Chlorofluorowęglowodór (CFC): co to jest, zastosowania, efekty

Chlorofluorowęglowodory (CFC) są lotnymi związkami, które pochodzą z węglowodorów (zwykle metan i etan), w którym jeden lub więcej atomów wodoru zastąpiono atomami fluoru lub chloru. Nazywane również chlorofluorowęglowodorami, takie związki są powszechnie określane skrótem CFC. CFC są znane ze swojej niskiej reaktywności, faktu, że są niepalne, mają niską temperaturę wrzenia, są bezwonne, bez smaku, bezbarwne i mają niską toksyczność.

Chlorofluorowęglowodory są stosowane głównie jako chłodziwa, których produkcja rozpoczęła się w latach 30 osiągnął szczyt w latach 70., kiedy zdano sobie sprawę, że takie związki są odpowiedzialne za zubożenie warstwy ozonowej w stratosfera. Od tego czasu Protokół Montrealski ustanowił surowe zasady dotyczące jego zużycia, importu i eksportu, dzięki czemu zużycie CFC jest znacznie niższe niż kilkadziesiąt lat temu.

Przeczytaj też: Tlenek węgla — niebezpieczeństwa związane z tym bezbarwnym, bezwonnym i wysoce toksycznym gazem

Tematyka tego artykułu

• 1 - Podsumowanie dotyczące chlorofluorowęglowodoru (CFC)
• 2 - Co to jest CFC?
• 3 - Formuła CFC
• 4 - Charakterystyka chlorofluorowęglowodorów (CFC)
• 5 - Gdzie znaleźć CFC?
• 6 - Konsekwencje stosowania CFC dla środowiska
• 7 - Kontrola CFC w atmosferze
• 8 - Jak pojawiły się chlorofluorowęglowodory (CFC)?

Podsumowanie dotyczące chlorofluorowęglowodoru (CFC)

• Chlorofluorowęglowodory lub chlorofluorowęglowodory to lotne pochodne węglowodorów, które zamiast atomów wodoru zawierają atomy chloru lub fluoru.
• Są one powszechnie określane skrótem CFC.
• CFC są stabilne chemicznie, niepalne, bezwonne, bez smaku, bezbarwne, o niskiej toksyczności i niskiej temperaturze wrzenia.
• Stosowane są głównie jako chłodziwa i były sprzedawane pod nazwą handlową Freon.
• Zaczęto je produkować w latach 30. XX wieku, osiągając wielki szczyt w latach 70., jednak zauważono, że związki te odpowiadają za redukcję warstwy ozonowej w stratosferze.
• Pod koniec lat 70. ustanowiono Protokół Montrealski, który wprowadził ścisłą kontrolę nad konsumpcją, produkcji, importu i eksportu CFC, znacznie ograniczając ich stosowanie i komercjalizację związki.

Co to jest CFC?

CFC to skrót od klasy związki znane jako chlorofluorowęglowodory (zwanych także chlorofluorowęglowodorami lub chlorofluorowęglowodorami), składające się z lotne pochodne węglowodorów (ogólnie, metan i etanu), w których jeden lub więcej atomów wodoru zastąpiono atomami fluoru lub chloru.

Teraz nie przestawaj... Po reklamie jest więcej ;)

Formuła CFC

CFC zwykle mają wzór ogólny CCl_NF_4–n, gdy pochodzi od metanu i C₂Kl_NF_6–n, gdy pochodzi od etanu. W takim przypadku wartość „n” nie może wynosić zero. CFC są również dobrze znane ze swojej nomenklatury handlowej, który używa liczb do wskazania, o którym CFC mówimy. Ogólny wzór tej nomenklatury toCFC-XY, gdzie X to liczba atomów wodoru plus jedna jednostka (H + 1), podczas gdy Y oznacza liczbę atomów fluoru.

Atomy chloru nie występują w tej nomenklaturze, ale można je łatwo zidentyfikować, jeśli pamiętamy, że atomy węgla tworzą tylko cztery wiązania chemiczne. Dlatego CFC-11 ma 1 atom węgla, nie ma atomu wodoru (X = 1, więc H + 1 = 1, więc H = 0) i 1 atom fluoru (Y = 1). Ponieważ węgiel tworzy 4 wiązania, a do tej pory zidentyfikowano tylko 1 atom fluoru, to są 3 atomy chloru, czyli CFC-11 to CCl₃F.

Podobnie CFC-22 ma 1 atom węgla, 1 atom wodoru, 2 atomy fluoru, a ponieważ węgiel tworzy 4 wiązania chemiczne, tylko 1 atom chloru; dlatego CFC-22 to CHClF₂.

Dla CFC z dwoma lub więcej atomami węgla, przyjmuje się ogólny wzór CFC-XYZ, na czym:

• X to liczba atomów węgla odjęta od jednej jednostki (C – 1).
• Y to liczba wodorów plus jedna jednostka (H + 1).
• Z to liczba obecnych atomów fluoru.

Podobnie atomy chloru są brane pod uwagę na podstawie różnicy opartej na czterech wiązaniach atomu węgla. Pamiętaj jednak, że powstanie wiązanie węgiel-węgiel, więc łączna liczba łączników wynosi sześć (tak jak w etan).

