Фтороводород

Не следует путать с Hf.

Фтороводород
Общие
Систематическое наименование	фтороводород
Химическая формула	HF
Физические свойства
Состояние (ст. усл.)	газ или подвижная жидкость
Отн. молек. масса	20,01 а. е. м.
Молярная масса	20,01 г/моль
Плотность	0,99 г/см³
Термические свойства
Температура плавления	−83,4 °C
Температура кипения	19,54 °C
Критическая точка	188
Энтальпия образования (ст. усл.)	−273,3 кДж/моль
Химические свойства
pKa	3,17
Растворимость в воде	72,47 (20 °C) г/100 мл
Классификация
Рег. номер CAS	7664-39-3

Фтороводоро́д (фтористый водород, гидрофторид, фторид водорода) — бесцветный газ (при нормальных условиях) с резким запахом, при комнатной температуре существует преимущественно в виде димера H₂F₂, ниже 19,9°C — бесцветная подвижная жидкость. Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 35,4 % HF.

Строение молекулы

Молекула фтороводорода сильно полярна, μ = 0,64·10⁻²⁹ Кл·м. Фтороводород в жидком и газообразном состояниях имеет большую склонность к ассоциации вследствие образования сильных водородных связей. Энергия водородных связей FH•••FH приблизительно составляет 42 кДж/моль, а средняя степень полимеризации в газовой фазе (при температуре кипения) ≈4. Даже в газообразном состоянии, фтороводород состоит из смеси полимеров H₂F₂, H₃F₃, H₄F₄, H₅F₅, H₆F₆. Простые молекулы HF существуют лишь при температурах выше 90 °C. Вследствие высокой прочности связи, термический распад фтороводорода становится заметным лишь выше 3500 °C (что выше температуры плавления вольфрама — самого тугоплавкого из металлов). Для сравнения — у воды термический распад становится заметным при температурах выше 2000 °C.

В кристаллическом состоянии HF образует орторомбические кристаллы, состоящие из цепеобразных структур: угол HFH = 116 °, d(F-H) = 95 пм, d(F•••H) = 155 пм. Аналогичные зигзагообразные

цепи с углом HFH = 140°) имеют и полимеры HF, существующие в газовой фазе.

Свойства

Физические свойства

• Критическая температура фтористого водорода 188 °C, критическое давление 64 атм.
• Теплота испарения жидкого HF в точке кипения составляет лишь 7,5 кДж/моль (примерно в 6 раз меньше, чем у воды при 20 °C). Это обусловлено тем, что само по себе испарение мало меняет характер ассоциации фтористого водорода (димерная форма, характерная для жидкости, сохраняется и в парах — в отличие от фазового перехода воды).
• Диэлектрическая проницаемость жидкого фтористого водорода (84 при 0 °C) очень близка к значению д.п. для воды.

Химические свойства

• Химические свойства HF зависят от присутствия воды. Сухой фтористый водород не действует на большинство металлов и не реагирует с оксидами металлов. Однако если реакция начнется, то дальше она некоторое время идет с автокатализом, так как в результате взаимодействия количество воды увеличивается:

$\mathsf{MgO + 2HF \rightarrow MgF_2 + H_2O}$

• Жидкий HF — сильный ионизирующий растворитель. Все электролиты, растворённые в нём, за исключением хлорной кислоты HClO₄, являются основаниями:

$\mathsf{HCl + 2HF \rightleftarrows H_2Cl^+ + HF_2^-}$

В жидком фтороводороде кислотные свойства проявляют соединения, которые являются акцепторами фторид ионов, например BF₃, SbF₅:

$\mathsf{BF_3 + 2HF \rightarrow H_2F^+ + [BF_4]^-}$

Амфотерными соединениями в среде жидкого фтороводорода являются, например, фториды алюминия и хрома(III):

$\mathsf{3NaF + AlF_3 \rightarrow 3Na^+ + [AlF_6]^{3-}}$

(AlF₃ — как кислота)

$\mathsf{AlF_3 + 3BF_3 \rightarrow Al^{3+} + 3[BF_4]^-}$

(AlF₃ — как основание)

