Τριφθοριούχο άζωτο

Τριφθοριούχο άζωτο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Τριφθοριούχο άζωτο
Άλλες ονομασίες	Τριφθοραμίνη Τριφθοραμμωνία
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	ΝF3
Μοριακή μάζα	71,00 amu
Αριθμός CAS	7783-54-2
SMILES	FN(F)F
InChI	1S/F3N/c1-4(2)3
Αριθμός EINECS	232-007-1
Αριθμός RTECS	QX1925000
Αριθμός UN	2451
PubChem CID	24553
ChemSpider ID	22959
Δομή
Διπολική ροπή	0,234 D
Μήκος δεσμού	137 pm
Είδος δεσμού	πολωμένος ομοιοπολικός δεσμός
Πόλωση δεσμού	20% Ν^+ F^-
Γωνία δεσμού	102,5°
Μοριακή γεωμετρία	τριγωνική πυραμιδική
Ισομέρεια
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−207,15 °C
Σημείο βρασμού	−129,06 °C
Πυκνότητα	3,003 kg/m³ (1 atm, 15 °C) 1.885 kg/m³ (σημείο βρασμού)
Διαλυτότητα στο νερό	210 kg/m³
Δείκτης διάθλασης , nD	1,0004
Τάση ατμών	>1 atm (20 °C)[1]
Χημικές ιδιότητες
Επικινδυνότητα
Άφλεκτο
LD50	2.000 ppm (ποντίκια, 4 ώρες) 9.600 ppm (σκύλοι, 1 ώρα) 7.500 (πίθηκοι, 1 ώρα) 6.700 ppm (αρουραίοι, 1 ώρα) 7.500 (ποντίκια, 1 ώρα)[2]
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	0 1 0
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

To τριφθοριούχο άζωτο ή τριφθοραμίνη (αγγλικά: nitrogen trifluoride) είναι ανόργανη χημική ένωση, που περιέχει άζωτο και φθόριο, με μοριακό τύπο NF₃. Μπορεί να θεωρηθεί ότι παράγεται από την αμμωνία (NH₃), αν όλα τα άτομα υδρογόνου της άτομα φθορίου. Ανήκει στις φθοραμίνες. Το χημικά καθαρό τριφθοριούχο άζωτο, στις συνθήκες αναφοράς, δηλαδή σε θερμοκρασία 25 °C και υπό πίεση 1 atm, είναι άχρωμο, άοσμο και άφλεκτο αέριο. Βρίσκει αυξανόμενη εφαρμογή ως χαρακτικό μέσο για κατασκευή μικροηλεκτρονικών συσκευών.

Μοριακή δομή

Η μοριακή δομή του τριφθοριούχου αζώτου αντιστοιχεί γεωμετρικά στο γεωμετρικό στερεό της τριγωνικής πυραμίδας, με το άτομο του αζώτου στην κορυφή και τα άτομα του φθορίου στη βάση της. Επειδή το φθόριο είναι ηλεκτραρνητικότερο του αζώτου, ο βαθμός οξείδωσης του αζώτου στη διφθοραμίνη είναι +3.

Δεσμοί[3]
Δεσμός	τύπος δεσμού	ηλεκτρονική δομή	Μήκος δεσμού	Ιονισμός
N-F	σ	2sp³-2sp³	137 pm	20% N^+ F^-
Κατανομή φορτίωνσε ουδέτερο μόριο
F	-0,20
N	+0,60

Παραγωγή

Το τριφθοριούχο άζωτο είναι δυαδικό φθορίδιο που μπορεί να παραχθεί απευθείας με ολική σύνθεση από τα χημικά στοιχεία που το αποτελούν (άζωτο και φθόριο, δηλαδή), αλλά μόνο υπό ασυνήθιστες συνθήκες, όπως ηλεκτρική εκκένωση:^[4]

${\displaystyle \mathrm {N_{2}+3F_{2}{\xrightarrow {\eta \lambda \epsilon \kappa \tau \rho \iota \kappa {\acute {\eta }}\;\epsilon \kappa \kappa {\acute {\epsilon }}\nu \omega \sigma \eta }}2NF_{3}} }$

