Τριφθοριούχο χλώριο

To τριφθοριούχο χλώριο (αγγλικά chlorine trifluoride) είναι ανόργανη δυαδική χημική ένωση, με μοριακό τύπο ClF₃. Το χημικά καθαρό τριφθοριούχο χλώριο, στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο, δηλητηριώδες, διαβρωτικό και εξαιρετικά δραστικό αέριο, που συμπυκνώνεται (στους 11,75 °C) σε ένα ανοικτοπρασινοκίτρινο υγρό, μια μορφή στην οποία συνήθως πωλείται (συμπιεσμένο στη θερμοκρασία δωματίου). Η κύρια εφαρμογή της ένωσης είναι ως συστατικό καυσίμων πυραύλων, στις διεργασίες καθαρισμού χωρίς πλάσμα και χάραξης στη βιομηχανία ημιαγωγών^[1][2], στην επεξεργασία καυσίμων πυρηνικού αντιδραστήρα^[3], και σε άλλες βιομηχανικές διεργασίες^[4].

Τριφθοριούχο χλώριο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Τριφθοριούχο χλώριο
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	ClF3
Μοριακή μάζα	92,45 amu
Αριθμός CAS	7790-91-2
SMILES	F[Cl](F)F
InChI	1S/ClF3/c2-1(3)4
Αριθμός EINECS	232-230-4
Αριθμός RTECS	FO2800000
Αριθμός UN	1749
PubChem CID	24637
ChemSpider ID	23039
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−76,34 °C
Σημείο βρασμού	11,75 °C
Πυκνότητα	4 kg/m³
Διαλυτότητα στο νερό	Αντιδρά βίαια
Ιξώδες	91,82 μPa·s
Τάση ατμών	175 kPa
Χημικές ιδιότητες
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Πρώτη αναφορά

Το τριφθοριούχο χλώριο αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1930 από τους Ραφφ (Ruff) και Κραγκ (Krug), που το παρήγαγαν με αντίδραση ολικής σύνθεσης, δηλαδή από φθόριο και χλώριο. Η αντίδραση αυτή παράγει, επίσης, μονοφθοριούχο χλώριο (ClF), το οποίο (οι αναφερόμενοι ερευνητές) διαχώρησαν με απόσταξη^[5]:

${\displaystyle \mathrm {3F_{2}+Cl_{2}{\xrightarrow {}}2ClF_{3}} }$

Δομή και σταθερότητα

Το μόριο του τριφθοριούχου χλωρίου έχει κατά προσέγγιση σχήμα Τ, με ένα βραχύτερο δεσμό (159,8 pm) και δυο (2) μακρύτερους (169,8 pm)^[6]. Αυτή η δομή συμφωνεί με την πρόβλεψη της θεωρίας σθένους - απώθησης ζευγών ηλεκτρονίων [Valence shell electron pair repulsion (VSEPR) theory], που προβλέπει ότι τα (δυο υπόλοιπα) μονήρη ζεύγη ηλεκτερονίων του ατόμου του χλωρίου καταλαμβάνουν τις δυο ισημερινές θέσεις μιας νοητής τριγωνικής διπυραμίδας. Οι δυο επιμηκυσμένοι αξονικοί δεσμοί Cl-F αποτελούνται από υπερσθενική δεσμολογία. Το χημικά καθαρό τριφθοριούχο χλώριο είναι σταθερό (ως) τους 180 °C σε δοχεία από χαλαζία. Πάνω από αυτήν τη θερμοκρασία διασπάται, με ένα μηχανισμό ελευθέρων ριζών, στα στοιχεία που το αποτελούν.

Αντιδράσεις

Η αντίδραση τριφθοριούχου χλωρίου με αρκετά μέταλλα δίνει τα (αντίστοιχα) χλωρίδια και φθορίδια, με φωσφόρο δίνει τριχλωριούχο φωσφόρο (PCl₃) και πενταφθοριούχο φωσφόρο (PF₅) και με το θείο δίνει διχλωριούχο θειο (SCl₂) και τετραφθοριούχο θείο (SF₄). Το τριφθοριούχο χλώριο αντιδρά εκρηκτικά με το νερό, οξειδώνοντάς το σε οξυγόνο ή, αν η αντίδραση γίνει σε ελεγχόμενες ποσότητες, διφθοριούχο οξυγόνο (OF₂), καθώς και υδροφθόριο (HF) και υδροχλώριο (HCl). Τα οξείδια μετάλλων αντιδρούν με τριφθοριούχο χλώριο και σχηματίζουν τα (αντίστοιχα) αλογονίδια των μετάλλων και οξυγόνο ή διφθοριούχο οξυγόνο:

