Fluorihiilivedyt

kemialliset ominaisuudet

Perfluorialkaanit ovat hyvin stabiileja, koska hiili-fluorisidos on orgaanisen kemian vahvimpia.Sen vahvuus on seurausta fluorin elektronegatiivisuudesta, joka antaa osittaisen ionisen luonteen hiili-ja fluoriatomien osittaisten varausten kautta, jotka lyhentävät ja vahvistavat sidosta suotuisien kovalenttisten vuorovaikutusten kautta. Lisäksi useat hiili–fluorisidokset lisäävät muiden lähellä olevien hiili-fluorisidosten lujuutta ja stabiilisuutta samassa geminaalihiilessä, koska hiilellä on suurempi positiivinen osittaisvaraus. Lisäksi useat hiili–fluorisidokset vahvistavat induktiivisesta vaikutuksesta syntyviä ”luuston” hiili-hiili-sidoksia. Siksi tyydyttyneet fluorihiilivedyt ovat kemiallisesti ja termisesti stabiilimpia kuin niiden vastaavat hiilivetyvastineet ja itse asiassa mikään muu orgaaninen yhdiste. Ne ovat alttiita hyvin voimakkaiden reduktanttien hyökkäyksille, esim. Koivun pelkistys ja hyvin erikoistuneet organometallikompleksit.

Fluorihiilivedyt ovat värittömiä ja niiden tiheys on suuri, jopa yli kaksinkertainen veteen verrattuna. Ne eivät sekoitu useimpien orgaanisten liuottimien kanssa (esim.etanoli, asetoni, etyyliasetaatti ja kloroformi), mutta sekoittuvat joidenkin hiilivetyjen kanssa (esim. heksaani joissakin tapauksissa). Niiden liukoisuus veteen on hyvin alhainen, ja veden liukoisuus niihin on hyvin alhainen (luokkaa 10 ppm). Niiden taitekerroin on alhainen.

C δ + – F δ – {\displaystyle {\ce {{\overset {\delta+} {C}}-{\overset {\delta -} {F}}}}}

polarisoituneen hiili-fluorisidoksen osittaisvaraukset

koska fluorin korkea elektronegatiivisuus vähentää atomin polarisoituvuutta, fluorihiilivedyt ovat vain heikosti alttiita ohikiitäville dipoleille, jotka muodostavat Lontoon dispersiovoiman perustan. Tämän vuoksi fluorihiilivedyillä on vain vähän intermolekulaarisia puoleensavetäviä voimia, ja ne ovat lipofobisia sen lisäksi, että ne ovat hydrofobisia ja ei-polaarisia. Heijastaen heikkoja molekyylien välisiä voimia näillä yhdisteillä on alhainen viskositeetti verrattuna nesteisiin, joilla on samanlainen kiehumispiste, alhainen pintajännitys ja alhainen höyrystymislämpö. Fluorihiilivetyjen vähäiset vetovoimat tekevät niistä kokoonpuristuvia (pieniä bulkkimoduuleja) ja kykenevät liuottamaan kaasua suhteellisen hyvin. Pienemmät fluorihiilivedyt ovat erittäin haihtuvia. Perfluorialkaanikaasuja on viisi: tetrafluorimetaani (BP -128 °C), heksafluorietaani (BP -78,2 °C), oktafluoripropaani (bp -36,5 °C), perfluori-n-butaani (bp -2,2 °C) ja perfluori-iso-butaani (bp -1 °C). Lähes kaikki muut fluorialkaanit ovat nesteitä; merkittävin poikkeus on perfluorisykloheksaani, joka sublimoituu 51 °C: n lämpötilassa.Fluorihiilivedyillä on myös pienet pintaenergiat ja suuret dielektriset vahvuudet.

• Perfluoroalkanes

• Carbon tetrafluoride, the simplest perfluoroalkane

• Perfluorooctane, a linear perfluoroalkane

• Perfluoro-2-methylpentane, a branched perfluoroalkane

• Perfluoro-1,3-dimethylcyclohexane, a cyclic perfluoroalkane

• Perfluorodecalin, a polycyclic perfluoroalkane

FlammabilityEdit

In the 1960-luvulla fluorihiilivedyt herättivät paljon kiinnostusta puudutusaineina. Tutkimus ei tuottanut nukutusaineita, mutta tutkimus sisälsi testejä syttyvyydestä ja osoitti, että tutkitut fluorihiilivedyt eivät olleet syttyviä ilmassa missään suhteessa, vaikka suurin osa kokeista tehtiin puhtaassa hapessa tai puhtaassa typpioksiduulissa (anestesiologian kannalta tärkeissä kaasuissa).

vuonna 1993 3M piti fluorihiilivetyjä palosammuttimina korvaamaan CFC-yhdisteitä. Sammutusvaikutuksen on arveltu johtuvan niiden suuresta lämpökapasiteetista, joka vie lämpöä pois palosta. On esitetty, että ilmakehä, jossa on huomattava määrä perfluorihiilivetyjä avaruusasemalla tai vastaavalla, estäisi tulipalot kokonaan.Palamisen yhteydessä syntyy myrkyllisiä kaasuja, kuten karbonyylifluoridia, hiilimonoksidia ja vetyfluoridia.

kaasua liuottavat ominaisuudet

Perfluorihiilivedyt liuottavat suhteellisen suuria määriä kaasuja. Kaasujen suuri liukoisuus johtuu näiden fluorihiilivetyjen heikoista keskinäisistä vuorovaikutuksista.

taulukossa on liuenneen typen mooliosuuden x1 arvot, jotka on laskettu veri–kaasu-jakaantumiskertoimesta lämpötilassa 298,15 K (25 °C), 0,101325 M Pa.

