Clofluorocarbon

Clofluorocarbon, thường được biết đến với tên viết tắt là CFC, là một nhóm các hợp chất hữu cơ có halogen hoàn toàn hóa, chỉ chứa cacbon, clo và fluor; được sản xuất dưới dạng các dẫn xuất dễ bay hơi của khí methan, etan và propan.

Nó cũng thường được gọi là Freon, một thương hiệu của DuPont. Đại diện phổ biến nhất của CFC là dichlorodifluoromethan (hay còn gọi là R12 hoặc Freon-12). Nhiều loại CFC đã được sử dụng rộng rãi như là chất làm lạnh, chất đẩy (trong các ứng dụng bình xịt) và dung môi.

Bởi vì CFC đóng vai trò trong sự suy giảm ôzôn ở tầng cao của không khí, việc sản xuất các hợp chất này đã bị cấm theo Nghị định Montreal và hiện nay chúng đang được thay thế bằng các sản phẩm như các hydrofluorocarbon (HFC), ví dụ như R-410A và R-134a.

Cấu trúc

Tương tự như các ankan đơn giản, cacbon trong các liên kết CFC có cấu trúc đối xứng tứ diện. Vì fluor và clo có kích thước và điện tích hiệu dụng khác nhau từ hydrogen, CFC có nguồn gốc từ methane mà không hoàn toàn đối xứng tứ diện hoàn hảo. Các tính chất vật lý của CFC và HCFC có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số lượng và tính chất của các nguyên tử halogen. Chúng có xu hướng bay hơi dễ, nhưng ít hơn so với các ankan mẹ. Việc bay hơi giảm được cho là do tính phân cực do halogen gây ra, tạo ra các tương tác giữa các phân tử. Ví dụ, khí methane sôi ở -161 °C trong khi fluoromethane sôi từ -51,7 (CF₂H₂) đến -128 °C (CF₄). Các CFC thậm chí có điểm sôi cao hơn do chloride có tính phân cực mạnh hơn fluor. Do tính phân cực này, CFC là dung môi hữu ích và điểm sôi của chúng làm cho chúng thích hợp làm chất làm lạnh. CFC khó cháy hơn methane, một phần là do chúng có ít liên kết C-H hơn và một phần là do chloride và bromide giải phóng để dập tắt các gốc tự do duy trì sự cháy.

Mật độ của CFC cao hơn so với ankan tương ứng của chúng. Tổng quan mật độ của các hợp chất này tương ứng với số lượng chloride.

CFC và HCFC thường được tạo ra bằng cách trao đổi halogen, bắt đầu từ các dẫn xuất đã clo hóa của methane và ethane. Ví dụ minh họa là tổng hợp chlorodifluoromethane từ chloroform:

HCCl₃ + 2 HF → HCF₂Cl + 2 HCl

Các dẫn xuất brom hóa được sản xuất bằng cách thay thế các liên kết C-H bằng các liên kết C-Br trong các phản ứng gốc tự do của chlorofluorocarbon. Ví dụ minh họa là sản xuất thuốc gây mê 2-bromo-2-chloro-1,1,1-trifluoroethane ('halothane'):

CF₃CH₂Cl + Br₂ → CF₃CHBrCl + HBr

Phản ứng

Phản ứng quan trọng nhất của các CFC là sự phân rã quang của một liên kết C-Cl:

CCl₃F → CCl₂F + Cl

Nguyên tử clo, viết tắt là Cl, hoạt động rất khác với phân tử clo (Cl₂). Nguyên tử Cl tồn tại lâu hơn ở tầng cao của khí quyển, nơi mà nó làm xúc tác cho quá trình chuyển đổi ozon thành O₂. Ozon hấp thụ bức xạ UV-B, do đó sự giảm thiểu của nó cho phép nhiều bức xạ năng lượng cao này tiếp cận bề mặt Trái Đất. Brom là một chất xúc tác hiệu quả hơn nhiều; do đó các CFC brom hóa cũng được điều chỉnh.

