miniatura|Molècules de CFC obtingudes per la substitució d'àtoms d'hidrogen per àtoms de fluor i/o clor
Els clorofluorocarbonis o clorofluorocarburs (també anomenats CFC) són compostos orgànics derivats dels hidrocarburs saturats obtinguts principalment mitjançant la substitució d'àtoms d'hidrogen per àtoms de fluor o clor.
El 1926, Thomas Midgley, Jr i Charles Franklin Kettering van formular una combinació de gasos que van denominar "Freons". Aquests compostos gasosos corresponen al nom comercial del grup que es coneix genèricament com clorofluorocarbonis. Un fluoroclorocarboni és un compost format principalment per carboni, que conté fluor i clor formant estructures estables. Van ser descoberts el 1920 i són, en gran part, els responsables de la reducció de la capa d'ozó. Aquests compostos es formen per halogenació de metà i són els productes de residus industrials. Durant dècades, l'ús dels clorofluorocarbonis va ser molt eficaç i ideal per molts propòsits. No són tòxics, ni corrosius, ni inflamables i a poc reactius. A conseqüència d'aquestes propietats tan idònies, han estat els compostos químics per excel·lència en sistemes de refrigeració, d'aire condicionat, com a dissolvents i precursors en aerosols i extintors. Finalment, una de les grans propietats del clorofluorocarbonis és la seva excel·lència com a aïllant tèrmic. Els exemples més importants de clorofluorocarbonis són:
Nom comercial Fórmula química Producció (Tm) CFC-11 CFCl3 39.303 CFC-12 CF2Cl2 1.453 CFC-113 CF2ClCFCl2 59.470 CFC-114 CF2ClCF2Cl 115 CFC-115 CF3CF2Cl 700 Nomenclatura El sistema de nomenclatura dels clorofluorocarbonis va ser desenvolupat per T.Midgley,Jr i A.L.Henne el 1929 i perfeccionat per J.D.Park. Inicialment, les molècules orgàniques que contenien clor i fluor es van anomenar CFC. Actualment, el grup es divideix en CFC,HCFC i HFC. El sistema de nomenclatura consisteix en:
CFC-01234a :
0 Nombre de dobles enllaços (s'omet si és zero) 1 Àtoms de carboni -1 (s'omet si és zero) 2 Àtoms d'hidrogen +1 3 Àtoms de fluor 4 Àtoms de clor substituïts per brom a s'afegeix per identificar isòmers, l'isòmer "normal" en qualsevol nombre té la diferència de massa més petita en cada carboni i, a, b o c s'afegeix quan les masses divergeixen de lo normal.
Si el compost és cíclic, aleshores el número precedit per C. Hi ha altres refrigerants, alguns dels quals són hidrocarburs, mescles d'hidrocarburs o mescles de CFC. Tots els detalls del sistema de nomenclatura s'especifiquen en la norma ANSI/ASHRAE 34-1992 amb suplements anuals addicionals. Els noms químics s'utilitzen amb freqüència en lloc del nom sistemàtic com per exemple el tricloroetilè i cloroform.
Estructura, propietats i composició Els clorofluorocarbonis (CFC) són hidrocarburs saturats que contenen àtoms de clor i fluor que substitueixen de forma parcial o total els àtoms d'hidrogen formant una estructura tetraèdrica. Els clorofluorocarbonis són compostos orgànics volàtils, tot i que menys que els seus anàlegs hidrogenats, degut a la polaritat d'enllaç que produeix interaccions moleculars. Les seves temperatures d'ebullició es troben entre -50 °C i -120 °C.
Són substàncies inerts i molt estables que tenen un temps de residència molt gran, és a dir, que tendeixen a romandre en l'atmosfera durant anys fins que esdevé pols o s'allibera. Per exemple, pel més persistent s'ha estimat un temps de residència del voltant de 100 anys. Per altra banda són substàncies menys inflamables que els alcans dels quals deriven, això es deu al fet que atrapen els radicals formats pels halurs que es troben en el medi.
Són compostos de baixa densitat, viscositat i de baixa solubilitat en aigua.
