Τριφθοριούχο βόριο

Τριφθοριούχο βόριο
Γενικά
Όνομα IUPAC	Τριφθοριούχο βόριο
Άλλες ονομασίες	Τριφθοροβοράνιο Τριφθοροβόριο Τριφθορίδιο του βορίου
Χημικά αναγνωριστικά
Χημικός τύπος	BF3
Μοριακή μάζα	67,82 amu
Αριθμός CAS	7637-07-2
SMILES	FB(F)F
InChI	1/BF3/c2-1(3)4
Αριθμός EINECS	231-569-5
Αριθμός UN	1008
PubChem CID	6356
ChemSpider ID	6116
Δομή
Μήκος δεσμού	131,3 pm
Είδος δεσμού	πολωμένος ομοιoπολικός 2sp^2-2p
Πόλωση δεσμού	63% (B^+-F^-)
Γωνία δεσμού	120°
Μοριακή γεωμετρία	Τριγωνική επίπεδη
Φυσικές ιδιότητες
Σημείο τήξης	−126,8 °C
Σημείο βρασμού	−100,3 °C
Πυκνότητα	2.178 kg/m^3
Διαλυτότητα στο νερό	Πολύ διαλυτό
Εμφάνιση	Άχρωμο αέριο
Χημικές ιδιότητες
Ελάχιστη θερμοκρασία ανάφλεξης	άφλεκτο
Επικινδυνότητα
Πολύ τοξικό (T+) Διαβρωτικό (C)
Κίνδυνοι κατά NFPA 704	0 4 1
Εκτός αν σημειώνεται διαφορετικά, τα δεδομένα αφορούν υλικά υπό κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος (25°C, 100 kPa).

Το τριφθοριούχο βόριο^[1] είναι ανόργανη χημκή ένωση, που περιέχει βόριο και φθόριο, με μοριακό τύπο BF₃. Το χημικά καθαρό τριφθοριούχο βόριο, στις κανονικές συνθήκες περιβάλλοντος, είναι αποπνικτικό άχρωμο τοξικό αέριο, που σχηματίζει λευκό αερόλυμα σε υγρό αέρα (λόγω μερικής υδρόλυσής του προς βορικό οξύ). Είναι χρήσιμο οξύ κατά Lewis και πρόδρομη ένωση για την παραγωγή άλλων βοριούχων ενώσεων.

Ιστορία

Το τριφθοριούχο βόριο ανακαλύφθηκε το 1808 από τους Ζοζέφ Λουΐς Γκέι - Γουσάκ (Joseph Louis Gay-Lussac) και Λουΐς Ζακ Θέρναρντ (Louis Jacques Thénard), που προσπαθούσαν να απομονώσουν υδροφθορικό οξύ συνδυάζοντας φθοριούχο ασβέστιο και βορικό οξύ. Ωστόσο, οι ατμοί του υλικού που παρήγαγαν δεν χάραζαν το γυαλί, όπως περίμεναν. Για το λόγο αυτό ονόμασαν την (τότε) νέα ένωση «φθοροβορικό αέριο» (fluoboric gas).

Δομή και δεσμολογία

Αντίθετα με τα τριαλογονίδια του αργιλίου, τα τριαλογονίδια του βορίου είναι όλα μονομερικά. Υφίστανται ταχέως αναστρέψιμο διμερισμό, όπως φαίνεται και από την υψηλή ταχύτητα των αντιδράσεων ανταλλαγής αλογόνων:

${\displaystyle \mathrm {BF_{3}+BCl_{3}{\xrightarrow {}}BF_{2}Cl+BFCl_{2}} }$

Εξαιτίας της μεγάλης ευκολίας αυτής της ανταλλαγής, τα μικτά αλογονίδια δεν είναι δυνατό να παραχθούν σε καθαρή μορφή.