Μετά από την πρώτη απόπειρα σύνθεσης της ένωσης, το 1903, ο Όττο Ρουφφ (Otto Ruff) παρασκεύασε τριφθοριούχο άζωτο με ηλεκτρόλυση λυωμένου μείγματος από φθοριούχο αμμώνιο (NH₄F) και υδροφθορίου.^[5]. Στις μέρες μας, το τριφθοριούχο άζωτο παράγεται τόσο απευθείας με φθορίωση της αμμωνίας, όσο και με κάποια παραλλαγή της μεθόδου Ρουφφ: ^[6]

${\displaystyle \mathrm {2NH_{3}+6F_{2}{\xrightarrow {}}2NF_{3}+6HF} }$

Η προμήθειά του γίνεται στη μορφή αερίου συμπιεσμένου μέσα σε κυλίνδρους.

Ιδιότητες

Το τριφθοριούχο άζωτο αποδείχθηκε ότι είναι πολύ λιγότερο δραστικό από τα άλλα τριαλογονίδια του αζώτου, δηλαδή από το τριχλωριούχο άζωτο (NCl₃), από το τριβρωμιούχο άζωτο (NBr₃) και από το τριιωδιούχο άζωτο (NI₃), που όλα τους είναι εκρηκτικά. Κι αυτό συμβαίνει γιατί το τριφθοριούχο άζωτο είναι το μόνο από τα τριαλογονίδια του αζώτου που έχει αρνητική ενθαλπία σχηματισμού.

Το τριφθοριούχο άζωτο είναι ελαφρά διαλυτό στο νερό και χωρίς να υφίσταται υδρόλυση. Είναι μη βασικό, με διπολική ροπή 0,2340 D έναντι 1,47 D της αμμωνίας, που είναι βασική. ^[7] Αυτή η διαφορά προκύπτει από το γεγονός ότι τα άτομα φθορίου λειτουργούν ως ηλεκτρονιόφιλες ομάδες, που έλκουν ουσιαστικά ολόκληρο το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων στο άτομο του αζώτου. Ωστόσο, το τριφθοριούχο άζωτο έχει δυναμικό υποτονικού (έστω) οξειδωτικού. Για παράδειγμα, οξειδώνει το υδροχλώριο σε (στοιχειακό) χλώριο:

${\displaystyle \mathrm {2NF_{3}+6HCl{\xrightarrow {}}6HF+N_{2}+3Cl_{2}} }$

Ακόμη, αν έρθει σε επαφή με μέταλλα, μετατατρέπεται σε τετραφθορυδραζίνη, αλλά αυτό γίνεται μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα:

${\displaystyle \mathrm {2NF_{3}+Cu{\xrightarrow {}}N_{2}F_{4}+CuF_{2}} }$

Το τριφθοριούχο άζωτο αντιδρά με (στοιχειακό) φθόριο και πενταφθοριούχο αντιμόνιο, δίνοντας τετραφθοραμμωνιακό άλας:

