Clorotrifluorometano

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Clorotrifluorometano
Nome IUPAC
clorotrifluorometano
Nomi alternativi
Freon 13
CFC 13
R 13
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareCClF3
Massa molecolare (u)104,46 g/mol
Aspettogas incolore dall'odore dolciastro
Numero CAS75-72-9
Numero EINECS200-894-4
PubChem6392
SMILES
C(F)(F)(F)Cl
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)1,524 g/mL
Indice di rifrazione1,271 (calcolato)
Solubilità in acqua0,009 % a 25 °C
Temperatura di fusione−181 °C (91.2 K)
Temperatura di ebollizione−81,4 °C (191.7 K)
Tensione di vapore (Pa) a 21 °C K3,263 MPa
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
gas compresso irritante
attenzione
Frasi H280 - 420 [1]
Consigli P410+403
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Il clorotrifluorometano, noto anche con le sigle Freon-13, R-13 e CFC-13, è un alometano tetrasostituito appartenente al gruppo dei clorofluorocarburi di formula CClF3, dove il carbonio ha il suo massimo stato di ossidazione (+4).

È un composto molto stabile: ΔHƒ° = -(710 ± 30) kJ/mol.[2] In condizioni normali è un gas incolore (Teb = -81,5 °C, Tcr = 28,7 °C),[3] non infiammabile e non corrosivo, dal tenue odore etereo dolciastro; è pochissimo solubile in acqua (60,1 mg/L a 25 °C),[4] ma è solubile nei comuni solventi organici come alcool e etere.[5] Veniva utilizzato come fluido refrigerante prima che il suo impiego fosse bandito col protocollo di Montréal, in quanto dannoso per l'integrità dell'ozonosfera avendo un valore di ODP pari a 1. Il CClF3 ha inoltre un elevato indice GWP pari a 14000 (il GWP dell'anidride carbonica vale 1).

Da non confondere con il triclorofluorometano, CCl3F, un altro clorofluorocarburo con struttura molecolare molto simile (ruoli di F e Cl scambiati), che però bolle a 23,6 °C.

Struttura e proprietà

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La molecola CClF3, con l'atomo di carbonio centrale ibridato sp3, è di tipo tetraedrico, ma con simmetria C3v, come per CCl3F.[6] La presenza nei vertici del tetraedro di un atomo (Cl) diverso dagli altri tre (F) fa sì che la somma vettoriale dei quattro momenti di dipolo elettrico non sia nulla, come accade in CCl4 e in CF4, ma ammonti a 0,50 D;[7] di conseguenza, CClF3 è una molecola dotata di una certa polarità.

I dati salienti della geometria molecolare sono i seguenti:[6] il legame C–F (132,5 pm) è ovviamente molto più corto di quello C–Cl (175,2 pm), e lievemente più corto della distanza normale (135 pm[8]); l'angolo FCF è di 108,6°, appena più piccolo del valore teorico di 109,5° e l'angolo FCCl è di 110,3°, un po' più ampio. Per confronto, in CCl3F il legame C–F è un po' più lungo (134,5 pm), quello C–Cl è appena più lungo(176,4 pm), mentre l'angolo FCCl (108,42°) è un po' più stretto.[9][10] Le reciproche distanze tra gli atomi di fluoro sono di 215,20 pm,[6] mentre la distanza attesa per interazioni di non legame tra due atomi fluoro sarebbe 2 rvdW, cioè l'intervallo 300-320 pm;[11] qualitativamente questo fenomeno si riscontra anche negli altri clorofluorometani, CCl2F2, CCl3F, ed anche in CF4.

Il fatto che l'angolo FCF sia più stretto di quello ClCF è un tipico esempio illustrato dalla regola di Bent[12][13] che prevede in questi casi una diversa ripartizione del carattere s per gli orbitali ibridi con cui il carbonio si lega ad atomi più elettronegativi di altri, qui F rispetto ad Cl, e un minor carattere s per gli orbitali ibridi con cui il carbonio si lega ad atomi meno elettronegativi di altri, qui Cl rispetto a F; ovviamente, a minor carattere s corrisponde un maggior carattere p, perché l'ibridazione complessiva dell'atomo di carbonio resta sp3.[14] Un aumento del carattere s comporta un'apertura dell'angolo di legame rispetto all'angolo tetraedrico, e viceversa per la sua diminuzione.[14]

Chimica ionica in fase gassosa

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L'energia di ionizzazione della molecola CClF3 è di 12,6 eV, maggiore di quella di CCl2F2 (12,0 eV), di quella di CCl3F (11,68 eV) e di quella di CCl4 (11,47 eV), ma è minore solo a quella di CF4 (≤ 14,7 eV).[15] Nella serie dei clorofluorometani l'energia di ionizzazione cresce al crescere del numero di atomi di fluoro, l'elemento più elettronegativo.