${\displaystyle \mathrm {ClF_{3}+2H_{2}O{\xrightarrow {}}3HF+HCl+O_{2}} }$
${\displaystyle \mathrm {ClF_{3}+H_{2}O{\xrightarrow {}}HF+HCl+OF_{2}} }$

Η κύρια εφαρμογή του τριφθοριούχο χλωρίου είναι η παραγωγή εξαφθοριούχου ουρανίου (UF₆), ως μέρος της επεξεργασίας και επανεπεξεργασίας πυρηνικών καυσίμων, με τη φθορίωση του μεταλλικού ουρανίου:

${\displaystyle \mathrm {U+3ClF_{3}{\xrightarrow {}}UF_{6}+3ClF} }$

Το τριφθοριούχο χλώριο διασπάται ως εξής:

${\displaystyle \mathrm {ClF_{3}\rightleftarrows ClF+F_{2}} }$

Εφαρμογές

Στρατιωτικές εφαρμογές

Κάτω από την κωδική ονομασία N-stoff, το τριφθοριούχο χλώριο ερευνήθηκε για στρατιωτικές εφαρμογές από το Ίδρυμα Κάιζερ Γουιέλμος (Kaiser Wilhelm Institute) της Ναζιστικής Γερμανίας, λίγο πριν από την έναρξη του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου. Σε πειράματα που έγιναν εναντίον ομοιωμάτων των οχυρώσεων της Γραμμής Μαζινό (Maginot Line fortifications) βρέθηκε ότι το τριφθοριούχο χλώριο είναι ένα αποτελεσματικό χημικό όπλο, που συνδυάζει σε ένα υλικό τις ιδιότητες ενός όπλου αποτέφρωσης και ενός δηλητηριώδους αερίου. Από το 1938, άρχησε η κατασκευή σε ένα μερικώς οχυρωμένου και μερικώς υπόγειου συγκροτήματος εργοστασίων έκτασης 31,76 τ.χλμ., το βιομηχανικό συγκρότημα Φάλκεναγεν (Falkenhagen industrial complex), που προβλέπονταν να παράγει 50 τόνους N-stoff το μήνα, και επιπλέον σαρίν. Ωστόσο, μέχρι την εποχή που τελικά καταλήφθηκε με την προέλαση του Κόκκινου Στρατού το 1945, το συγκρότημα είχε παραγάγει μόλις περίπου 30 - 50 τόνους του υλικού, και με κόστος άνω των 100 γερμανικών μάρκων Ράιχ ανά χιλιόγραμμο^[7]. Το N-stoff ποτέ δεν χρησιμοποιήθηκε σε πόλεμο^[8].

Βιομηχανία ημιαγωγών

Στη βιομηχανία ημιαγωγών, το τριφθροριούχο χλώριο χρησιμοποιείται συχνά για να καθαρήσει τους θαλάμους χημικής απόθεσης ατμών^[9]. Έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να απομακρύνει το ημιαγωγικό υλικό από το θάλαμο χωρίς να πρέπει να διαλυθεί ο θάλαμος^[9]. Επίσης, αντίθετα από τα περισσότερα εναλλακτικά χημικά που χρησιμοποιήθηκαν για τον ίδιο ρόλο, το τριφθοριούχο χλώριο δεν χρειάζεται να ενεργοποιηθεί με τη χρήση πλάσματος, γιατί η θερμότητα του θαλάμου είναι αρκρτή για να προκαλέσει τη διάσπαση του και την αντίδρασή του με το ημιαγωγικό υλικό^[9].