${\displaystyle \mathrm {NF_{3}+F_{2}+SbF_{5}{\xrightarrow {}}NF_{4}SbF_{6}} }$

Εφαρμογές

Το τριφθοριούχο άζωτο χρησιμοποιήθηκε σε χάραγμα με πλάσμα γκοφρεττών πυριτίου. Στις μέρες μας, το φθοριούχο άζωτο χρησιμοποιείται κυρίως για καθαρισμό των θαλάμων χημικής χάραξης με πλάσμα απόθεσης ατμών (Plasma-Εnhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) σε παραγωγή υψηλού όγκου οθονών υγρού κρυστάλλου και σε φωτοβολταϊκά λεπτού στρώματος πυριτίου. Σε αυτές οι εφαρμογές τριφθοριούχου αζώτου τελικά διάσπάται in situ με χρήση πλάσματος. Τα άτομα φθορίου που παράγονται με την παραπάνω διεργασία λειτουργούν ως καθαριστικά μέσα που επιδρούν σε πολυπυρίτιο , σε αζωτούχο πυρίτιο (Si₃N₄) και σε οξείδια του πυριτίου (SiO_x). Το τριφθοριούχο άζωτο μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης καλά μαζί με διπυριτιούχο βολφράμιο (WSi₂) και βολφράμιο παραγμένο με χημική απόθεση ατμών (Chemical Vapor Deposition, CVD). Το τριφθοριούχο άζωτο θεωρείται περιβαντολλογικά προτιμητέο υποκατάστατο του εξαφθοριούχου θείου (SF₆) ή περιφθοράνθρακες, όπως το εξαφθοραιθάνιο (C₂F₆). Η διαδικασία χρησιμοποίησης χημικών με διεργασίες πλάσματος έχει τυπικά απόδοση κάτω του 20%. Για το λόγο αυτό, κάποιο ποσοστό από τα αναφερόμενα χρησιμοποιούμενα υλικά, συμπεριλαμβανομένου κάποιου ποσοστού τριφθοριούχου αζώτου, πάντα απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Τα σύγχρονα συστήματα χειρισμού αερίου μπορούν να μειώσουν (σχετικά) αυτές τις εκπομπές. Το στοιχειακό φθόριο έχει προταθεί ως περιβαντολλοντικά φιλικότερο από το τριφθοριούχο άζωτο σε κατασκευές επίπεδων οθονών και φωτοβολταϊκά λεπτού στρώματος.^[8]

Το τριφθοριούχο άζωτο χρησιμοποιήθηκε επίσης σε λέιζερ υδροφθορίου (HF) και δευτεριοφθορίου (DF), που είναι τύπο χημικών λέιζερ. Προτιμάται, σε σύγκριση με το στοιχειακό φθόριο, εξαιτίας των ιδιοτήτων του που σχετίζονται με το (σχετικά) πιο βολικό χειρισμό του τριφθοριούχου αζώτου (σε σύγκριση πάντα με το στοιχειακό φθόριο), συνεκτιμώντας και την αξιοσημείωτη σταθερότητα (του τριφθοριούχου αζώτου).

Το τριφθοριούχο άζωτο είναι συμβατό με το χάλυβα, το μονέλ, καθώς και με αρκετά πλαστικά υλικά.

Ασφάλεια

Η επαφή του δέρματος με τριφθοριούχο άζωτο δεν είναι βλαβερή και προκαλεί σχευικά μικρό ερεθισμό στις βλεννογόνες μεμβράνες και στα μάτια. Είναι, όμως, ερεθιστικό για τους πνεύμονες, με τοξικότητα ανάλογη με αυτήν των οξειδίων του αζώτου. Υπερέκθεση σε τριφθοριούχο άζωτο μέσω της εισπνοής του προκαλεί μετατροπή της αιμογλοβίνης του αίματος σε μεταιμογλοβίνη, που μπορεί να οδηγήσει σε κατάσταση μεταιμογλοβαιμίας.^[9] Το Εθνικό Ίδρυμα Επαγγελματικής Ασφάλειας και Υγείας (National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH) των ΗΠΑ, εξειδικεύει ότι η συγκέντρωση που είναι άμεσα επικίνδυνη για τη ζωή ή την υγεία (Immediately Dangerous to Life or Health, IDLH value) για το τριφθοριούχο άζωτο ανέρχεται σε 1.000 ppm.^[10]

Αέριο θερμοκηπίου

Το τριφθοριούχο άζωτο είναι αέριο θερμοκηπίου, με παγκόσμιο δυναμικό θέρμανσης (Global Warming Potential, GWP) 17.200 φορές μεγαλύτερο του διοξειδίου του άνθρακα, όταν το τελευταίο συγκρίνεται σε μια χρονική περίοδο 100 ετών.^[11][12][13] Αυτό το παγκόσμιο δυναμικό θέρμανσης είναι δεύτερο, μετά από μόνο το εξαφθοριούχο θείο (SF₆), στη ομάδα των αναγνωρισμένων από τη σύνοδο του Κυότο αερίων θερμοκηπίου. Το τριφθοριούχο άζωτο εντάχθηκε στην παραπάνω αναφερόμενη ομάδα αερίων από το 2013 και την έναρξη της δεύτερης περιόδου δέσμευσης του Πρωτοκόλλου του Κυότο. Εκτιμήθηκε ότι η ατμοσφαιρική διάρκεια ζωής του τριφθοριούχου αζώτου είναι 740 χρόνια,^[11] παρόλο που άλλες εργασίες προτείνουν ότι διάρκεια ατμοσφαιρικής ζωής του τριφθοριούχου αζώτου είναι 550 χρόνια, που αντιστοιχούν σε GWP = 16.800.^[14]

