Tetrafluorometano
Tetrafluorometano | |
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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,[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.
Il tetrafluoruro di carbonio è anche il primo dei perfluorocarburi,[7] ossia degli idrocarburi in cui tutti gli idrogeni sono sostituiti da altrettanti atomi di fluoro.[8] Come fluido refrigerante è noto anche con la sigla R 14 in ambito commerciale. È anche un potente gas serra,[9] GWP = 6630.[10]
A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore e inodore, non infiammabile, né combustibile, e praticamente inerte nella maggior parte delle situazioni.
Struttura molecolare e proprietà
[modifica | modifica wikitesto]Il tetrafluoruro di carbonio è un composto stabilissimo, ΔHƒ° = -930±20 kJ/mol,[11] la sua formazione è molto più esotermica dell'anidride carbonica (ΔHƒ° = -393,51±0,13 kJ/mol),[12] 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,[13] ma solubile in benzene e in cloroformio.[14]
La molecola CF4 è esattamente tetraedrica (come CH4) e ha perciò simmetria Td,[15] con l'atomo di carbonio centrale ibridato sp3.[16] 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[17] e anche i legami semplici più polari: la carica parziale sul carbonio di CF4 è stimata in +0,72 e.[18] 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,[18] contro un valor medio per il legame C–F di 485 kJ/mol.[19]
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.[20] 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.[21] 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.[22]
Parametri strutturali
[modifica | modifica wikitesto]Da indagini spettroscopiche roto-vibrazionali (microonde, infrarosso e Raman) è stato possibile ricavare la struttura geometrica della molecola:[15][23] 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[19]) ed è la più corta nella serie dei fluorometani: 132,84 pm[24] in CHF3, 135,08 pm[25] in CH2F2 e 138,3 pm[26] in CH3F.
Le reciproche distanze tra gli atomi di fluoro (F…F) sono di 214,75 pm,[15] mentre la distanza attesa per interazioni di non legame tra due atomi fluoro sarebbe 2 rvdW, cioè un valore nell'intervallo 300-320 pm;[27] qualitativamente questo fenomeno si riscontra anche negli altri fluorometani.
Chimica ionica in fase gassosa
[modifica | modifica wikitesto]Il potenziale di ionizzazione del tetrafluoruro di carbonio è elevato, pari a 14,7±0,3 eV,[28] 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),[29] 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.[30]
Il tetrafluoruro di carbonio in fase gassosa è una base di Brønsted-Lowry estremamente debole: la sua affinità protonica è 529,3 kJ/mol;[31] questo è il valore minimo tra i fluorometani, che sono un po' più basici: 619,5 kJ/mol: per CHF3,[32] 620,5 kJ/mol perCH2F2,[33] e 598,9 kJ/mol per CH3F.[34] Tra questi, il CF4 è anche l'unico ad essere meno basico del CH4 (543,5 kJ/mol[35]). Il tetrafluoruro di carbonio è anche meno basico dell'anidride carbonica (540,5 kJ/mol).[36]
Produzione
[modifica | modifica wikitesto]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 fluoruro di carbonile:
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:[37]
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.
Applicazioni
[modifica | modifica wikitesto]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.
Precauzioni
[modifica | modifica wikitesto]Il tetrafluorometano:
- è narcotico in alte concentrazioni
- può essere asfissiante: se si accumula in aree non adeguatamente ventilate, dato che è più denso dell'aria. L'inalazione può causare mal di testa, nausea e se prolungata può provocare danni al sistema cardiovascolare.
- ha un elevato potenziale di riscaldamento globale (6500), e ha una vita nell'atmosfera stimata in 50.000 anni.[38]
La sua decomposizione termica in presenza di ossigeno e acqua produce gas tossici, fra i quali l'acido fluoridrico, il fluoruro di carbonile (COF2) e il monossido di carbonio (CO).
Note
[modifica | modifica wikitesto]- ^ Welcome to the NIST WebBook
- ^ Copia archiviata, su cdc.gov. URL consultato il 4 ottobre 2009 (archiviato dall'url originale l'8 ottobre 2009).
- ^ Sigma Aldrich; rev. del 05.12.2012
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Voci correlate
[modifica | modifica wikitesto]- Tetracloruro di carbonio
- Cloroformio
- Difluorometano
- Fluorometano
- Fluorofosgene
- Affinità protonica
- Effetto serra
- Gas serra
Altri progetti
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