Η μοριακή γεωμετρία του τριφθορίδιου του βορίου (BF₃) μπορεί να περιγραφεί ως επίπεδη τριγωνική, με συμμετρία D_3h, σύμφωνα με την πρόβλεψη της θεωρίας VSEPR. Παρόλο που το μόριό του αποτελείται από τρεις πολύ πολωμένους ομοιοπολικούς δεσμούς (63%), η (συνισταμένη) διπολική ροπή είναι μηδενική (0), γιατί οι συνιστώσες αλληλοεξουδετερώνονται εξαιτίας της υψηλής συμμετρίας. Το σύστημα είναι ισοηλεκτρονιακό με το αυτό του ανθρακικού ανιόντος (CO₃^-), αλλά για το τριφθοριούχο βόριο (όπως και άλλες βοριούχες ενώσεις) συχνά αναφέρεται ότι έχουν χάσμα οκτάδας, περιγραφή που ενισχύεται από ρην εξώθερμη αντιδραστικότητά του απέναντι σε βάση κατά Lewis.

Το μήκος δεσμού B-F (131,3 pm) είναι κοντύτερο από το αναμενόμενο για απλό ομοιοπολικό δεσμό μεταξύ των δυο στοιχείων και αυτό εξηγείται από την παρουσία π-δεσμού με το άτομο του φθορίου, λόγω επικάλυψης των p τροχιακών του ατόμου βορίου και των τριών (3) ατόμων φθορίου^[2].

Παραγωγή

1. Το τριφθορίδιο του βορίου παράγεται με επίδραση υδροφθορίου (HF) σε οξείδιο του βορίου (B₂O₃):

${\displaystyle \mathrm {B_{2}O_{3}+6HF{\xrightarrow {}}2BF_{3}+3H_{2}O} }$

• Συνήθως, το υδροφθόριο που χρησιμοποιείται γι' αυτήν την αντίδραση παράγεται in situ από φθορίτη (CaF₂) και θειικό οξύ (H₂SO₄)^[3]:

${\displaystyle \mathrm {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}CaSO_{4}+2HF} }$

2. Σε εργαστηριακή κλίμακα παράγεται και με θερμική διάσπαση κατάλληλων διαζωνιακών αλάτων^[4]:

${\displaystyle \mathrm {PhN_{2}BF_{4}{\xrightarrow {\triangle }}PhF+BF_{3}+N_{2}} }$

Χημικές ιδιότητες

Το τριφθοριούχο βόριο ένα ισχυρό οξύ κατά Lewis που σχηματίζει σύμπλοκα με αντίστοιχες βάσεις κατά Lewis, όπως τα φθορίδια και οι αιθέρες. Π.χ.:

${\displaystyle \mathrm {CsF+BF_{3}{\xrightarrow {}}Cs[BF_{4}]} }$
${\displaystyle \mathrm {ROR{\acute {}}\ +BF_{3}{\xrightarrow {}}BF_{3}OR(R{\acute {}}\ )} }$

Ειδικά το σύμπλοκο BF₃OEt₂ (διαιθυλαιθεροβοριοτριφθορίδιο), είναι ένα υγρό που χρησιμοποιείται συχνά ως φορέας του σχετικά δύσχρηστου (ως πολύ τοξικό αέριο) βοριοτριφθορίδιου. Για τον ίδιο σκοπό χρησιμοποιείται επίσης και το αντίστοιχο σύμπλοκο με το διμεθυλοθειαιθέρα, δηλαδή το BF₃SMe₂ (διμεθυλοθειαιθεροβοριοτριφθορίδιο).

Σύγκριση με την αντίστοιχη συμπεριφορά των άλλων βοριοτριαλογονιδίων

Τα τρία (3) ελαφρύτερα βοριοτριαλογονίδια (BX₃, όπου X: φθόριο, χλώριο, βρώμιο και ιώδιο) σχηματίζουν σταθερά σύμπλοκα με τις συνηθισμένες βάσεις κατά Lewis. Η σχετική σταθερότητά τους μπορεί να μετρηθεί με βάση τη σχετική παραγωγή θερμότητας κατά των σχηματισμό αντίστοιχων συμπλόκων. Με βάση τέτοιες μετρήσεις προέκυψε η ακόλουθη σχετική σειρά ισχύος οξέων κατά Lewis για τα τρία (3) ελαφρύτερα βοριοτριαλογονίδια:

BF₃ < BCl₃ < BBr₃

Αντίθετη όμως είναι η σχετική σειρά ισχύος των π - δεαμών:

