Трифторид алюминия

Фторид алюминия — неорганическое бинарное соединение алюминия и фтора. Химическая формула AlF₃.

Трифторид алюминия
Общие
Традиционные названия	трифторид алюминия, фторид алюминия, алюминия трифторид
Хим. формула	AlF3
Физические свойства
Состояние	белое твердое кристаллическое вещество без запаха
Молярная масса	(ангидрид) 83.9767 (моногидрат) 101.022 (тригидрат) 138.023 г/моль
Плотность	2,88 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	1291 °C
Мол. теплоёмк.	75,10 Дж/(моль·К)
Энтальпия
• образования	−1510 кДж/моль
Удельная теплота испарения	(возгонка) 272 Дж/кг
Химические свойства
Растворимость
• в воде	(при 0 °C) 0.56 (при 20 °C) 0.67 (при 100 °C) 1.72 г/100 мл
Структура
Кристаллическая структура	ромбоэдрическая
Классификация
Рег. номер CAS	7784-18-1 (ангидрид), 32287-65-3 (моногидрат) 15098-87-0 (тригидрат)
PubChem	2124
Рег. номер EINECS	232-051-1 (ангидрид)
SMILES	F[Al](F)F
InChI	InChI=1S/Al.3FH/h;3*1H/q+3;;;/p-3 KLZUFWVZNOTSEM-UHFFFAOYSA-K
RTECS	BD0725000
ChEBI	49464
ChemSpider	2039
Безопасность
Предельная концентрация	2 мг/м3
ЛД50	100 мг/кг (крысы, орально)
Пиктограммы ECB
NFPA 704	0 3 0 COR
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Физические свойстваПравить

Фторид алюминия представляет собой бесцветное или белое кристаллическое вещество. При сильном нагревании возгоняется без разложения. При обычных условиях устойчива α-модификация с тригональной решеткой (а = 0,5039 нм, α = 58,50°, z = 2, пространственная группа R32), плотность 2,882 г/см³. При нагревании до ~700 °C переходит в γ-модификацию с тетрагональной решеткой (а = 0,354 нм, с = 0,600 нм).

Длина связи Al—F составляет 0,163 нм. В газовой фазе, при температуре около 1000 °C, трифторид алюминия существует в виде молекул тригональной симметрии D_3h.

Фторид алюминия плохо растворим в воде (0,41 % по массе при 25 °C), лучше — в растворах HF, не растворим в органических растворителях.

ПолучениеПравить

Взаимодействием Аl₂О₃ или Аl(ОН)₃ с раствором HF с последующим выделением, сушкой и прокаливанием при 500-600 °C образовавшегося кристаллогидрата AlF₃·3H₂O:

$\mathsf{A}\mathsf{l}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{H}\mathsf{F}\to <!--\; \to \; -->\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\stackrel{{\mathsf{500}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {Al(OH)_{3}+HF\rightarrow AlF_{3}\cdot 3H_{2}O{\xrightarrow {500^{o}C}}AlF_{3}+3H_{2}O}}$ 

Действием на Аl₂О₃ газообразного HF при 450-600 °C:

$\mathsf{A}{\mathsf{l}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{6}\mathsf{H}\mathsf{F}\stackrel{\mathsf{450}\mathsf{-<!--\; -\; -->}{\mathsf{600}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {Al_{2}O_{3}+6HF{\xrightarrow {450-600^{o}C}}2AlF_{3}+3H_{2}O}}$ 

По реакции:

$\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{F}}_{\mathsf{6}}\stackrel{{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}}{\to }\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathsf{n}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {2Al(OH)_{3}+H_{2}SiF_{6}{\xrightarrow {H_{2}O}}2AlF_{3}\cdot 3H_{2}O+SiO_{2}\cdot nH_{2}O}}$ 

с последующем выделением, сушкой и прокаливанием гидрата.

При температуре в 700 °C гексафторсиликат натрия с алюминием дают на выходе чистый кремний, гексафторалюминат натрия и трифторид алюминия:

$\mathsf{3}\mathsf{N}{\mathsf{a}}_{\mathsf{2}}\mathsf{[}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{F}}_{\mathsf{6}}\mathsf{]}\mathsf{+}\mathsf{4}\mathsf{A}\mathsf{l}\stackrel{{\mathsf{700}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{3}\mathsf{S}\mathsf{i}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{N}{\mathsf{a}}_{\mathsf{3}}\mathsf{[}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{6}}\mathsf{]}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}$${\mathsf {3Na_{2}[SiF_{6}]+4Al{\xrightarrow {700^{o}C}}\ 3Si+2Na_{3}[AlF_{6}]+2AlF_{3}}}$ 

Самым легким путём получения трифторида алюминия является прямой контакт фтора с алюминием при температуре 600 °C:

$\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}\mathsf{+}\mathsf{3}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\stackrel{{\mathsf{600}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}$${\mathsf {2Al+3F_{2}{\xrightarrow {600^{o}C}}2AlF_{3}}}$ 