La molecola può essere protonata in fase gassosa dando lo ione molecolare [CClF3H]+: l'affinità protonica[16] di CClF3 ammonta a 571,3 kJ/mol (5,92 eV), valore di maggior basicità, come atteso, rispetto a CF4 (529,3 kJ/mol, o 5,49 eV).[17]

Sintesi

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È possibile ottenere clorotrifluorometano facendo reagire tetraclorometano e acido fluoridrico in presenza di pentacloruro di antimonio con la funzione di catalizzatore:

CCl4 + 3HF —SbCl5→ CClF3 + 2HCl

I principali prodotti della reazione sono clorotrifluorometano e acido cloridrico con possibile formazione di piccole quantità di triclorofluorometano (CCl3F), diclorodifluorometano (CCl2F2) e tetrafluoruro di carbonio (CF4).

Note

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  1. ^ Scheda del composto su GESTIS [1] consultata il 29.05.2023.
  2. ^ M. W. Chase, NIST-JANAF Themochemical Tables, Fourth Edition, 1998, pp. 1–1951. URL consultato il 21 luglio 2022.
  3. ^ (EN) Chlorotrifluoromethane, su webbook.nist.gov. URL consultato il 18 luglio 2022.
  4. ^ GESTIS-Stoffdatenbank, su gestis.dguv.de. URL consultato il 18 luglio 2022.
  5. ^ CFC-13 (PDF), su hudsontech.com.
  6. ^ a b c CCCBDB listing of experimental data page 2, su cccbdb.nist.gov. URL consultato il 18 luglio 2022.
  7. ^ R. C. Johnson, T. L. Weatherly e Quitman Williams, Dipole Moment of CClF3, in The Journal of Chemical Physics, vol. 35, n. 6, 1º dicembre 1961, pp. 2261–2262, DOI:10.1063/1.1732264. URL consultato il 18 luglio 2022.
  8. ^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, Chimica Inorganica, Principi, Strutture, Reattività, 2ª ed., Piccin, 1999, p. A-25 - A-37, ISBN 88-299-1470-3.
  9. ^ CCCBDB listing of experimental data page 2, su cccbdb.nist.gov. URL consultato il 20 luglio 2022.
  10. ^ (EN) Shigehiro Konaka, Munetaka Takeuchi e Mabao Kimura, The average structure and force constants of gaseous trichlorofluoromethane determined by electron diffraction and spectroscopy, in Journal of Molecular Structure, vol. 131, n. 3, 1º novembre 1985, pp. 317–325, DOI:10.1016/0022-2860(85)87033-2. URL consultato il 20 luglio 2022.
  11. ^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, Chemical Forces, in Chimica Inorganica, Principi, Strutture, Reattività, 2ª ed., Piccin, 1999, p. 300, ISBN 88-299-1470-3.
  12. ^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, Chimica Inorganica, Principi, Strutture, Reattività, 2ª ed., Piccin, 1999, pp. 231-236, ISBN 88-299-1470-3.
  13. ^ A. F. Holleman, E. Wiberg e N. Wiberg, Anorganische Chemie, 103ª ed., De Gruyter, 2016, pp. 398-399, ISBN 978-3-11-026932-1.
  14. ^ a b J. B. Hendrickson, D. J. Cram e G. S. Hammond, CHIMICA ORGANICA, traduzione di A. Fava, 2ª ed., Piccin, 1973, pp. 57-61.
  15. ^ Chemical Formula Search, su webbook.nist.gov. URL consultato il 25 giugno 2022.
  16. ^ L'affinità protonica è una misura della basicità intrinseca di una molecola.
  17. ^ (EN) Chlorotrifluoromethane, su webbook.nist.gov. URL consultato il 21 luglio 2022.

Voci correlate

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Altri progetti

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