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composto chimico Da Wikipedia, l'enciclopedia libera
Il tetrafluoruro di carbonio,[4][5] noto in chimica organica anche con il nome tetrafluorometano in quanto membro degli alometani tetrasostituiti, è un composto chimico binario del carbonio con il fluoro, avente formula molecolare CF4.[6] In questa molecola l'atomo centrale di carbonio si lega covalentemente a quattro atomi di fluoro, raggiungendo così il suo massimo stato di ossidazione (+4), come in CO2, oltre al suo massimo numero di coordinazione.
| Tetrafluorometano | |
|---|---|
| |
 | |
| Nome IUPAC | |
| tetrafluorometano | |
| Nomi alternativi | |
| tetrafluoruro di carbonio perfluorometano Freon 14 Halon 14 R14 | |
| Caratteristiche generali | |
| Formula bruta o molecolare | CF4 |
| Peso formula (u) | 88,0043[1] |
| Aspetto | gas incolore |
| Numero CAS | |
| Numero EINECS | 200-896-5 |
| PubChem | 6393 |
| SMILES | C(F)(F)(F)F |
| Proprietà chimico-fisiche | |
| Temperatura di fusione | 89 K |
| Temperatura di ebollizione | 145,1 ± 0,2 K |
| ΔebH0 (kJ·mol−1) | 11,814 kJ/mol @ 145,12 K |
| ΔebS0 (J·K−1mol−1) | 81,41 J/mol/K @ 145,12 K |
| Punto triplo | 89,4 ± 0,8 K |
| Punto critico | 37,45 bar @ 227,5 K |
| Proprietà termochimiche | |
| ΔfH0 (kJ·mol−1) | −930 ± 20 kJ/mol |
| S0m(J·K−1mol−1) | 261,41 J/(mol·K) |
| C0p,m(J·K−1mol−1) | 80,08 J/(mol·K) @ 145 K (fase liquida) |
| Indicazioni di sicurezza | |
| TLV (ppm) | non definito[2] |
| Simboli di rischio chimico | |
| |
| attenzione | |
| Frasi H | 280 |
| Consigli P | 410+403 [3] |
Il tetrafluoruro di carbonio è anche il primo dei perfluorocarburi, ossia degli idrocarburi in cui tutti gli idrogeni sono sostituiti da altrettanti atomi di fluoro. Come fluido refrigerante è noto anche con la sigla R 14 in ambito commerciale. È anche un potente gas serra,[7] GWP = 6630.[8]
A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore e inodore, non infiammabile, né combustibile, e praticamente inerte nella maggior parte delle situazioni.
Il tetrafluoruro di carbonio è un composto stabilissimo, ΔHƒ° = -930±20 kJ/mol,[9] molto più esotermico dell'anidride carbonica (ΔHƒ° = -393,51±0,13 kJ/mol),[10] a dimostrazione della grande stabilità dei legami carbonio-fluoro.
A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore (Teb ≈ -128 °C, Tcr = -45,6 °C) più denso dell'aria (~ 3 volte), pochissimo solubile in acqua,[11] ma solubile in benzene e in cloroformio.[12]
La molecola CF4 è esattamente tetraedrica e ha perciò simmetria Td,[13] con l'atomo di carbonio centrale ibridato sp3.[14] Il suo momento dipolare è di conseguenza nullo. Il fluoro è l'elemento più elettronegativo e i legami C–F sono i più forti legami semplici del carbonio[15] e anche i legami semplici più polari: la carica parziale sul carbonio di CF4 è stimata in +0,72 e.[16] Inoltre, la loro energia di legame aumenta all'aumentare del numero di fluori legati allo stesso C (fluori geminali) e quindi, tra i fluorometani, è massima in CF4, stimata in ~ 545 kJ/mol,[16] contro un valor medio per il legame C–F di 485 kJ/mol.[17]
Questo effetto tipico legato alla presenza di atomi o leganti uguali in posizione geminale fu inserito da Christian K. Jørgensen nel concetto generale di simbiosi.[18] In ogni caso, il rafforzamento dei legami e l'alta elettronegatività del fluoro, che determina una notevole carica parziale su C, contribuiscono a rendere la molecola praticamente inerte all'azione di ossidanti, agli acidi e agli idrossidi alcalini.[19] Nondimeno, il CF4 subisce l'azione di riducenti molto forti ed è incompatibile con metalli molto reattivi, a contatto con i quali può reagire vigorosamente.[20]
Da indagini spettroscopiche roto-vibrazionali (microonde, infrarosso e Raman) è stato possibile ricavare la struttura geometrica della molecola:[13][21] la lunghezza del legame C–F risulta essere 131,51 pm e questa è più corta della lunghezza media dei legami C–F (135 pm[17]) ed è la più corta nella serie dei fluorometani: 132,84 pm[22] in CHF3, 135,08 pm[23] in CH2F2 e 138,3 pm[24] in CH3F.