Αναφορές και σημειώσεις

1. NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards #0455". National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
2. "Nitrogen trifluoride". Immediately Dangerous to Life and Health. National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
3. Τα δεδομένα προέρχονται εν μέρει από το «Table of periodic properties of thw Ellements», Sagrent-Welch Scientidic Company, με βάση τις τιμές ηλεκτραρνητικότητας των στοιχείων, από τα οικεία λήμματα της ελληνόφωνης Βικιπαίδειας.
4. Lidin, P. A.· Molochko, V. A.· Andreeva, L. L. (1995). Constants of Inorganic Substances Химические свойства неорганических веществ (στα Ρωσικά). σελίδες 442–455. ISBN 1-56700-041-X. 
5. Otto Ruff, Joseph Fischer, Fritz Luft (1928). «Das Stickstoff-3-fluorid». Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 172 (1): 417–425. doi:10.1002/zaac.19281720132. 
6. Philip B. Henderson, Andrew J. Woytek "Fluorine Compounds, Inorganic, Nitrogen" in Kirk‑Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1994, John Wiley & Sons, NY. Article Online Posting Date: December 4, 2000
7. Thomas M. Klapötke "Nitrogen–fluorine compounds" Journal of Fluorine Chemistry Volume 127, 2006, pp. 679–687.
8. Philip B. Henderson, Andrew J. Woytek "Fluorine Compounds, Inorganic, Nitrogen" in Kirk‑Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1994, John Wiley & Sons, NY. Article Online Posting Date: December 4, 2000
9. Malik, Yogender (3 Ιουλίου 2008). «Nitrogen trifluoride – Cleaning up in electronic applications». Gasworld. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 4 Αυγούστου 2008. Ανακτήθηκε στις 15 Ιουλίου 2008. 
10. «Immediately Dangerous to Life or Health Concentrations (IDLH): Nitrogen Trifluoride». National Institute for Occupational Safety and Health. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 22 Απριλίου 2016. Ανακτήθηκε στις 4 Απριλίου 2016. 
11. Climate Change 2007: The Physical Sciences Basis. IPCC. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter2.pdf. Ανακτήθηκε στις 2008-07-03 
12. Robson, J. I.; Gohar, L. K.; Hurley, M. D.; Shine, K. P.; Wallington, T. (2006). «Revised IR spectrum, radiative efficiency and global warming potential of nitrogen trifluoride». Geophys. Res. Lett. 33 (10): L10817. doi:10.1029/2006GL026210. Bibcode: 2006GeoRL..3310817R. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2012-03-29. https://web.archive.org/web/20120329061300/http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=17893800. Ανακτήθηκε στις 2016-04-04. 
13. Richard Morgan (2008-09-01). «Beyond Carbon: Scientists Worry About Nitrogen’s Effects». The New York Times. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2008-09-07. https://www.webcitation.org/query?url=http%3A%2F%2Fwww.nytimes.com%2F2008%2F09%2F02%2Fscience%2F02nitr.html%3Fref%3Dscience&date=2008-09-07. Ανακτήθηκε στις 2008-09-07. 
14. Prather, M.J.; Hsu, J. (2008). «NF₃, the greenhouse gas missing from Kyoto». Geophys. Res. Lett. 35 (12): L12810. doi:10.1029/2008GL034542. Bibcode: 2008GeoRL..3512810P. http://www.agu.org/journals/gl/gl0812/2008GL034542/.