Tetrafluorometano

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
Aspetto	gas incolore
Numero CAS	75-73-0
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
Simboli di rischio chimico
attenzione
Frasi H	280
Consigli P	410+403

Il tetrafluoruro di carbonio, 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. 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, 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, GWP = 6630.

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

Il tetrafluoruro di carbonio è un composto stabilissimo, ΔH_ƒ° = -930±20 kJ/mol. A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore (T_eb ≈ -128 °C, T_cr = -45,6 °C) più denso dell'aria (~ 3 volte), pochissimo solubile in acqua, ma solubile in benzene e in cloroformio.

La molecola CF₄ è esattamente tetraedrica e ha perciò simmetria T_d, con l'atomo di carbonio centrale ibridato sp³. 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 e anche i legami semplici più polari: la carica parziale sul carbonio di CF₄ è stimata in +0,72 e. 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, contro un valor medio per il legame C–F di 485 kJ/mol. Questo effetto tipico legato alla presenza di atomi o leganti uguali in posizione geminale fu inserito da C. K. Jørgensen nel concetto generale di simbiosi. 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. Tuttavia, il CF₄ subisce l'azione di riducenti molto forti ed è incompatibile con metalli molto reattivi, a contatto con i quali può reagire vigorosamente.

Da indagini spettroscopiche roto-vibrazionali (microonde, infrarosso e Raman) è stato possibile ricavare la struttura geometrica della molecola: 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) ed è la più corta nella serie dei fluorometani: 132,84 pm in CHF₃, 135,08 pm in CH₂F₂ e 138,3 pm in CH₃F.

Le reciproche distanze tra gli atomi di fluoro (F…F) sono di 214,75 pm, mentre la distanza attesa per interazioni di non legame tra due atomi fluoro sarebbe 2 r_vdW, cioè un valore nell'intervallo 300-320 pm; qualitativamente questo fenomeno si riscontra anche negli altri fluorometani.

Chimica ionica in fase gassosa

Il potenziale di ionizzazione del tetrafluoruro di carbonio è elevato, pari a 14,7±0,3 eV, 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), 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.

Il tetrafluoruro di carbonio è una base di Brønsted-Lowry in fase gassosa estremamente debole: la sua affinità protonica è 529,3 kJ/mol; questo è il valore minimo tra i fluorometani, che sono un po' più basici: 619,5 kJ/mol: per CHF₃, 620,5 kJ/mol perCH₂F₂, e 598,9 kJ/mol per CH₃F. Tra questi, il CF₄ è anche l'unico ad essere meno basico del CH₄ (543,5 kJ/mol).

Produzione

Il tetrafluoruro di carbonio può essere preparato in laboratorio a partire da carburo di silicio e fluoro:

${\displaystyle {\ce {SiC + 2 F2 -> CF4 + SiF4}}}$

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. Alternativamente, si può far reagire il fluoro con l'anidride carbonica, il monossido di carbonio, o il fluorofosgene:

${\displaystyle {\ce {CO2 + 2 F2 -> CF4 + O2}}}$

${\displaystyle {\ce {CO + F2 -> COF2}}}$

${\displaystyle {\ce {COF2 + F2 -> CF4 + 1/2 O2}}}$

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:

CaNCN + 3 F₂ → CF₄ + CaF₂ + N₂

È altresì possibile ricavare il tetrafluorometano dalla combustione del carbone in presenza di fluoro.

${\displaystyle {\ce {C + 2 F2 -> CF4}}}$

Commercialmente viene preparato mediante fluorurazione di diclorodifluorometano o clorotrifluorometano.

${\displaystyle {\ce {Cl2CF2 + 2 HF -> CF4 + 2HCl}}}$

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

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

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 (7390), e ha una vita nell'atmosfera stimata in 50.000 anni.

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.

Altri progetti

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su tetrafluorometano