Le reciproche distanze tra gli atomi di fluoro (F…F) sono di 214,75 pm,[13] mentre la distanza attesa per interazioni di non legame tra due atomi fluoro sarebbe 2 rvdW, cioè un valore nell'intervallo 300-320 pm;[25] qualitativamente questo fenomeno si riscontra anche negli altri fluorometani.
Il potenziale di ionizzazione del tetrafluoruro di carbonio è elevato, pari a 14,7±0,3 eV,[26] ed è il massimo nella serie dei fluorometani, diminuendo al diminuire del numero dei fluori. Per quanto riguarda l'affinità elettronica, lo ione CF4– non è stato riscontrato in fase gassosa; diversi calcoli teorici stimano valori negativi per la sua affinità elettronica (-0,7 eV),[27] a differenza di quanto accade nel caso del tetracloruro di carbonio, per il quale l'affinità elettronica è nota e positiva, sebbene piccola, valutata in 0,80±0,34 eV.[28]
Il tetrafluoruro di carbonio è una base di Brønsted-Lowry in fase gassosa estremamente debole: la sua affinità protonica è 529,3 kJ/mol;[29] questo è il valore minimo tra i fluorometani, che sono un po' più basici: 619,5 kJ/mol: per CHF3,[30] 620,5 kJ/mol perCH2F2,[31] e 598,9 kJ/mol per CH3F.[32] Tra questi, il CF4 è anche l'unico ad essere meno basico del CH4 (543,5 kJ/mol[33]). Il tetrafluoruro di carbonio è anche meno basico dell'anidride carbonica (540,5 kJ/mol).[34]
Il tetrafluoruro di carbonio può essere preparato in laboratorio a partire da carburo di silicio e fluoro:
La miscela gassosa viene fatta passare attraverso una soluzione acquosa di NaOH che idrolizza il tetrafluoruro di silicio formatosi, bloccandolo nella soluzione come silice variamente idratata e fluoruro di sodio, mentre CF4 non reagisce.[4] Alternativamente, si può far reagire il fluoro con l'anidride carbonica, il monossido di carbonio, o il fluorofosgene:
Un'altra reazione adatta a un laboratorio, fattibile a temperatura ambiente e più facilmente controllabile, parte da calcio cianammide (non inquinata da carbonio) in presenza di quantità catalitiche di fluoruro di cesio:[35]
CaNCN + 3 F2 → CF4 + CaF2 + N2
È altresì possibile ricavare il tetrafluorometano dalla combustione del carbone in presenza di fluoro.
Commercialmente viene preparato mediante fluorurazione di diclorodifluorometano o clorotrifluorometano.
Il tetrafluorometano è una molecola estremamente stabile per via dell'elevata forza del legame C-F. Di conseguenza non è infiammabile e reagisce con estrema difficoltà. È inerte nei confronti di acidi, basi e ossidanti. Tuttavia, come tutti i perfluorocarburi il CF4 reagisce in presenza di metalli alcalini.
Il tetrafluorometano viene usato come fluido refrigerante per applicazioni a bassissima temperatura, viene usato nelle applicazioni di plasma etching o come gas inerte in alcune particolari applicazioni. Ha infatti una temperatura di ebollizione un po' superiore a quella dell'azoto liquido. Tuttavia, il tetrafluorometano presenta alcune problematiche notevoli che solitamente ne scoraggiano l'impiego pratico a favore dell'azoto liquido.
Il tetrafluorometano:
La sua decomposizione termica in presenza di ossigeno e acqua produce gas tossici, fra i quali l'acido fluoridrico, il fluorofosgene e il monossido di carbonio.
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