.85\) (указано при \(51.8\,^\circ\mathrm{F}\)); отмечается, что плотнее воды и будет тонуть. - Жидкость (при температуре кипения): \(1.825\,\mathrm{г}\,\mathrm{мл}^{-1}\). - Газ (относительная плотность): плотность пара ~\(3.21\) (воздух = 1); плотность газа указана как \(3.14\,\mathrm{г}\,\mathrm{л}^{-1}\). - Твердое тело: плотность \(2.530\,\mathrm{г}\,\mathrm{см}^{-3}\) (при \(153\,\mathrm{K}\)).

Эти данные отражают компактную упаковку в конденсированных фазах и значительно большую тяжесть пара по сравнению с воздухом; выделяющийся газ будет стремиться скапливаться в низинах.

Точка плавления или разложения

Температура плавления/затвердевания: \(-76.34\,^\circ\mathrm{C}\) (эквивалентно \(-105\,^\circ\mathrm{F}\)).
Термическое разложение: разлагается выше \(220\,^\circ\mathrm{C}\), что может привести к разрушению ёмкости или взрыву при нагревании.

Вещество обладает низкой температурой плавления, что типично для малых молекул межгалогенов, и разлагается при повышенных температурах с образованием смеси галогенов и оксидов галогенов.

Растворимость в воде

Трифторид хлора реагирует с водой; он не растворяется как целая устойчивая нейтральная молекула. Гидролиз протекает бурно с образованием фтороводорода и хлорсодержащих оксидов или элементарного хлора с выделением значительного количества тепла. Практическое последствие: прямой контакт с водой (включая лёд) приводит к бурным реакциям и образованию коррозионно-активных и токсичных водных продуктов.

pH раствора (качественная характеристика)

Контакт с водой приводит к образованию фтороводорода (\(HF\)) и других кислых продуктов разложения; водные системы, загрязнённые трифторидом хлора, становятся сильно кислыми и высоко коррозионными. Прямых измерений равновесного \(\mathrm{pH}\) стабильного раствора \(ClF_3\) нет, поскольку соединение реагирует вместо того, чтобы образовывать стабильный растворённый молекулярный комплекс.

Химические свойства

Кислотно-основное поведение

Трифторид хлора не является традиционной кислотой или основанием по Брёнстеду в изолированном виде. Его взаимодействие с протонной средой определяется гидролизом и окислением: реакция с водой приводит к образованию \(HF\) и оксидов хлора или \(Cl_2\), создавая сильнокислотные и коррозионно-активные смеси. На практике изменения pH в водных системах — вторичное следствие гидролизных продуктов, а не прямое кислотно-основное диссоциирование исходной молекулы.

Реакционная способность и стабильность

Сильный окислитель и агрессивный фторирующий агент; способен окислять или фторировать широкий спектр неорганических и органических субстратов.
Зарегистрированы бурные или взрывоопасные реакции с водой, органическими материалами, топливами, многими металлами и оксидами металлов, галоуглеродами, нитросоединениями и некоторыми полимерами; также описываются спонтанные воспламенения при контакте со многими горючими веществами.
Разлагается в паровой фазе с образованием видов включительно \(Cl_2\), \(ClF\), \(ClO\!F\), \(ClO_2F\), \(ClO_2\) и \(HF\), в зависимости от влажности и условий реакции.
Считается нестабильным во влажном воздухе; контакт с даже следами влаги увеличивает реакционную активность и коррозию (включая разъедание кремния/кварца).
Начало разложения: выше \(220\,^\circ\mathrm{C}\); энтальпия образования и энергетика фазовых переходов показывают значительное запасённое химическое энергообеспечение (энтальпия образования ~\(164.5\,\mathrm{кДж}\,\mathrm{моль}^{-1}\), теплота парообразования \(27.50\,\mathrm{кДж}\,\mathrm{моль}^{-1}\)).

Для стабильности необходим строгий подбор материалов (совместимые металлы/сплавы, избегание органики и силикатных материалов) и исключение влаги.

Молекулярные и ионные параметры

Формула и молекулярный вес

Молекулярная формула: \(ClF_3\).
Молекулярная масса: \(92.45\,\mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\).
Точная/монизотопная масса: \(91.9640622\).
Топологическая полярная поверхность (TPSA): \(0\).
Вычисленный XLogP3: \(2.5\).

Электронная структура (три высокоэлектроотрицательных атома фтора, связанных с центральным хлором с двумя неподелёнными парами) объясняет сочетание низкой молекулярной полярности с экстремальной окислительной и фторирующей реакционной способностью.

Конституирующие ионы

Трифторид хлора — нейтральное ковалентное молекулярное соединение; в целостной молекуле при нормальных условиях отсутствуют ионы.

