Il tetrafluoruro di carbonio è anche il primo dei perfluorocarburi,[7] ossia degli idrocarburi in cui tutti gli idrogeni sono sostituiti da altrettanti atomi di fluoro.[8] Come fluido refrigerante è noto anche con la sigla R 14 in ambito commerciale. È anche un potente gas serra,[9] GWP = 6630.[10]
A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore e inodore, non infiammabile, né combustibile, e praticamente inerte nella maggior parte delle situazioni.
Struttura molecolare e proprietà
Il tetrafluoruro di carbonio è un composto stabilissimo, ΔHƒ° = -930±20 kJ/mol,[11] la sua formazione è molto più esotermica dell'anidride carbonica (ΔHƒ° = -393,51±0,13 kJ/mol),[12] a dimostrazione della grande stabilità dei legami carbonio-fluoro.
A temperatura ambiente si presenta come un gas incolore (Teb ≈ -128 °C, Tcr = -45,6 °C) più denso dell'aria (~ 3 volte), pochissimo solubile in acqua,[13] ma solubile in benzene e in cloroformio.[14]
La molecola CF4 è esattamente tetraedrica (come CH4) e ha perciò simmetriaTd,[15] con l'atomo di carbonio centrale ibridatosp3.[16] Il suo momento dipolare è di conseguenza nullo. Il fluoro è l'elemento più elettronegativo e i legami C–F sono i più forti legami semplici del carbonio[17] e anche i legami semplici più polari: la carica parziale sul carbonio di CF4 è stimata in +0,72 e.[18] Inoltre, la loro energia di legame aumenta all'aumentare del numero di fluori legati allo stesso C (fluori geminali) e quindi, tra i fluorometani, è massima in CF4, stimata in ~ 545 kJ/mol,[18] contro un valor medio per il legame C–F di 485 kJ/mol.[19]
Questo effetto tipico, legato alla presenza di atomi o leganti uguali in posizione geminale, fu inserito da Christian K. Jørgensen nel concetto generale di simbiosi.[20] In ogni caso, il rafforzamento dei legami e l'alta elettronegatività del fluoro, che determina una notevole carica parziale su C, contribuiscono a rendere la molecola praticamente inerte all'azione di ossidanti, agli acidi e agli idrossidi alcalini.[21] Nondimeno, il CF4 subisce l'azione di riducenti molto forti ed è incompatibile con metalli molto reattivi, a contatto con i quali può reagire vigorosamente.[22]
Le reciproche distanze tra gli atomi di fluoro (F…F) sono di 214,75 pm,[15] mentre la distanza attesa per interazioni di non legame tra due atomi fluoro sarebbe 2 rvdW, cioè un valore nell'intervallo 300-320 pm;[27] qualitativamente questo fenomeno si riscontra anche negli altri fluorometani.
Chimica ionica in fase gassosa
Il potenziale di ionizzazione del tetrafluoruro di carbonio è elevato, pari a 14,7±0,3 eV,[28] ed è il massimo nella serie dei fluorometani, diminuendo al diminuire del numero dei fluori. Per quanto riguarda l'affinità elettronica, lo ione CF4– non è stato riscontrato in fase gassosa; diversi calcoli teorici stimano valori negativi per la sua affinità elettronica (-0,7 eV),[29] a differenza di quanto accade nel caso del tetracloruro di carbonio, per il quale l'affinità elettronica è nota e positiva, sebbene piccola, valutata in 0,80±0,34 eV.[30]
Il tetrafluoruro di carbonio in fase gassosa è una base di Brønsted-Lowry estremamente debole: la sua affinità protonica è 529,3 kJ/mol;[31] questo è il valore minimo tra i fluorometani, che sono un po' più basici: 619,5 kJ/mol: per CHF3,[32] 620,5 kJ/mol perCH2F2,[33] e 598,9 kJ/mol per CH3F.[34] Tra questi, il CF4 è anche l'unico ad essere meno basico del CH4 (543,5 kJ/mol[35]). Il tetrafluoruro di carbonio è anche meno basico dell'anidride carbonica (540,5 kJ/mol).[36]
Produzione
Il tetrafluoruro di carbonio può essere preparato in laboratorio a partire da carburo di silicio e fluoro:
Un'altra reazione adatta a un laboratorio, fattibile a temperatura ambiente e più facilmente controllabile, parte da calcio cianammide (non inquinata da carbonio) in presenza di quantità catalitiche di fluoruro di cesio:[37]
CaNCN + 3 F2 → CF4 + CaF2 + N2
È altresì possibile ricavare il tetrafluorometano dalla combustione del carbone in presenza di fluoro.
Il tetrafluorometano è una molecola estremamente stabile per via dell'elevata forza del legame C-F. Di conseguenza non è infiammabile e reagisce con estrema difficoltà. È inerte nei confronti di acidi, basi e ossidanti. Tuttavia, come tutti i perfluorocarburi il CF4 reagisce in presenza di metalli alcalini.
Applicazioni
Il tetrafluorometano viene usato come fluido refrigerante per applicazioni a bassissima temperatura, viene usato nelle applicazioni di plasmaetching o come gas inerte in alcune particolari applicazioni. Ha infatti una temperatura di ebollizione un po' superiore a quella dell'azoto liquido. Tuttavia, il tetrafluorometano presenta alcune problematiche notevoli che solitamente ne scoraggiano l'impiego pratico a favore dell'azoto liquido.
Precauzioni
Il tetrafluorometano:
è narcotico in alte concentrazioni
può essere asfissiante: se si accumula in aree non adeguatamente ventilate, dato che è più denso dell'aria. L'inalazione può causare mal di testa, nausea e se prolungata può provocare danni al sistema cardiovascolare.
La sua decomposizione termica in presenza di ossigeno e acqua produce gas tossici, fra i quali l'acido fluoridrico, il fluoruro di carbonile (COF2) e il monossido di carbonio (CO).
^(EN) The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), IUPAC - fluorocarbons (F02459), su goldbook.iupac.org. URL consultato il 30 novembre 2024.
^ J. E. Huheey, E. A. Keiter e R. L. Keiter, Chemical Forces, in Chimica Inorganica, Principi, Strutture, Reattività, 2ª ed., Piccin, 1999, p. 300, ISBN88-299-1470-3.
^ L. G. Christophorou, J. K. Olthoff e M. V. V. S. Rao, Electron Interactions with CF4, in Journal of Physical and Chemical Reference Data, vol. 25, n. 5, 1º settembre 1996, pp. 1341–1388, DOI:10.1063/1.555986. URL consultato l'11 marzo 2023.