Προωθητικό πυραύλων

Το τριφθοριούχο χλώριο έχει ερευνηθεί ως ένα υψηλής απόδοσης αποθηκεύσιμο οξειδωτικό για πυραυλικά προωθητικά συστήματα. Ωστόσο, είναι προβληματισμός ο χειρισμός του. Ο Τζον Ντράρυ Κλαρκ (Τζον Ντράρυ Κλαρκ) συνώψησε ως εξής τις σχετικές δυσκολίες: «Είναι, φυσικά, εξαιρετικά τοξικό, αλλά αυτό είναι το μικρότερο από τα προβλήματα. Είναι υπεργολικό με κάθε γνωστό καύσιμο, και τόσο γρήγορο υπεργολικό που δεν υπάρχει καθόλου καθυστέριση στην ανάφλεξη, όπως έχει μετρηθεί. Είναι επίσης υπεργολικό με υλικά όπως τα υφάσματα, το ξύλο και τους μηχανικούς δοκιμής, για να μην αναφερθούν (επίσης) ο άσβστος, η άμμος και το νερό, με τα οποία επίσης αντιδρά εκρηκτικά. Μπορεί να κρατηθεί με κάποια συνηθισμένα δομικά υλικά, όπως ο χάλυβας, ο χαλκός, το αλουμίνιο, κ.τ.λ., εξαιτίας του σχηματισμού ενός λεπτού στρώματος αδιάλυτου φθοριδίου του (χρησιμοποιούμενου) μετάλλου, που προστατεύει το υπόλοιπο μέταλλο από προσβολή, ακριβώς όπως ένα αόρατο λεπτό στρώμα οξειδίου του αργιλίου προστατεύει (το μεταλλικό) αλουμίνιο από να καεί στην ατμόσφαιρα. Ωστόσο, αν αυτό το λεπτό στρώμα λυώσει η ξυθεί δεν υπάρχει πιθανότητα να ξανασχηματιστεί (και) αντιμετωπίζεται το πρόβλημα πυρκαγιάς μετάλλου - φθορίου. Για την αντιμετώπιση τέτοιας κατάστασης, πάντα θα πρότεινα ένα καλό ζευγάρι παπούτσια τρεξίματος (και όπου φύγει - φύγει...).»^[10][11][12].

Ασφάλεια και χειρισμός

Το τριφθοριούχο χλώριο είναι ισχυρό οξειδωτικό και φθοριωτικό μέσο. Είναι εξαιρετικά δραστικό με τα περισσότερα ανόργανα και οργανικά υλικά, συμπεριλαμβανόμενων του γυαλιού και του τεφλόν, και αρχίζει την ανάφλεξη πολλών θεωρούμενων ως άφλεκτων υλικών, χωρίς άλλη πηγή ανάφλεξης. Αυτές οι αντιδράσεις με το τριφθοριούχο χλώριο είναι συχνά βίαιες και σε κάποιες περιπτώσεις καταλήγουν σε εκρήξεις. Δοχεία κατασκευασμένα από χάλυβα, χαλκό ή νικέλιο αντιστέκονται στην προσβολή από τριφθοριούχο χλώριο, γιατί σχηματίζουν ένα λεπτό στρώμα αδιάλυτου (αντίστοιχου) φθοριδίου μετάλλου, αλλά το μολυβδαίνιο, το βολφράμιο και το τιτάνιο, που σχηματίζουν ευδιάλυτα (αντίστοιχα) φθορίδια, είναι συνεπώς ακατάλληλα υλικά για κατασκευή δοχείων για τριφθοριούχο χλώριο. Κάθε τμήμα εξοπλισμού που έρχεται σε επαφή με τριφθοριούχο χλώριο πρέπει να καθαρίζεται σχολαστικά και μετά να αδρανοποιείται, γιατί κάθε πρόσμειξη που ίσως να έμεινε θα συνεχίσει να καίει μέσω του στρώματος αδρανοποίησης ταχύτερα από ότι μπορεί να αποκατασταθεί. Η ιδιότητα του τριφθοριούχου χλωρίου να ξεπερνά σε οξειδωτική ικανότητα το οξυγόνο οδηγεί σε εξαιρετική διαβρωσιμότητα έναντι οξυγονούχων υλικών, συχνά ακόμη και αυτών που θεωρούνται ότι είναι άφλεκτα. Για το τριφθοριούχο χλώριο, και άλλα παρόμοια αέρια, έχουν αναφερθεί ότι ανέφλεξαν άμμο, άσβεστο και άλλα θεωρούμενα ως εξαιρετικἀ πυροσβεστικά υλικά. Σε ένα βιομηχανικό ατύχημα, η διαρροή 900 kg τριφθοριούχου χλωρίου έκαψε αντικείμενα διαμέσου 30 cm τσιμέντου και 90 cm χαλικιών^[13]. Πυροσβεστικά μέσα είναι ανίκανα να κατασβέοσυν αυτήν την οξείδωση, και ο μόνος τρόπος που υπάρχει είναι να ψυχθεί η γύρω περιοχή μέχρι να πάψει η οξείδωση^[14]. Το τριφθοριούχο χλώριο αντιδρά βίαια με πυροσβεστικά μέσα που περιέχουν νερό, καθώς και με οξειδωτικά απουσία ατμοσφαιρικού οξυγόνου, καθιστώντας πυροσβεστικά υλικά, όπως διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και αλάνθρακες, που εκτοπίζουν το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, εντελώς αναποτελεσματικά έναντι του τριφθοριούχου χλωρίου. Το γυαλί αναφλέγεται αν έρθει σε επαφή με το τριφθοριούχο χλώριο^[15]. Η έκθεση σε μεγαλύτερες ποσότητες τριφθοριούχου χλωρίου, σε υγρή ή αέρια κατάσταση, αναφλέγει τους ιστούς που έρχονται σε επαφή με αυτό. Η αντίδραση υδρόλυσης τριφθοριούχου χλωρίου (φυσικά με νερό) είναι βίαιη ως και εκρηκτική, εξαιτίας της μεγάλης θερμότητας καύσης (που παράγει). Τα δε προϊόντα της υδρόλυση αυτής είναι κυρίως υδροφθορικό και υδροχλωρικό οξύ, που συνήθως εκλύονται με τη μορφή ατμών τους, εξαιτίας της ισχυρά εξώθερμης φύσης της αντίδρασης. Το παραγώμενο υδροφθορικό οξύ, με τη σειρά του, είναι διαβρωτικό για τους ανθρώπινους (και όχι βέβαια μόνο) ιστούς, απορροφάται από το δέρμα και προσβάλλει τα οστά, τα νεύρα και προκαλεί συχνά θανατηφόρα δηλητηρίαση από φθόριο. Το παραγώμενο υδροχλωρικό οξύ αποτελεί δευτερεύοντα κίνδυνο, αλλά είναι επίσης επικίνδυνο για τους ζωντανούς οργανισμούς, αλλά σε πολλές περιπτώσεις είναι πιο διαβρωτικό έναντι στα περισσότερα ανόργανα υλικά, σε σύγκριση με το υδροφθορικό οξύ.

