Trifluoruro de cloro

Trifluoruro de cloro es un compuesto interhalógeno con la fórmula ClF₃ . Este gas incoloro, venenoso, corrosivo y extremadamente reactivo se condensa en un líquido amarillo verdoso pálido, la forma en la que se vende con mayor frecuencia (presurizado a temperatura ambiente). A pesar de ser famoso por sus propiedades de oxidación extrema y por encender muchas cosas, el trifluoruro de cloro no es combustible en sí mismo. El compuesto es de interés principalmente en operaciones de limpieza y grabado sin plasma en la industria de semiconductores, en el procesamiento de combustible de reactores nucleares, históricamente como componente de combustibles para cohetes, y en varias otras operaciones industriales debido a su naturaleza corrosiva.

Preparación, estructura y propiedades

Fue reportado por primera vez en 1930 por Ruff y Krug, quienes lo prepararon mediante fluoración de cloro; esto también produjo monofluoruro de cloro (ClF) y la mezcla se separó por destilación.

3 F₂ + Cl₂ → 2 ClF₃

La geometría molecular ClF₃ es aproximadamente en forma de T, con un lazo corto (1.598 Å) y dos lazos largos (1.698 Å). Esta estructura coincide con la predicción de la teoría VSEPR, que predice pares solitarios de electrones como ocupar dos posiciones ecuatoriales de una hipotética bipirámide trigonal. Los lazos axiales alargados Cl-F son consistentes con la unión hipervalente.

El ClF₃ puro es estable hasta 180 °C (356 °F) en recipientes de cuarzo; por encima de esta temperatura, se descompone mediante un mecanismo de radicales libres en sus elementos constituyentes.

Reacciones

Las reacciones con muchos metales dan cloruros y fluoruros. Con fósforo, se obtiene tricloruro de fósforo (PCl₃) y pentafluoruro de fósforo (PF₅), mientras que el azufre produce dicloruro de azufre (SCl₂) y tetrafluoruro de azufre (SF₄ ). ClF₃ también reacciona con agua para dar fluoruro de hidrógeno y cloruro de hidrógeno, junto con oxígeno y difluoruro de oxígeno ( DE₂):

ClF₃ + H₂O → HF + HCl + OF₂

ClF₃ + 2H₂O → 3HF + HCl + O₂

También convertirá muchos óxidos metálicos en haluros metálicos y oxígeno o difluoruro de oxígeno.

Ocurre como ligando en el complejo CsF(ClF₃)₃.

Uno de los usos principales del ClF₃ es producir hexafluoruro de uranio, UF₆, como parte del procesamiento y reprocesamiento de combustible nuclear, mediante la fluoración del uranio metálico:

U + 3 ClF₃ → UF₆ + 3 ClF

El compuesto también se puede disociar según el esquema:

ClF₃ → ClF + F₂

Usos

Industria de semiconductores

En la industria de los semiconductores, el trifluoruro de cloro se utiliza para limpiar las cámaras de deposición química de vapor. Tiene la ventaja de que se puede utilizar para retirar material semiconductor de las paredes de la cámara sin necesidad de desmontar la cámara. A diferencia de la mayoría de los productos químicos alternativos utilizados en esta función, no es necesario activarlo mediante el uso de plasma, ya que el calor de la cámara es suficiente para descomponerlo y reaccionar con el material semiconductor.

Propulsor de cohetes

El trifluoruro de cloro se ha investigado como un oxidante almacenable de alto rendimiento en sistemas propulsores de cohetes. Sin embargo, las preocupaciones sobre el manejo limitan gravemente su uso. El siguiente pasaje del científico espacial John D. Clark se cita ampliamente en las descripciones de la naturaleza extremadamente peligrosa de la sustancia:

Es, por supuesto, extremadamente tóxico, pero ese es el menor problema. Es hipergolico con cada combustible conocido, y tan rápidamente hipergolico que no se ha medido ningún retraso de ignición. También es hipergolica con cosas como ropa, madera y ingenieros de pruebas, por no mencionar el amianto, la arena y el agua, con las que reacciona explosivamente. Se puede conservar en algunos de los metales estructurales ordinarios —talón, cobre, aluminio, etc.— debido a la formación de una fina película de fluoruro de metal insoluble que protege la mayor parte del metal, al igual que la capa invisible de óxido en el aluminio lo impide quemar en la atmósfera. Si, sin embargo, este abrigo se derrite o se corta, y no tiene oportunidad de reformar, el operador se enfrenta al problema de hacer frente a un fuego metal-fluorina. Para lidiar con esta situación, siempre he recomendado un buen par de zapatos de correr.