BF₃ > BCl₃ > BBr₃

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τα μόρια με τη μικρότερη σχετική ισχύ π- δεσμού να πυραμιδίζονται (δηλαδή να σχηματίζουν πιο εύκολα σύμπλοκα στα οποία η σχετική θέση ατόμων βορίου και αλογόνων να βρίσκονται σε θέσεις κορυφών τριγωνικιής πυραμίδας, αντί σε επίπεδη τριγωνική θέση, όπως στα μόρια των ίδιων των βοριοτριαλογονιδίων) πιο εύκολα^[5]. Οι λόγοι για αυτή τη σχετική διαφοροποίηση της ισχύος των π - δεσμών δεν είναι απόλυτα ξεκαθαρισμένα^[2], αλλά μια σχετική πρόταση θεωρεί ότι η κυριότερη αιτία είναι το σχετικό μέγεθος των ατόμων των αλογόνων. ΄Ετσι, π.χ. το άτομο του φθορίου είναι πολύ μικρότερο από το αντίστοιχο του ιωδίου, με αποτέλεσμα να είναι μεγαλύτερη η επικάλυψη του 2p_z τροχιακού του φθορίου με το (άδειο) 2p_z τροχιακό του βορίου σε σχέση με την επικάλυψη του 5p_z τροχιακού του ιωδίου με το (άδειο) 2p_z τροχιακό του βορίου. Άρα η ισχύς του ημιπολικού δεσμού F→B είναι μεγαλύτερη από αυτή του αντίστοιχου Ι→Β. Μισ άλλη εξήγηση της σχετικής οξύτητας κατά Lewis που δόθηκε είναι ότι για παρόμοιους λόγους (διαφοράς επικάλυψης), εξασθενείται η ισχύς του ημιπολικού δεσμού ${\displaystyle \mathrm {F_{3}B\leftarrow L} }$ σε αχέαη με τον αντίστοιχο ${\displaystyle \mathrm {I_{3}B\leftarrow L} }$, όπου L το κενρικό άτομο της βάσης κατά Lewis με την οποία συμπλοκοποιείται το κάθε βοριοτριαλογονίδιο^[6][7].

Υδρόλυση

Το βοριοτριφθορίδιο αντιδρά με το νερό (H₂O) και δίνει βορικό οξύ (H₃BO₃) και τετραφθοροβορικό οξύ (HBF₄). Η αντίδραση αρχίζει με το σχημματισμό συμπλόκου H₂O→BF₃, που στη συνέχεια χάνει υδροφθόριο (HF), το οποίο δίνει τετραφθοροβορικό οξύ με βοριοτριφθορίδιο που δεν αντέδρασε^[8]:

${\displaystyle \mathrm {4BF_{3}+3H_{2}O{\xrightarrow {}}3HBF_{4}+H_{3}BO_{3}} }$

Πηγές

• http://www.osha.gov/dts/chemicalsampling/data/CH_221700.html Αρχειοθετήθηκε 2008-03-31 στο Wayback Machine.
• https://web.archive.org/web/20090310182250/http://www.cdc.gov/niosh/ipcsneng/neng0231.html
• National Pollutant Inventory - Boron and compounds fact sheet
• National Pollutant Inventory - Fluoride and compounds fact sheet
• WebBook page for BF3 Αρχειοθετήθηκε 2020-12-13 στο Wayback Machine.

Αναφορές και σημειώσεις

1. Για εναλλακτικές ονομασίες δείτε τον πίνακα πληροφοριών.
2. Greenwood, N. N.; A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements, 2nd Edition, Oxford:Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.
3. Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
4. Flood, D. T., "Fluorobenzene", Org. Synth., http://www.orgsyn.org/orgsyn/orgsyn/prepContent.asp?prep=CV2P0295 ; Coll. Vol. 2: 295
5. Cotton, F. A.; Wilkinson, G.; Murillo, C. A.; Bochmann, M. (1999). Advanced Inorganic Chemistry (6th Edn.) New York: Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.
6. Group V Chalcogenide Complexes of Boron Trihalides Boorman, P. M.; Potts, D. Canadian. Journal of Chemistry (Rev. can. chim.) volume 52, (1974) pp 2016-2020
7. T. Brinck, J. S. Murray and P. Politzer (1993). "A computational analysis of the bonding in boron trifluoride and boron trichloride and their complexes with ammonia". Inorg. Chem. 32 (12): 2622–2625. doi:10.1021/ic00064a008.
8. C. A. Wamser, Journal of the American Chemical Society, v. 73, p. 409 (1951)