Αναφορές και παρατηρήσεις

1. Hitoshi Habuka, Takahiro Sukenobu, Hideyuki Koda, Takashi Takeuchi, and Masahiko Aihara (2004). "Silicon Etch Rate Using Chlorine Trifluoride". Journal of the Electrochemical Society 151 (11): G783–G787. doi:10.1149/1.1806391.
2. United States Patent 5849092 "Process for chlorine trifluoride chamber cleaning",
3. Board on Environmental Studies and Toxicology, (BEST) (2006). Acute Exposure Guideline Levels for Selected Airborne Chemicals: Volume 5 (citation at the National Academies Press). Washington D.C.: National Academies Press. p. 40. ISBN 0-309-10358-4.
4. United States Patent 6034016 "Method for regenerating halogenated Lewis acid catalysts"
5. Otto Ruff, H. Krug (1930). "Über ein neues Chlorfluorid-CIF3". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 190 (1): 270–276. doi:10.1002/zaac.19301900127.
6. Smith, D. F. (1953). "The Microwave Spectrum and Structure of Chlorine Trifluoride". The Journal of Chemical Physics 21 (4): 609–614. Bibcode:1953JChPh..21..609S. doi:10.1063/1.1698976. edit
7. Using data from Economic History Services and The Inflation Calculator, we can calculate that 100 Reichsmark in 1941 is approximately equivalent to US$540 in 2006. Reichsmark exchange rate values from 1942 to 1944 are fragmentary.
8. "Bunker Tours" report on Falkenhagen.
9. "In Situ Cleaning of CVD Chambers". Semiconductor International. 6/1/1999.
10. ClF3/Hydrazine at the Encyclopedia Astronautica.
11. Clark, John D. (2001). Ignition!. UMI Books on Demand. ISBN 0-8135-0725-1.
12. Clark, John D. (1972). Ignition! An Informal History of Liquid Rocket Propellants. Rutgers University Press. p. 214. ISBN 0-8135-0725-1.
13. Air Products Safetygram, https://web.archive.org/web/20060318221608/http://www.airproducts.com/nr/rdonlyres/8479ed55-2170-4651-a3d4-223b2957a9f3/0/safetygram39.pdf
14. "Chlorine Trifluoride Handling Manual". Canoga Park, CA: Rocketdyne. September 1961. p. 24. Retrieved 2012-09-19.
15. Pradyot Patnaik (2007). A comprehensive guide to the hazardous properties of chemical substances (3rd ed.). Wiley-Interscience. p. 478. ISBN 0-471-71458-5.