ManufactureEdit

fluorihiiliteollisuuden kehitys osui toisen maailmansodan aikaan. sitä ennen fluorihiilivetyjä valmistettiin fluorin ja hiilivetyjen välisellä reaktiolla eli suoralla fluorauksella. Koska C-C-sidokset pilkkoutuvat helposti fluorilla, suoralla fluorauksella saadaan pääasiassa pienempiä perfluorihiilivetyjä, kuten tetrafluorimetaania, heksafluorietaania ja oktafluoripropaania.

Fowler processEdit

merkittävä läpimurto, joka mahdollisti fluorihiilivetyjen laajamittaisen valmistuksen, oli Fowler-prosessi. Tässä prosessissa fluorin lähteenä käytetään kobolttitrifluoridia. Kuvaava on perfluoriheksaanin synteesi:

c6h14 + 28 CoF3 → C6F14 + 14 HF + 28 CoF2

syntyvä kobolttidifluoridi regeneroidaan tämän jälkeen, joskus erillisessä reaktorissa:

2 CoF2 + F2 → 2 CoF3

teollisesti molemmat vaiheet yhdistetään, esimerkiksi flutec-sarjan fluorihiilivetyjen valmistuksessa F2 chemicals Ltd: n toimesta, käyttäen pystysuora sekoitettu bed reaktori, jossa hiilivetyä lisätään pohjaan, ja fluori lisätään puolivälissä reaktorin. Fluorihiilihöyry otetaan talteen päältä.

sähkökemiallinen fluorausedit

sähkökemiallinen fluoraus (ECF) (tunnetaan myös nimellä Simonien prosessi) tarkoittaa vetyfluoridiin liuotetun substraatin elektrolyysiä. Koska fluori itse valmistetaan fluorivetyjen elektrolyysillä, ECF on hieman suorempi reitti fluorihiilivetyihin. Prosessi etenee pienjännitteellä (5-6 V) niin, että vapaa fluori ei vapaudu. Substraatin valinta on rajoitettua, koska ihanteellisesti sen pitäisi liuketa vetyfluoridiin. Tyypillisesti käytetään eettereitä ja tertiäärisiä amiineja. Perfluoriheksaanin valmistukseen käytetään triheksyyliamiinia, esimerkiksi:

N(C6H13)3 + 45 HF → 3 C6F14 + NF3 + 42 H2

myös perfluorattua amiinia valmistetaan:

n(C6H13)3 + 39 HF → N(C6F13)3 + 39h2

ympäristö-ja terveyskonsernitedit

fluorialkaanit ovat yleensä inerttejä ja myrkyttömiä.

Fluorialkaanit eivät aiheuta otsonikerrosta heikentäviä aineita, koska ne eivät sisällä kloori-tai bromiatomeja, ja niitä käytetään joskus otsonikerrosta heikentävien kemikaalien korvikkeina.Termiä fluorohiili käytetään melko löyhästi tarkoittamaan mitä tahansa fluoria ja hiiltä sisältävää kemikaalia, myös otsonikerrosta heikentäviä kloorifluorihiilivetyjä. Fluorialkaanit sekoitetaan joskus fluorosurfaktanteihin, jotka biokertyvät merkittävästi.

perfluorialkaanit eivät eliöstöity; lääketieteellisissä toimenpiteissä käytettävät aineet erittyvät elimistöstä nopeasti pääasiassa vanhetessaan ja erittyessään höyrynpaineen vaikutuksesta; oktafluoripropaanin puoliintumisaika on alle 2 minuuttia, kun perfluorodekaliinin puoliintumisaika on noin viikko.

PFC-14: n ja PFC-116: n pitoisuus ilmakehässä verrattuna vastaaviin ihmisen aiheuttamiin halogenoituihin kaasuihin vuosien 1978 ja 2015 välillä (oikea kaavio). Huomaa logaritminen asteikko.

matalalla kiehuvat perfluorialkaanit ovat voimakkaita kasvihuonekaasuja, mikä johtuu osittain niiden erittäin pitkästä eliniästä ilmakehässä, ja niiden käyttö kuuluu Kioton pöytäkirjan piiriin. Monien kaasujen lämmityspotentiaali (verrattuna hiilidioksidin) löytyy IPCC: n 5.arviointiraportista, jonka alla on ote muutamista perfluorialkaaneista.

The aluminium sulattoteollisuus on ollut merkittävä ilmakehän perfluorihiilivetyjen (erityisesti tetrafluorimetaani ja heksafluorietaani) lähde, jota tuotetaan elektrolyysin sivutuotteena. Teollisuus on kuitenkin ollut viime vuosina aktiivisesti mukana päästöjen vähentämisessä.

ApplicationsEdit

koska perfluorialkaanit ovat inerttejä, niillä ei ole periaatteessa mitään kemiallista käyttöä, mutta niiden fysikaaliset ominaisuudet ovat johtaneet niiden käyttöön monissa erilaisissa sovelluksissa. Näitä ovat:

• Perfluorihiilivedyn merkkiaine
• nestemäinen Dielektrinen
• Kemiallinen kaasufaasipinnoitus
• orgaaninen Rankiinisykli
• Fluoroinen kaksifaasinen katalyysi
• kosmetiikka
• Suksivahat
• Suksivahat

sekä useita lääketieteellisiä käyttötarkoituksia:

• nestemäinen hengitys
• Verenkorvike
• Varjoainetehostettu ultraääni
• silmäleikkaus
• tatuoinnin poisto