คลอรีนไตรฟลูออไรด์

คลอรีนไตรฟลูออไรด์ () เป็นสารประกอบอินเทอร์แฮโลเจนที่มีสูตรเคมีว่า  เป็นแก๊สไม่มีสี มีพิษ กัดกร่อน และมีความไวปฏิกิริยาสูงมาก เมื่อควบแน่นจะเป็นของเหลวสีเหลืองอมเขียวอ่อน ซึ่งมักเป็นรูปแบบที่ใช้ในการจัดจำหน่าย (เก็บไว้ในภาชนะที่มีความดันที่อุณหภูมิห้อง) สารชนิดนี้มีสิ่งโดดเด่นคือคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ที่รุนแรงอย่างยิ่ง การใช้งานหลักได้แก่กระบวนการทำความสะอาดและกัดพื้นผิว (etching) แบบไม่ใช้พลาสมาในอุตสาหกรรมสารกึ่งตัวนำXi, Ming et al. (1997)  "Process for chlorine trifluoride chamber cleaning" การแปรรูปเชื้อเพลิงของเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (available from National Academies Press ) และในอดีตเคยใช้เป็นส่วนประกอบของเชื้อเพลิงจรวด นอกจากนี้มีการใช้งานทางอุตสาหกรรมอื่น ๆ อีกมากมาย เนื่องจากความสามารถในการกัดกร่อนของสารชนิดนี้Boyce, C. Bradford and Belter, Randolph K. (1998)  "Method for regenerating halogenated Lewis acid catalysts"

 การเตรียม, โครงสร้าง และคุณสมบัติ 
คลอรีนไตรฟลูออไรด์ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1930 โดยนักเคมีชาวเยอรมัน อ็อทโท รูฟ (Otto Ruff) และแฮร์แบร์ท ครูก (Herbert Krug) ซึ่งสังเคราะห์สารชนิดนี้โดยการทำปฏิกิริยาระหว่างฟลูออไรด์กับคลอรีน ได้ผลิตภัณฑ์เป็นคลอรีนมอนอฟลูออไรด์ (ClF) ร่วมด้วย จากนั้นจึงแยกสารผสมด้วยการกลั่น



ปัจจุบันมีการผลิตสารชนิดนี้ในปริมาณหลายร้อยตันต่อปี

โครงสร้างโมเลกุลของ  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 () ดังนี้




เมื่อได้รับความร้อนจะสลายตัว ดังนี้



ปฏิกิริยาระหว่างสารชนิดนี้กับโลหะหลายชนิดและแม้กระทั่งโลหะออกไซด์จะให้ฟลูออไรด์ ดังนี้




 ยังถูกใช้ในการผลิตยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ ดังนี้



เมื่อทำปฏิกิริยากับฟอสฟอรัส จะได้ฟอสฟอรัสไตรคลอไรด์ () และฟอสฟอรัสเพนตะฟลูออไรด์ () เมื่อทำปฏิกิริยากับกำมะถัน จะให้ซัลเฟอร์ไดคลอไรด์ () และซัลเฟอร์เตตระฟลูออไรด์ ()

เมื่อทำปฏิกิริยากับซีเซียมฟลูออไรด์ จะสร้างเกลือที่มีแอนไอออน 

 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

คลอรีนไตรฟลูออไรด์ถูกวิจัยเพื่อใช้ในงานทางทหารโดยสถาบันไคเซอร์วิลเฮ็ล์มในเยอรมนีภายใต้ระบอบนาซี ด้วยรหัสลับ N-Stoff (เอ็น-ชตอฟ, เยอรมันแปลว่า "สาร N") ก่อนที่จะเกิดสงครามโลกครั้งที่สองไม่นาน โดยมีการทดสอบกับแบบจำลองของป้อมปราการแนวมาฌีโน และพบว่ามันเป็นอาวุธเพลิงและแก๊สพิษที่มีประสิทธิภาพสูงยิ่ง ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1938 เริ่มมีการสร้างโรงงานผลิตยุทโธปกรณ์ขนาด 14,000 ตารางเมตรขึ้นในเขตฟัลเคนฮาเกิน ทางตะวันออกของเยอรมนี ซึ่งบางส่วนเป็นบังเกอร์ บางส่วนอยู่ใต้ดิน มีวัตถุประสงค์เพื่อผลิต N-Stoff ให้ได้ 90 ตันต่อเดือน ควบคู่กับการผลิตซาริน (แก๊สพิษทำลายระบบประสาทที่ร้ายแรงถึงชีวิต) อย่างไรก็ตาม นับจนถึงเวลาที่กองทัพแดงได้บุกยึดโรงงานในปี ค.ศ. 1945 โรงงานสามารถผลิต N-Stoff ได้เพียงราว 30 ถึง 50 ตันเท่านั้น และมีต้นทุนการผลิตสูงกว่า 100 ไรชส์มาร์คเยอรมันต่อกิโลกรัม โดย N-Stoff ไม่เคยถูกนำมาใช้จริงในสงคราม