Ứng dụng

Các CFC và HCFC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ vào tính chất thấp độc, ít phản ứng và khả năng chống cháy. Tất cả các biến thể của chúng, từ fluor, clo và hydro, được dựa trên mẫu methane và ethane và đã được thương mại hóa rộng rãi. Ngoài ra, nhiều dạng cũng đã được biết đến với số lượng cacbon cao hơn và các hợp chất liên quan chứa brom. Các ứng dụng bao gồm làm lạnh, chất tạo khí, chất đẩy trong y tế và dung môi tẩy dầu mỡ.

Hàng tỷ kilogram chlorodifluoromethan được sản xuất mỗi năm để sản xuất tetrafluoroethylene, một monomer dùng để sản xuất Teflon.

Các lớp hóa chất, danh pháp

• Các chlorofluorocarbon (CFC): Khi tạo từ methane và ethane, các hợp chất này có công thức chung CCl_mF_4−m và C₂Cl_mF_6−m; trong đó m ≠ 0.
• Các hydro-chlorofluorocarbon (HCFC): Khi tạo từ methane và ethane, các hợp chất này có công thức chung CCl_mF_nH_4−m−n và C₂Cl_xF_yH_6−x−y; trong đó m, n, x và y ≠ 0.
• Và các bromofluorocarbon có công thức tương tự như CFC và HCFC nhưng có chứa brom.
• Các hydrofluorocarbon (HFC): Khi tạo từ methane, ethane, propane và butane, các hợp chất này có công thức chung CF_mH_4−m, C₂F_mH_6−m, C₃F_mH_8−m và C₄F_mH_10−m; trong đó m ≠ 0.

Hệ thống đánh số

Các ancan fluor hóa sử dụng hệ thống đánh số đặc biệt, với tiền tố như Freon-, R-, CFC- và HCFC-. Giá trị cuối cùng bên phải chỉ số nguyên tử fluor, giá trị tiếp theo về bên trái chỉ số nguyên tử hydro cộng 1, và giá trị tiếp theo bên trái chỉ số nguyên tử cacbon trừ 1 (không hiển thị giá trị bằng 0), các nguyên tử còn lại là clo.

Ví dụ, Freon-12 chỉ ra rằng đó là một dẫn xuất của methane (có 2 chữ số) chứa 2 nguyên tử fluor (số 2 ở cuối cùng bên phải) và không chứa hydro (1 - 1 = 0). Vì vậy, công thức của nó là CCl₂F₂.

Một phương trình khác cũng áp dụng để tính toán công thức chính xác của các hợp chất CFC / R / Freon bằng cách cộng (+) 90. Kết quả thu được, tính từ trái sang phải, bao gồm số lượng nguyên tử cacbon là chữ số đầu tiên, nguyên tử hydro là chữ số thứ hai và nguyên tử fluor là chữ số thứ ba. Các nguyên tử cacbon không liên kết nào được chiếm bởi số nguyên tử clo. Giá trị thu được từ phương trình này luôn có 3 chữ số. Ví dụ như CFC-12, ta có 90 + 12 = 102, do đó có 1 nguyên tử cacbon, 0 nguyên tử hydro, 2 nguyên tử fluor và do đó còn 2 liên kết clo, tạo ra công thức CCl₂F₂. Ưu điểm chính của phương pháp suy luận thành phần phân tử này so với phương pháp mô tả ở đoạn trên là ở phương pháp này nó cho biết số lượng nguyên tử cacbon của phân tử.

Các Freon chứa brom được ký hiệu bằng 4 chữ số. Các đồng phân (thường gặp với các dẫn xuất từ ethane và propane) được chỉ ra bằng các chữ cái sau các chữ số:

An toàn

Theo bảng dữ liệu an toàn hóa chất (MSDS), các CFC và HCFC là chất lỏng và khí không màu, dễ bay hơi, độc hại, có mùi thơm ngọt. Tiếp xúc quá mức ở nồng độ 11% hoặc cao hơn có thể gây chóng mặt, mất tập trung, suy nhược hệ thần kinh trung ương và/hoặc loạn nhịp tim. Chất thay thế không khí và có thể gây khó thở trong không gian hẹp. Mặc dù không cháy, sản phẩm đốt cháy của chúng bao gồm axit fluorhydric và các hợp chất liên quan. Môi trường làm việc thường xuyên được đánh giá ở mức 0,07%, không gây nguy hiểm đối với sức khỏe nghiêm trọng.