คลอรีนไตรฟลูออไรด์

คลอรีนไตรฟลูออไรด์ (chlorine trifluoride) เป็นสารประกอบอินเทอร์แฮโลเจนที่มีสูตรเคมีว่า ClF3 เป็นแก๊สไม่มีสี มีพิษ กัดกร่อน และมีความไวปฏิกิริยาสูงมาก เมื่อควบแน่นจะเป็นของเหลวสีเหลืองอมเขียวอ่อน ซึ่งเป็นรูปแบบที่มักใช้ในการจัดจำหน่าย (เก็บไว้ในภาชนะที่มีความดันที่อุณหภูมิห้อง) สารชนิดนี้มีสิ่งโดดเด่นคือคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ที่รุนแรงอย่างยิ่ง การใช้งานหลักได้แก่กระบวนการทำความสะอาดและกัดพื้นผิว (etching) แบบไม่ใช้พลาสมาในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ การแปรรูปเชื้อเพลิงของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ และในอดีตเคยใช้เป็นส่วนประกอบของเชื้อเพลิงจรวด นอกจากนี้มีการใช้งานทางอุตสาหกรรมอื่น ๆ อีกมากมาย เนื่องจากความสามารถในการกัดกร่อนของสารชนิดนี้

**การเตรียม, โครงสร้าง และคุณสมบัติ**
คลอรีนไตรฟลูออไรด์ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1930 โดยนักเคมีชาวเยอรมัน อ็อทโท รูฟ (Otto Ruff) และแฮร์แบร์ท ครูก (Herbert Krug) ซึ่งสังเคราะห์สารชนิดนี้โดยการทำปฏิกิริยาระหว่างฟลูออไรด์กับคลอรีน ได้ผลิตภัณฑ์เป็นคลอรีนมอนอฟลูออไรด์ (ClF) ร่วมด้วย จากนั้นจึงแยกสารผสมด้วยการกลั่น
 3 F2 + Cl2 → 2 ClF3
ปัจจุบันมีการผลิตสารชนิดนี้ในปริมาณหลายร้อยตันต่อปี
โครงสร้างโมเลกุลของ ClF3 มีลักษณะคล้ายรูปตัว T โดยมีพันธะสั้นหนึ่งพันธะ (1.598 Å) และพันธะยาวสองพันธะ (1.698 Å) โครงสร้างนี้สอดคล้องกับทฤษฎี VSEPR ซึ่งทำนายว่าอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยวจะอยู่ในตำแหน่งศูนย์สูตร (equatorial position) สองตำแหน่งของโครงสร้างพีระมิดคู่ฐานสามเหลี่ยมสมมุติ (trigonal bipyramid) พันธะแนวแกน Cl-F (axial) ที่ยืดออกนั้นยังเป็นไปตามหลักการของพันธะไฮเพอร์เวเลนต์

**ปฏิกิริยา**
คลอรีนไตรฟลูออไรด์ยังทำปฏิกิริยาระเบิดกับน้ำได้ โดยจะให้ไฮโดรเจนฟลูออไรด์, ไฮโดรเจนคลอไรด์ พร้อมกับออกซิเจน และออกซิเจนไดฟลูออไรด์ (OF2) ดังนี้
 ClF3 + H2O → HF + HCl + OF2
 ClF3 + 2H2O → 3HF + HCl + O2
เมื่อได้รับความร้อนจะสลายตัว ดังนี้
 ClF3  ClF + F2
ปฏิกิริยาระหว่างสารชนิดนี้กับโลหะหลายชนิดและแม้กระทั่งโลหะออกไซด์จะให้ฟลูออไรด์ ดังนี้
 6NiO + 4 ClF3 → 6 NiF2 + 3 O2  + 2 Cl2
 AgCl + ClF3 → AgF2 + ClF  +  1/2 Cl2
ยังถูกใช้ในการผลิตยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ดังนี้
 U + 3 ClF3 → UF6 + 3 ClF
เมื่อทำปฏิกิริยากับฟอสฟอรัส จะได้ฟอสฟอรัสไตรคลอไรด์ (PCl3) และฟอสฟอรัสเพนตะฟลูออไรด์ (PF5) เมื่อทำปฏิกิริยากับกำมะถัน จะให้ซัลเฟอร์ไดคลอไรด์ (SCl2) และซัลเฟอร์เตตระฟลูออไรด์ (SF4)
เมื่อทำปฏิกิริยากับซีเซียมฟลูออไรด์ จะสร้างเกลือที่มีแอนไอออน F(ClF3)3- 

**การใช้งาน**

**อุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ**
ในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำ คลอรีนไตรฟลูออไรด์ถูกใช้ในการทำความสะอาดห้องทับถมไอระเหยเชิงเคมี (chemical vapour deposition, CVD) โดยสามารถกำจัดวัสดุกึ่งตัวนำออกจากผนังห้องได้โดยที่ไม่ต้องถอดชิ้นส่วนของห้องออก สิ่งที่ ClF₃ ต่างจากสารเคมีชนิดอื่นที่ใช้ในงานลักษณะเดียวกันคือ ไม่จำเป็นต้องใช้พลาสมาเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยา เพราะความร้อนในห้อง CVD เพียงพอที่จะทำให้ ClF₃ สลายตัวและทำปฏิกิริยากับวัสดุกึ่งตัวนำได้โดยตรง