Una de les característiques més importants és la seva estabilitat tèrmica, és per això que s'utilitzen com a aïllants en espumes, ja que suporten una temperatura fins a 200 °C, tot i que si la piròlisi es produeix en un ambient humit, els clorofluorocarbonis es degraden amb més facilitat com a resultat de la reacció clorur i fluorur d'hidrogen, gasos que són irritants pels humans en petites quantitats. Tenen una baixa tensió superficial amb relació a la majoria de compostos orgànics.
Un factor a tenir en compte, és el canvi que es produeix en determinades propietats amb la substitució d'àtoms de clor per àtoms de fluor. Si introduïm àtoms de fluor en la molècula substituint àtoms de clor, aquest nou enllaç està més polaritzat que l'anterior. A més, l'àtom de fluor és més petit que l'àtom de clor i això provoca una disminució del valor d'algunes propietats com la temperatura d'ebullició, la densitat o la solubilitat en aigua.
Reactivitat Transport en el medi A causa de l'alta pressió de vapor dels clorofluorocarbonis, l'atmosfera n'és el principal mitjà de transport. Així, la majoria de les transformacions químiques dels CFCs es produeixen en aquest medi. És important entendre el transport en el medi dels CFC per explorar la reactivitat d'aquests compostos. La majoria dels CFC introduïts com a residus en els sistemes aquàtics volatilitzen a l'atmosfera. Un cop a la troposfera, eventualment difonen a l'estratosfera o són portats de tornada a la superfície a través de les precipitacions (Callahan et al., 1979). En els casos d'absorció significativa als sòls, la volatilització d'aquests compostos serà més lenta que en els sistemes aquàtics, tot i que volatilització pot seguir sent el principal procés de transport en els sòls.
Processos de degradació i transformació del medi ambient Oxidació No es disposa d'informació relativa a l'oxidació dels CFC en el medi ambient aquàtic en condicions ambientals. Pel que fa a l'oxidació atmosfèrica el CFC-11 o CFC-12, dos dels CFC més comuns, són coneguts per ser relativament estables respecte als atacs dels radicals hidroxil presents a la troposfera (Lillian et al, 1975.; L'EPA dels EUA, 1975; Cox et al, 1976;. Hanst, 1978).
Hidròlisi Els clorofluorocarbonis exhibeixen una velocitat d'hidròlisi baixa en comparació amb altres compostos halogenats, i les velocitats d'hidròlisi es veuen molt afectades per la temperatura, la pressió, i la presència de materials catalítics com ara els metalls. En el cas de la hidròlisi del CFC-12 i, possiblement, el mateix es produiria en altres CFC, s'observa una velocitat d'hidròlisi insignificant en comparació amb la taxa de volatilització i la posterior foto-dissociació.
Fotòlisi L'ozó atmosfèric impedeix que pràcticament tota la llum de longituds d'ona inferiors a 290 nm arribi a la superfície de la terra. Atès que la longitud d'ona de la llum solar a altituds per sota dels 50 km és més gran de 280 nm, i que aquest valor està per sobre de la longitud d'ona absorbida pels clorofluorocarbonis, no hi ha cap mecanisme per a la foto alteració directa d'aquests productes químics en l'atmosfera inferior. Els CFC no foto-dissocien a la troposfera, ja que no absorbeixen la radiació en longituds d'ona superior a 200 nm (Hanst, 1978). Amb el temps difonen a l'estratosfera on descomponen per acció de la radiació ultraviolada, més energètica (longitud d'ona més curta). La reacció més important dels CFC és l'escissió foto-induïda d'un enllaç C-Cl. El radical clor, escrit sovint Cl•, es comporta de manera molt diferent de la molècula de clor (Cl₂). Aquest radical té una vida a l'atmosfera superior bastant llarga, on catalitza la conversió d'ozó en O₂. La dissociació fotoquímica dels CFC per la intensa radiació ultraviolada produeix radicals de clor tal que:
CF₂Cl₂ + hν → Cl• + CClF₂
A continuació, el radical lliure clor format pot reaccionar amb molècules com l'ozó donant com a productes O₂ (oxigen gasós) i ClO• (monòxid de clor):
Cl + O₃ → O₂ + ClO•
El monòxid de clor pot reaccionar amb una altra molècula d'O₃ formant dos molècules d'O₂ i alliberant radical lliure de clor (Cl∙) preparat per a repetir el cicle de reacció:
ClO• + O₃ → 2O₂ + Cl•
El cicle continua fins que el clor s'uneix a una substància diferent de l'O₃ formant una substància resistent a la fotòlisi o una substància més densa.“FULLY HALOGENATED CHLOROFLUOROCARBONS"
Aplicacions Els clorofluorocarbonis són útils per moltes aplicacions. A més del seu ús com a refrigerants domèstics i aires acondicionats, han estat utilitzats com a precursors en aerosols, en la producció d'escumes i, posteriorment, com a productes de neteja en la indústria informàtica.