• Фтороводород неограниченно растворяется в воде, при этом происходит ионизация молекул HF:

$\mathsf{HF + H_2O \rightleftarrows HF_2^- + H_3O^+}$

K_d= 7,2·10⁻⁴

$\mathsf{HF + F^- \rightleftarrows HF_2^-}$

K_d= 5,1

В водном растворе HF (плавиковая кислота) является кислотой средней силы. Соли плавиковой кислоты называются фторидами. Большинство их трудно растворимо в воде, хорошо растворяются лишь фториды Na, К, Ag, Al, Sn, Ni, и Mn. Все соли плавиковой кислоты ядовиты.

Получение

Фтор со взрывом взаимодействует с водородом даже при низких температурах и (в отличие от хлора) в темноте с образованием фтороводорода:

$\mathsf{H_2 + F_2 \rightarrow 2HF}$

В промышленности фтороводород получают при взаимодействии плавикового шпата и сильных нелетучих кислот (например, серной):

$\mathsf{CaF_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 + 2HF}$

Процесс проводят в стальных печах при 120—300 °C. Части установки, служащие для поглощения фтороводорода, делаются из свинца.

Техника безопасности

Очень ядовит! (первый класс опасности). Фтористый водород (гидрофторид) обладает резким запахом, дымит на воздухе (вследствие образования с парами воды мелких капелек раствора) и сильно разъедает стенки дыхательных путей.

Подробнее о токсикологии фтороводорода см в ст. Плавиковая кислота.

Применение

Применяют для получения криолита, фтористых производных урана, фреонов, фторорганических веществ, матового травления силикатного стекла (плавиковую кислоту — для прозрачного травления). Необычная растворимость биологических молекул в жидком фтороводороде без разложения (напр., белков) используется в биохимии. Добавление в жидкий фтороводород акцепторов фтора позволяет создавать сверхкислые среды.

Любопытные факты

• Известный писатель-фантаст Иван Ефремов написал повесть «Сердце змеи», в которой описал гипотетическую жизнь, образовавшуюся на планете, где основную роль в природе играет не кислород, а фтор, а вместо воды поверхность планеты покрыта океанами фтороводорода. На эту мысль писателя навела глубокая аналогия между свойствами воды и фтороводорода.

• Фтороводород реагирует со стеклом, поэтому он хранится в пластмассовых емкостях. При хранении фтороводорода в стеклянной посуде прибегают к покрытию стекла парафином для защиты его от фтороводорода.

Литература

• Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия» М.: Высшая школа, 2001.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1994.

Ссылки

• Фтороводород

Растворимость кислот, оснований и солей в воде

H+

Li+

K+

Na+

NH4+

Ba2+

Ca2+

Mg2+

Sr2+

Al3+

Cr3+

Fe2+

Fe3+

Ni2+

Co2+

Mn2+

Zn2+

Ag+

Hg2+

Hg22+

Pb2+

Sn2+

Cu+

Cu2+

OH−

P

P

P

—

P

М

Н

М

Н

Н

Н

—

Н

Н

Н

Н

Н

—

—

Н

Н

Н

Н

F−

P

Н

P

P

Р

М

Н

Н

М

Р

Н

Н

Н

Р

Р

М

Р

Р

М

М

Н

Р

Н

Р

Cl−

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

Р

Н

М

—

Н

Р

Br−

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Н

М

Н

М

Р

H

Р

I−

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

?

Р

—

Р

Р

Р

Р

Н

Н

Н

Н

М

Н

—

S2−

P

P

P

P

—

Р

М

Н

Р

—

—

Н

—

Н

Н

Н

Н

Н

Н

—

Н

Н

Н

Н

SO32−

P

P

P

P

Р

М

М

М

Н

?

?

М

?

Н

Н

Н

М

Н

Н

Н

Н

?

Н

?

SO42−

P

P

P

P

Р

Н

М

Р

Н

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

М

—

Н

Н

Р

Р

Р

NO3−

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

Р

—

Р

—

Р

Р

NO2−

P

P

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

?

?

?

?

Р

М

?

?