El pentafluoruro de cloro (ClF₅) también se ha investigado como posible oxidante de cohetes. Ofrecía un impulso específico mejorado respecto al trifluoruro de cloro, pero con las mismas dificultades de manipulación. Ninguno de los compuestos se ha utilizado en ningún sistema operativo de propulsión de cohetes.

Aplicaciones militares propuestas

Bajo el nombre en clave N-Stoff ("sustancia N"), el trifluoruro de cloro fue investigado para aplicaciones militares por el Instituto Kaiser Wilhelm en la Alemania nazi poco antes del inicio de la Segunda Guerra Mundial. Se realizaron pruebas con maquetas de las fortificaciones de la Línea Maginot y se descubrió que era un arma incendiaria y un gas venenoso extremadamente eficaz. A partir de 1938 se inició la construcción de una fábrica de municiones de 14.000 m² (150.000 sq ft), en parte con refugio y en parte subterránea, el complejo industrial de Falkenhagen, que debía producir 90 toneladas de N-Stoff al mes, en además del sarín (un agente nervioso mortal). Sin embargo, cuando fue capturada por el avance del Ejército Rojo en 1945, la fábrica había producido sólo entre 30 y 50 toneladas, a un coste de más de 100 Reichsmarks alemanes por kilogramo. N-Stoff nunca se utilizó en la guerra.

Peligros

ClF₃ es un oxidante muy fuerte, específicamente un agente fluorante. Es extremadamente reactivo con la mayoría de los materiales inorgánicos y orgánicos, y quemará muchos materiales que de otro modo no serían inflamables sin ninguna fuente de ignición. Estas reacciones suelen ser violentas y, en algunos casos, explosivas, especialmente con materiales inflamables. El acero, el cobre y el níquel no se consumen porque se formará una capa de pasivación de fluoruro metálico insoluble que evita una mayor corrosión, pero el molibdeno, el tungsteno y el titanio no son adecuados ya que los fluoruros que forman son volátiles. Cualquier equipo que entre en contacto con ClF₃ debe limpiarse meticulosamente y luego pasivarse, ya que cualquier contaminación que quede puede quemar el material no fluorado más rápido de lo que puede volver a formarse. ClF₃ corroe rápidamente incluso metales nobles como iridio, platino u oro, oxidándolos a cloruros y fluoruros.

Este poder oxidante, superior al del oxígeno, hace que ClF₃ reaccione vigorosamente con muchos otros Materiales que a menudo se consideran incombustibles y refractarios. Se sabe que enciende arena, amianto, vidrio e incluso cenizas de sustancias que ya se han quemado en oxígeno. En un accidente industrial concreto, un derrame de 900 kg de ClF₃ quemó 30 cm de hormigón y 90 cm de grava debajo. Existe exactamente un método conocido de control/supresión de incendios capaz de hacer frente a ClF₃— inundar el fuego con nitrógeno o gases nobles como el argón. Salvo eso, el área simplemente debe mantenerse fresca hasta que cese la reacción. El compuesto reacciona con supresores a base de agua y CO2, haciéndolos contraproducentes.

La exposición a mayores cantidades de ClF₃, en forma líquida o gaseosa, enciende los seres vivos. tejido, provocando graves quemaduras químicas y térmicas. ClF₃ reacciona violentamente con el agua y la exposición a la reacción también provoca quemaduras. Los productos de la hidrólisis son principalmente ácido fluorhídrico y ácido clorhídrico, que normalmente se liberan en forma de vapor o vapor debido a la naturaleza altamente exotérmica de la reacción.

Notas explicativas

^a Utilizando datos de Economic History Services y The Inflation Calculator, se puede calcular que la suma de 100 Reichsmarks en 1941 equivale aproximadamente a 4.652,50 dólares estadounidenses en 2021. Los valores del tipo de cambio del Reichsmark de 1942 a 1944 son fragmentarios.