 อันตราย 
 เป็นสารออกซิไดซ์ที่รุนแรงมาก มีปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับทั้งวัสดุอินทรีย์และอนินทรีย์ส่วนใหญ่ และสามารถทำให้วัสดุที่โดยปกติไม่ติดไฟเกิดการลุกไหม้โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงอื่น ปฏิกิริยานี้มักมีความรุนแรงและบางครั้งเป็นการระเบิด โลหะเช่นเหล็กกล้า ทองแดง และนิกเกิลจะไม่เกิดปฏิกิริยากับ  โดยตรง เพราะเมื่อสัมผัสกันจะเกิดชั้นป้องกัน (passivation layer) ของฟลูออไรด์ของโลหะที่ไม่ละลายน้ำขึ้น ซึ่งช่วยยับยั้งไม่ให้เกิดการกัดกร่อนเพิ่ม แต่โลหะเช่นโมลิบดีนัม ทังสเตน และไทเทเนียมจะมีฟลูออไรด์ที่ระเหยง่าย จึงไม่เหมาะสำหรับการใช้งาน  ยังสามารถกัดกร่อนโลหะมีสกุล เช่น อิริเดียม แพลทินัม และทองคำได้อย่างรวดเร็ว และเปลี่ยนให้เป็นคลอไรด์และฟลูออไรด์ของโลหะชนิดนั้น

พลังการออกซิไดซ์ของคลอรีนไตรฟลูออไรด์รุนแรงกว่าแก๊สออกซิเจน จึงสามารถทำปฏิกิริยาอย่างรุนแรงกับวัสดุที่โดยปกติไม่ติดไฟหรือทนไฟ เช่น ทราย แร่ใยหิน แก้ว แม้แต่เถ้าถ่านของวัสดุที่ถูกเผาไหม้ด้วยออกซิเจนไปแล้ว ครั้งหนึ่งเคยเกิดอุบัติเหตุทางอุตสาหกรรมที่  ปริมาณ 900 กิโลกรัมรั่วไหลลงพื้น เกิดการเผาไหม้ทะลุคอนกรีตหนา 30 เซนติเมตรและเผาไหม้กรวดที่อยู่ด้านล่างต่ออีก 90 เซนติเมตรSafetygram. Air Products วิธีควบคุมไฟที่เกิดจาก  ได้อย่างปลอดภัยมีเพียงหนึ่งวิธีคือ การปล่อยไนโตรเจนหรือแก๊สมีสกุลเช่น อาร์กอน ให้ท่วมบริเวณที่ไฟไหม้ หากไม่สามารถใช้วิธีนี้ได้ จำเป็นต้องทำให้บริเวณนั้นเย็นลงและรอจนกว่าปฏิกิริยาจะหยุดเอง การดับด้วยน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และสารดับเพลิงประเภทอื่นที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบใช้ไม่ได้ผลเพราะ  ทำปฏิกิริยากับสารเหล่านี้ อาจทำให้สถานการณ์แย่ลง

หากสัมผัสกับ  ในปริมาณมากทั้งในรูปของของเหลวหรือแก๊ส จะทำให้เนื้อเยื่อติดไฟ เกิดแผลไหม้รุนแรงทั้งจากปฏิกิริยาเคมีและความร้อน  ยังทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำและการสัมผัสกับปฏิกิริยานี้ยังก่อให้เกิดแผลไหม้เช่นกัน ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการทำปฏิกิริยากับน้ำส่วนใหญ่คือกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดไฮโดรคลอริก ซึ่งมักถูกปล่อยออกมาในรูปของไอน้ำหรือไอระเหยจากธรรมชาติของปฏิกิริยาคายความร้อนที่รุนแรง และผลิตภัณฑ์ทั้งสองชนิดนี้ก็เป็นอันตรายต่อสุขภาพเช่นกัน

 เชิงอรรถ 
 ใช้ข้อมูลจาก Economic History Services และเครื่องมือคิดเงินเฟ้อ (The Inflation Calculator) ได้ผลลัพธ์ว่าเงินจำนวน 100 ไรชส์มาร์คเยอรมันในปี ค.ศ. 1941 มีค่าประมาณเทียบเท่ากับ 4,652.50 ดอลลาร์สหรัฐในปี ค.ศ. 2021 ค่าอัตราแลกเปลี่ยนสกุลไรชส์มาร์คระหว่างปี 1942 ถึง 1944 มีความไม่ต่อเนื่อง

 อ้างอิง 

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