М

?

?

?

?

?

?

PO43−

P

Н

P

P

—

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

Н

?

Н

Н

Н

Н

CO32−

М

Р

P

P

Р

Н

Н

Н

Н

—

—

Н

—

Н

Н

—

—

Н

—

Н

—

—

?

—

CH3COO−

P

Р

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

—

Р

Р

—

Р

Р

Р

Р

Р

Р

М

Р

—

Р

Р

CN−

P

Р

P

P

Р

Р

Р

Р

Р

?

Н

Н

—

Н

Н

Н

Н

Н

Р

Н

Р

—

—

Н

SiO32−

H

Н

P

P

?

Н

Н

Н

Н

?

?

Н

?

?

?

Н

Н

?

?

?

Н

?

?

?

 

Соединения фтора

Гексафторалюминат натрия (Na₃AlF₆) • Гексафтороантимонат водорода (HSbF₆) • Гексафторид платины (PtF₆) • Гексафторид селена (SeF₆) • Гексафторид теллура (TeF₆) • Гексафторогерманат калия (K₂[GeF₆]) • Гексафторогерманат рубидия (Rb₂[GeF₆]) • Гексафторогерманат цезия (Cs₂[GeF₆]) • Гексафторосиликат(IV) калия (K₂[SiF₆]) • Гексафторосиликат натрия (Na₂SiF₆) • Гексафторплатинат ксенона (XePtF₆) • Гексафторсиликат аммония ((NH₄)₂SiF₆) • Гептафторид рения (ReF₇) • Гептафторониобат(V) калия (K₂[NbF₇]) • Гидрофторид аммония ([NH₄][HF₂]) • Гидрофторид калия (HF₂K) • Декафторид дисеры (S₂F₁₀) • Диоксидифторид (F₂O₂) • Диоксидифторид молибдена(VI) (MoF₂O₂) • Дифтордиазин (N₂F₂) • Дифторид радона (F₂Rn) • Кремнефтористоводородная кислота (H₂SiF₆) • Монофторид алюминия (AlF) • Монофторид углерода (CF) • Оксид-фторид урана (UO₂F₂) • Окситетрафторид вольфрама(VI) (WOF₄) • Окситетрафторид молибдена(VI) (MoOF₄) • Оксифторид иттрия (YOF)  • Оксифторид лантана(III) (LaOF)  • Оксотетрафторид ксенона (XeOF₄) • Оксотрифторид ванадия(V) (F₃OV) • Пентафторид висмута (BiF₅) • Пентафторид мышьяка (AsF₅) • Пентафторид сурьмы (SbF₅) • Пентафторид урана (UF₅) • Пентафторид фосфора (PF₅) • Субфторид серебра (Ag₂F) • Тетрафторалюминат калия (KAlF₄) • Тетрафтороборат лития (LiBF₄) • Тетрафтороборат меди(II) (Cu(BF₄)₂) • Тетрафтороборат натрия (NaBF₄) • Тетрафтороборат нитрозила (BF₄NO) • Тетрафтороборат нитрония (BNO₂F₄) • Тетрафтороборат серебра (AgBF₄) • Тетрафторборная кислота (HBF₄) • Тетрафторид дибора (B₂F₄) • Тетрафторид кремния (SiF₄) • Тетрафторид селена (SeF₄) • Тетрафторид теллура (TeF₄) • Тетрафторгидразин (N₂F₄) • Трифторид алюминия (AlF₃) • Трифторид бора (BF₃) • Трифторид мышьяка (AsF₃) • Трифторид висмута (BiF₃) • Трифторид сурьмы (SbF₃) • Трифторид тиазила (NSF₃) • Трифторид фосфора (PF₃) • Фторфосфат натрия (Na₂PFO₃) • Фторамин (NH₂F) • Фторид азота(III) (NF₃) • Фторид аммония (NH₄F) • Фторид бария (BaF₂) • Фторид бериллия (BeF₂) • Фторид брома(I) (BrF) • Фторид брома(III) (BrF₃) • Фторид