**รีเอเจนต์ในการเติมฟลูออรีน**
ClF3 ถูกใช้เป็นสารเติมฟลูออรีน (รีเอเจนต์) ให้กับสารประกอบหลายชนิด

**การใช้งานทางการทหาร**
คลอรีนไตรฟลูออไรด์ได้รับการศึกษาวิจัยในฐานะสารออกซิไดซ์ประสิทธิภาพสูงที่สามารถจัดเก็บได้ สำหรับใช้ในระบบเชื้อเพลิงจรวด แต่ก็มีข้อจำกัดใหญ่หลวงคือการจัดการกับสารชนิดนี้ ดังที่นักวิทยาศาสตร์จรวด จอห์น ดี. คลาร์ก ได้กล่าวข้อความหนึ่งซึ่งภายหลังถูกอ้างถึงบ่อยครั้ง เขาแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติความอันตรายอย่างร้ายแรงของสารชนิดนี้ดังว่า
แน่นอนว่ามันเป็นสารพิษรุนแรง แต่เรื่องนั้นยังเป็นปัญหาที่เล็กที่สุด มันเป็นสารไฮเพอร์กอลิก (ติดไฟเมื่อสัมผัสกัน) ต่อเชื้อเพลิงทุกชนิดที่รู้จัก และทำปฏิกิริยาไฮเพอร์กอลิกได้เร็วมากจนไม่สามารถวัดเวลาหน่วงการติดไฟได้เลย มันยังทำปฏิกิริยาไฮเพอร์กอลิกกับสิ่งต่าง ๆ เช่น ผ้า ไม้ ตัววิศวกรผู้ทดสอบเอง ไม่ต้องพูดถึงแร่ใยหิน ทราย และน้ำ ล้วนเกิดปฏิกิริยาแบบระเบิดกับมันทั้งสิ้น เราสามารถเก็บมันไว้ในโลหะโครงสร้างทั่วไปบางชนิดได้ เช่น เหล็ก ทองแดง อะลูมิเนียม เป็นต้น เพราะเกิดฟิล์มบางของฟลูออไรด์โลหะที่ไม่ละลายน้ำ ซึ่งช่วยปกป้องเนื้อโลหะ เช่นเดียวกับชั้นเคลือบออกไซด์บาง ๆ ที่มองไม่เห็นบนอะลูมิเนียมที่ป้องกันไม่ให้มันเผาไหม้ในอากาศ อย่างไรก็ตาม หากชั้นเคลือบนี้ได้ละลายหรือถูกขัดถูออกไป และไม่สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ทัน ผู้ใช้งานจะต้องเผชิญกับไฟที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับฟลูออรีน หากเกิดสถานการณ์เช่นนั้นแล้ว ผมจะแนะนำให้เตรียมรองเท้าวิ่งดี ๆ ไว้สักคู่เสมอ
คลอรีนเพนตาฟลูออไรด์ (ClF5) ยังเคยมีการศึกษาเพื่อใช้เป็นสารออกซิไดซ์ในจรวดเช่นกัน ซึ่งให้แรงดลจำเพาะดีกว่าคลอรีนไตรฟลูออไรด์ แต่ก็มีข้อเสียเรื่องการจัดการเช่นเดียวกัน สารทั้งสองชนิดนี้จึงไม่ได้ถูกนำมาใช้จริงในระบบขับเคลื่อนจรวดใด ๆ
คลอรีนไตรฟลูออไรด์ถูกวิจัยเพื่อใช้ในงานทางทหารภายใต้รหัสลับ N-Stoff (เอ็น-ชตอฟ, เยอรมันแปลว่า "สาร N") โดยสถาบันไคเซอร์วิลเฮ็ล์ม ในเยอรมนีภายใต้ระบอบนาซี ก่อนที่จะเกิดสงครามโลกครั้งที่สองไม่นาน โดยมีการทดสอบกับแบบจำลองของป้อมปราการแนวมาฌีโน และพบว่ามันเป็นอาวุธเพลิงและแก๊สพิษที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่ง ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1938 เริ่มมีการสร้างโรงงานผลิตยุทโธปกรณ์ขนาด 14,000 ตารางเมตรขึ้นในเขตฟัลเคนฮาเกิน ทางตะวันออกของเยอรมนี ซึ่งบางส่วนเป็นบังเกอร์ บางส่วนอยู่ใต้ดิน มีวัตถุประสงค์เพื่อผลิต N-Stoff ให้ได้ 90 ตันต่อเดือน ควบคู่กับการผลิตซาริน (แก๊สพิษทำลายระบบประสาทที่ร้ายแรงถึงชีวิต) อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งกองทัพแดงได้บุกยึดโรงงานในปี ค.ศ. 1945 โรงงานสามารถผลิต N-Stoff ได้เพียงราว 30 ถึง 50 ตันเท่านั้น และมีต้นทุนการผลิตสูงกว่า 100 ไรชส์มาร์คเยอรมันต่อกิโลกรัมa โดย N-Stoff ไม่เคยถูกนำมาใช้จริงในสงครามMuller-2005-11-24

**อ้างอิง**
หมวดหมู่:สารประกอบคลอรีน
หมวดหมู่:ฟลูออไรด์
หมวดหมู่:สารประกอบอินเทอร์แฮโลเจน
หมวดหมู่:ตัวออกซิไดซ์
หมวดหมู่:อาวุธเพลิง
หมวดหมู่:วิทยาศาสตร์ในคริสต์ทศวรรษ 1930