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, ΔHƒ° = (-930 ± 20) kJ/mol, la sua formazione è molto più esotermica dell'anidride carbonica (ΔHƒ° = (-393,51±0,13) kJ/mol), 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, ma solubile in benzene e in cloroformio.
La molecola CF4 è esattamente tetraedrica (come CH4) e ha perciò simmetria Td, 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 Christian 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. 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. Parametri strutturali 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 il doppio del raggio di van der Waals di F, cioè l'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 in fase gassosa è una base di Brønsted-Lowry 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). Il tetrafluoruro di carbonio è anche meno basico dell'anidride carbonica (540,5 kJ/mol).
Produzione Il tetrafluoruro di carbonio può essere preparato in laboratorio a partire da carburo di silicio e fluoro: SiC + 4 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 fluoruro di carbonile:
CO2 + 2 F2 -> CF4 + O2 CO + F2 -> COF2 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.
C + 2 F2 -> CF4
Commercialmente viene preparato mediante fluorurazione di diclorodifluorometano o clorotrifluorometano con acido fluoridrico:
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 (6500), 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 fluoruro di carbonile (COF2) e il monossido di carbonio (CO).
Note
Voci correlate
Tetracloruro di carbonio Cloroformio Difluorometano Fluorometano Fluoruro di carbonile Affinità protonica Effetto serra Gas serra
Altri progetti
Categoria:Alometani Categoria:Fluidi refrigeranti Categoria:Organofluoruri