брома(V) (BrF₅) • Фторид ванадия(III) (VF₃) • Фторид ванадия(IV) (VF₄) • Фторид ванадия(V) (VF₅) • Фторид вольфрама(VI) (WF₆) • Фторид галлия(III) (GaF₃) • Фторид гафния(IV) (HfF₄) • Фторид дейтерия (DF) • Фторид диртути(2+) (Hg₂F₂) • Фторид железа(II) (FeF₂) • Фторид железа(III) (FeF₃) • Фторид золота(III) (AuF₃) • Фторид золота(V) (AuF₅) • Фторид индия(III) (InF₃) • Фторид иода(I) (IF) • Фторид иода(III) (IF₃) • Фторид иода(V) (IF₅) • Фторид иода(VII) (IF₇) • Фторид иридия(IV) (IrF₄) • Фторид иридия(V) (IrF₅) • Фторид иридия(VI) (IrF₆) • Фторид иттербия(III) (YbF₃) • Фторид иттрия (YF₃) • Фторид иттрия-лития (LiYF₄) • Фторид кадмия (CdF₂) • Фторид калия (KF) • Фторид кальция (CaF₂) • Фторид кислорода(II) (OF₂) • Фторид кобальта(II) (CoF₂) • Фторид кобальта(III) (CoF₃) • Фторид криптона(II) (KrF₂) • Фторид ксенона(II) (XeF₂) • Фторид ксенона(IV) (XeF₄) • Фторид ксенона(VI) (XeF₆) • Фторид лития (LiF) • Фторид магния (MgF₂) • Фторид марганца(II) (MnF₂) • Фторид марганца(III) (MnF₃) • Фторид меди(I) (CuF) • Фторид меди(II) (CuF₂) • Фторид молибдена(VI) (MoF₆) • Фторид натрия (NaF) • Фторид никеля(II) (NiF₂) • Фторид ниобия(V) (NbF₅) • Фторид нитрозила) (NOF) • Фторид оксида азота(IV) (NO₂F) • Фторид оксида серы(IV) (SO₂F₂) • Фторид олова(II) (SnF₂) • Фторид олова(IV) (SnF₄) • Фторид плутония(III) (PuF₃) • Фторид плутония(IV) (PuF₄) • Фторид плутония(VI) (PuF₆) • Фторид радия (RaF₂) • Фторид рения(IV) (ReF₄) • Фторид рения(VI) (ReF₆) • Фторид рения(VII) (ReF₇) • Фторид ртути(II) (HgF₂) • Фторид рубидия (RbF) • Фторид самария(III) (SmF₃) • Фторид свинца(II) (PbF₂) • Фторид серебра(I) (AgF) • Фторид серебра(II) (AgF₂) • Фторид серы(IV) (SF₄) • Фторид серы(VI) (SF₆) • Фторид скандия(III) (ScF₃) • Фторид стронция (SrF₂) • Фторид таллия(I) (TlF) • Фторид тантала(V) (TaF₅) • Фторид теллура(IV) (TeF₄) • Фторид технеция(VI) (TcF₆) • Фторид тиазила (NSF) • Фторид тианила (SOF₂) • Фторид титана(III) (TiF₃) • Фторид титана(IV) (TiF₄) • Фторид тория(IV) (ThF₄) • Фторид урана(III) (UF₃) • Фторид урана(IV) (UF₄) • Фторид урана(V) (UF₅) • Фторид урана(VI) (UF₆) • Фторид хлора(I) (ClF) • Фторид хлора(III) (ClF₃) • Фторид хлора(V) (ClF₅) • Фторид хрома(III) (CrF₃) • Фторид хрома(IV) (CrF₄) • Фторид хрома(V) (CrF₅) • Фторид цезия (CsF) • Фторид цинка (ZnF₂) • Фторид циркония(IV) (ZrF₄) • Фторид-хлорид оксида серы(IV) (ClFO₂S) • Фторноватистая кислота (HOF) • Фтороводород (HF) • Фторосульфоновая кислота (FSO₃H) • Фторид хлорила (ClO₂F) • Фторид перхлорила (ClO₃F) • Фторид оксиперхлорила (ClO₃OF)