Идентификаторы и синонимы

Регистрационные номера и коды

Номер CAS: 7790-91-2
EC номер: 232-230-4
UN номер / ID при перевозке: 1749
UN/NA ID и руководство: UN 1749
Класс опасности ООН (дополнительные риски): 2.3 (токсичный газ); Дополнительно: 5.1 (окислитель), 8 (коррозионное вещество)
UNII: 921841L3N0
InChIKey: JOHWNGGYGAVMGU-UHFFFAOYSA-N
ChEBI ID: CHEBI:30123
DSSTox Substance ID: DTXSID90893948

Синонимы и общие названия

Распространённые синонимы и обозначения, используемые в промышленном и техническом контексте: - трифторид хлора - ClF3 - трифторхлор - трифторо-лямбда3-хлоран - хлоротрифторид - трифтородохлор

(Существуют несколько устаревших и предоставленных поставщиками вариантов; основное систематическое обозначение — \(ClF_3\).)

Промышленные и коммерческие применения

Функциональные роли и сектора использования

Трифторид хлора применяется преимущественно в качестве мощного фторирующего и окисляющего агента там, где требуется агрессивное безводное фторирование. Основные промышленное значения включают: - Фторирующий агент для стадий преобразования в области специализированной неорганической и органофторсодержащей химии. - Реагент в переработке ядерного топлива для преобразования урана в газообразный гексафторид урана. - Гиперголический окислитель / инициатор воспламенения в рамках некоторых исследований ракетного двигателестроения и исторических применений топлива. - Травитель кремния и сходных материалов в производстве полупроводников и фотоэлектрических элементов (низкотемпературное травление кремния). - Ингибитор пиролиза и реагент обработки в некоторых процессах производства фторполимеров.

Типичные примеры применения

Репрезентативные области практического применения: - Преобразование металлических фторидов или оксифторидов в летучие фториды при переработке ядерного топлива. - Контролируемое фторирование стойких неорганических субстратов, где более мягкие фторирующие агенты неэффективны. - Использование в качестве окисляющего компонента или инициатора в составах ракетного топлива или зажигательных смесей при жестко контролируемых условиях (исторические и нишевые применения). - Низкотемпературное сухое травление монокристаллического кремния на специализированных этапах полупроводникового производства.

Ни один краткий обзор применения продукта не может заменить специфическую оценку безопасности и совместимости процесса; выбор обусловлен уникальным сочетанием высокой фторирующей активности и ограниченной допустимости условий обращения.

Обзор безопасности и обращения

Опасности для здоровья и окружающей среды

Острая токсичность при ингаляции: пары сильно раздражают дыхательные пути и могут быть смертельными. Установленные показатели острой токсичности при ингаляции включают LC50 (крыса) ~\(299\,\mathrm{ppm}/1\,\mathrm{ч}\) и LC50 (мышь) \(178\,\mathrm{ppm}/1\,\mathrm{ч}\).
Предельные концентрации для рабочих помещений: рекомендуемые предельные значения потолочного уровня обычно равны \(0,1\,\mathrm{ppm}\) (потолочное значение) согласно различным нормам; IDLH-значения оцениваются в диапазоне \(12\)–\(20\,\mathrm{ppm}\).
AEGL (примеры значений для коротких периодов воздействия): 10 мин — \(0,12\,\mathrm{ppm}\) (AEGL-1), \(8,1\,\mathrm{ppm}\) (AEGL-2), \(84\,\mathrm{ppm}\) (AEGL-3); для более длительных периодов значения AEGL-2 и AEGL-3 снижаются.
Коррозионное действие: жидкость и концентрированные пары вызывают тяжёлые ожоги кожи и глаз, способны вызывать повреждения глубоких тканей; ингаляция приводит к развитию легочного отека и тяжелых повреждений дыхательных путей; системная токсичность вызывается образованием растворимых фторидных соединений.
Экологическая токсичность: крайне токсичен для водных организмов; попадание в водную среду приводит к образованию коррозионно-активных и токсичных соединений, включая HF и хлороксиды.
Пожаробезопасность и взрывоопасность: вещество не горит, но является сильным окислителем, способным поддерживать и зачастую инициировать горение органических веществ и многих иначе негорючих материалов; контакт с водой или органическими веществами может сопровождаться взрывной или бурной экзотермической реакцией. Емкости, подвергшиеся воздействию огня, могут разрушаться с выбросом или «рвануть».

Первая помощь — экстренная и ориентирована на симптомы: немедленное удаление из зоны воздействия, обильное промывание при контакте с кожей и глазами, обеспечение дыхательной поддержки и быстрая медицинская оценка для выявления возможных легочных повреждений. Медицинское лечение системных фторидных эффектов включает симптоматическую и поддерживающую терапию, при необходимости введение кальция.