Нагрев до температуры примерно 175 °C моногидрат трифторида алюминия получим воду и трифторид алюминия:

$\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\cdot <!--\; \cdot \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\stackrel{{\mathsf{175}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {AlF_{3}\cdot H_{2}O{\xrightarrow {175^{o}C}}AlF_{3}+H_{2}O}}$ 

Для получения чистого безводного трифторида алюминия нужно гексафторалюминат аммония нагреть и получится трифторид алюминия с фторидом аммония:

$\mathsf{(}\mathsf{N}{\mathsf{H}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{6}}⟶<!--\; ⟶\; -->\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{N}{\mathsf{H}}_{\mathsf{4}}\mathsf{F}$${\mathsf {(NH_{4})_{3}AlF_{6}\longrightarrow AlF_{3}+3NH_{4}F}}$ 

В основном трифторид алюминия получают при обработке оксида алюминия гексафторсиликоновой кислотой, где на выходе получается оксид кремния(IV), трифторид алюминия и вода:

${\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{F}}_{\mathsf{6}}\mathsf{+}\mathsf{A}{\mathsf{l}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}⟶<!--\; ⟶\; -->\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {H_{2}SiF_{6}+Al_{2}O_{3}\longrightarrow 2AlF_{3}+SiO_{2}+H_{2}O}}$ 

Кроме того, он изготавливается путём термического разложения аммония гексафторалюмината.

Химические свойстваПравить

Образует кристаллогидраты с 1, 3 и 9 молекулами воды, которые легко разрушаются при нагревании:

$\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\cdot <!--\; \cdot \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\stackrel{\mathsf{150}\mathsf{-<!--\; -\; -->}{\mathsf{200}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {AlF_{3}\cdot H_{2}O{\xrightarrow {150-200^{o}C}}AlF_{3}+H_{2}O}}$ 

При нагревании гидролизуется парами воды:

$\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\stackrel{{\mathsf{400}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{A}\mathsf{l}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{H}\mathsf{F}$${\mathsf {AlF_{3}+3H_{2}O{\xrightarrow {400^{o}C}}Al(OH)_{3}+3HF}}$ 

Медленно взаимодействует с концентрированной серной кислотой H₂SO₄:

$\mathsf{2}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{S}{\mathsf{O}}_{\mathsf{4}}\stackrel{}{\to }\mathsf{A}{\mathsf{l}}_{\mathsf{2}}\mathsf{(}\mathsf{S}{\mathsf{O}}_{\mathsf{4}}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{6}\mathsf{H}\mathsf{F}$${\mathsf {2AlF_{3}+3H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}Al_{2}(SO_{4})_{3}+6HF}}$ 

Разлагается растворами и расплавами щелочей.

$\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{(}\mathsf{N}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\cdot <!--\; \cdot \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{)}\stackrel{}{\to }\mathsf{A}\mathsf{l}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{N}{\mathsf{H}}_{\mathsf{4}}\mathsf{F}$${\mathsf {AlF_{3}+3(NH_{3}\cdot H_{2}O){\xrightarrow {}}Al(OH)_{3}+3NH_{4}F}}$ 

$\mathsf{4}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{4}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{H}\stackrel{}{\to }\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{[}\mathsf{A}\mathsf{l}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{4}}\mathsf{]}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{[}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{4}}\mathsf{]}$${\mathsf {4AlF_{3}+4NaOH{\xrightarrow {}}Na[Al(OH)_{4}]+3Na[AlF_{4}]}}$ 

С фторидами щелочных металлов AlF₃ образует фтороалюминаты, например, гексафтороалюминат натрия Na₃[AlF₆]:

$\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{3}\mathsf{N}\mathsf{a}\mathsf{F}\stackrel{}{\to }\mathsf{N}{\mathsf{a}}_{\mathsf{3}}\mathsf{[}\mathsf{A}\mathsf{l}{\mathsf{F}}_{\mathsf{6}}\mathsf{]}$${\mathsf {AlF_{3}+3NaF{\xrightarrow {}}Na_{3}[AlF_{6}]}}$ 

ПрименениеПравить

• Трифторид алюминия используется как компонент электролита (примерно 5-15 %) при электролитическом производстве алюминия. Совместно с другими применяемыми добавками в электролит (фторид кальция, фторид магния, фторид лития), он уменьшает температуру плавления электролита до 930-950 °C и повышает эффективность процесса электролиза (увеличивается выход по току, уменьшается удельный расход электроэнергии).
• Входит в состав флюсов, эмалей, стекол, глазурей, керамики, покрытий сварочных электродов; является катализатором в органическом синтезе.
• Как антисептик для предотвращения брожения;
• В производстве киноплёнки.

ТоксичностьПравить

Фторид алюминия ядовит, при контакте с кожей вызывает ожоги. Обладает нейротоксичностью. Смертельная доза (ЛД50) для крыс орально составляет 100 мг/кг.