Contaminació Ambiental Els principals problemes mediambientals causats per la presència del components clorofluorocarbonis (CFC) en l'atmosfera són la destrucció de la capa d'ozó i l'efecte hivernacle i per conseqüència l'escalfament global.
Destrucció de la capa d'ozó Les primeres especulacions sobre la possibilitat de la reducció de l'ozó estratosfèric va aparèixer per primera vegada a principis de la dècada del 1970 i es va centrar sobre les conseqüències de les grans quantitats d'òxid de nitrogen que s'injectaven en l'atmosfera superior procedents de les aeronaus supersòniques que volaven a gran alçada. Aquestes preocupacions es van anar disminuint gradualment, perquè les quantitats d'òxids de nitrogen que podien intervenir no van ser suficients per causar una greu amenaça per a la capa d'ozó. No obstant això, va aparèixer la preocupació per la contaminació dels halògens de l'atmosfera superior a mitjans de la dècada de 1970 on els principals halògens de preocupació immediata foren el clor i el brom. La principal font per la formació del clor són els Clorofluorocarbonis (CFC), d'origen antropogènic que s'alliberen d'esprais, certes escumes de plàstic, refrigeradors, i aparells d'aire condicionat.
Molts dels gasos emesos com a resultat d'activitats industrials es poden acumular en l'atmosfera i en última instància contribuir a alteracions en la distribució i concentració de l'ozó estratosfèric. Entre els més importants són els gasos traça que tenen llargs temps de residència i això permet acumulació a la troposfera i la migració a l'estratosfera on contribueixen a l'esgotament de l'ozó estratosfèric.
El major culpable en la disminució de la capa d'ozó són els clorofluorocarbonis, aquests compostos són volàtils, i encara que no siguin tòxics es mantenen durant anys en l'atmosfera, i entren en l'estratosfera on la intensa radiació ultra violeta provoca la dissociació fotoquímica dels CFC produint radicals de clor.
CF₂Cl₂ + hv → Cl∙+ CClF₂
Com a producte es forma un àtom de clor amb un electró lliure, anomenat radical, que és molt reactiu i amb una gran afinitat per l'ozó:
Cl· + O₃ → O₂ + ClO·
La reacció és catalítica, la teoria estima que només un àtom de clor pot destruir fins a 100.000 molècules d'ozó. El producte format de monòxid de clor pot tornar a reaccionar amb una altra molècula d'ozó formant dos molècules d'oxigen i deixar el radical clor lliure que tornarà a repetir el cicle de reacció:
ClO· + O₃ → 2O₂ + Cl·
El cicle continua fins que el radical clor s'uneix a una substància diferent que formi un compost resistent a la fotòlisi o un compost més dens. Aquest fenomen provoca la destrucció de la capa d'ozó, fet que provoca l'augmenta de l'entrada de raig UV –B a la superfície de la Terra causant problemes greus com càncer de pell, cataractes, disminució del fitoplàncton, etc.
Efecte hivernacle L'efecte hivernacle és el procés pel qual l'atmosfera d'un planeta fa que s'escalfi, permetent l'entrada de radiació solar visible, però impedint o dificultant l'emissió de calor des del planeta per l'absorció de la radiació per certs gasos de l'atmosfera. Com a resultat es reté la calor i no s'allibera en l'espai. L'augment de la temperatura és causada per l'acumulació en l'atmosfera de gasos tal com el diòxid de carboni, metà, òxid de nitrogen.