Na przykład CFC-113 ma X = 1, więc ma 2 atomy węgla (C – 1 = 1, C = 2); ma Y = 1, więc nie ma atomów wodoru (H + 1 = 1, H = 0); ma Z = 3, więc ma 3 atomy fluoru. Zatem możemy stwierdzić, że CFC-113 jest C₂Kl₃F₃.

Zobacz też: Jak zdefiniowana jest nomenklatura węglowodorów

Charakterystyka chlorofluorowęglowodorów (CFC)

CFC mają właściwości fizyczne i chemiczne, które uzasadniają ich główne zastosowania przemysłowe i handlowe, są/mają:

• zapalny;
• mdły (bez smaku);
• bezwonny (bez zapachu);
• niska toksyczność;
• dobra stabilność chemiczna;
• niska korozyjność podczas użytkowania;
• niska cena;
• substancje lotne (temperatura wrzenia blisko 0°C);
• rozsądna cena.

Gdzie stosuje się chlorofluorowęglowodory (CFC)?

CFC są używane jako czynniki chłodnicze.

Ze względu na bezpieczeństwo, lotność, koszt i stabilność chemiczną CFC okazały się dobrymi związkami do stosowania Jak:

• rozpuszczalniki;
• gaśnice;
• propelenty w puszkach aerozolowych (takie jak dezodorant w sprayu);
• jako gazy chłodnicze (w lodówkach, zamrażarkach i urządzeniach chłodniczych);
• jako porofory w produkcji pianek, takich jak poliuretan.

CFC były sprzedawane na rynku przez przemysł chemiczny DuPont pod zarejestrowaną nazwą Freon.

Gdzie znaleźć CFC?

Większość CFC, które istnieją obecnie na planecie, ma pochodzenie antropogeniczne (ludzkie). Badania to potwierdzają ilość CFC pochodząca z naturalnej aktywności jest niewielka w porównaniu z ilością wytwarzaną przez ludzi. Odczyty warstw niewiele niższych od lodu wskazują, że w XIX wieku stężenie CFC w atmosferze było praktycznie zerowe.

W rzeczywistości produkcja CFC rozpoczęła się w latach trzydziestych XX wieku, ze szczytem w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych, a dane wykazują, że produkcja CFC-11 i CFC-12 wzrosła ze 100 ton w 1931 roku do 583 tys. 1980. Jego produkcję wstrzymano dopiero pod koniec lat 80., wraz z wejściem w życie protokołu montrealskiego. Większość produkowanych CFC migruje do górne warstwy atmosfery, takich jak stratosfera, która ma poważne konsekwencje dla naszego życia na Ziemi.

Konsekwencje stosowania CFC dla środowiska

Masowe stosowanie CFC gwałtownie wpłynęło na warstwę ozonową.

CFC są ściśle powiązane z problemem znanym jakodziura ozonowa, warstwa bogata w ozon (ok₃), odpowiedzialny za pochłanianie części promieniowania słonecznego, a który znajduje się w stratosferze (15-30 km w stosunku do gleby).

Pomimo tego, że są gęstsze od powietrza, CFC są chemicznie stabilne i w końcu są przenoszone z niższych warstw z atmosfery (troposfery) do stratosfery w wyniku różnic ciśnienia i temperatury. Takie mechanizmy mieszania między warstwami są szybsze niż czas wymagany w procesach chemicznych do usuwania CFC z powietrza. W końcu są przenoszeni w paczkach z powietrzem i zanieczyszczeniami, podobnie jak ludzie przewożeni balonem na ogrzane powietrze.

Aby zostać wyeliminowanym w troposferze i nie dotrzeć do stratosfery, Istnieją tylko dwa sposoby utylizacji CFC:osadzanie (przez deszcz) lub reakcja. Tak się składa, że ​​takie związki są słabo rozpuszczalne w wodzie i dlatego deszcz nie jest dobrym mechanizmem eliminacji gazów CFC. Do przebiegu reakcji potrzebne są środki utleniające, takie jak rodniki hydroksylowe, azotany czy ozon.

Jednak biorąc pod uwagę stabilność i niską reaktywność z takimi rodnikami utleniającymi, CFC pozostają w powietrzu przez długi czas i cicho dotrzeć do stratosfery. Dla porównania rodnik hydroksylowy potrzebuje 80 lat, aby przereagować z CFC, co zajmuje około 17 dni w przypadku metanolu.

Gdy znajdą się w stratosferze, CFC może ulegać reakcji fotolizy (rozkłada się pod wpływem światła) i uwalnia rodniki chloru. Jako przykład użyjemy CFC-11 (CFCl₃) i CFC-12 (CF₂Kl₂):

• Fotoliza CFC: CFCl₃ (lub CF₂Kl₂) + światło → CFCl₂ (lub CF₂Cl) + Cl
• O strata₃ w środkowej i górnej stratosferze:

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O → Cl + O₂

Globalny:₃ +O → 2O₂

• O strata₃ w niższej stratosferze:

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + H O₂ → HOCl + O₂

HOCl + światło → Cl + OH

OH + O₃ → HO₂ + O₂

Ogółem: 2O₃ → 30₂

Obecnie panuje naukowy konsensus Ty CFC są kluczowymi agentami w otworze wykrytym w warstwie ozonowej pod koniec lat 70. w rejonie Antarktydy.

Wiedzieć więcej: Co to są gazy cieplarniane?

Kontrola CFC w atmosferze

Aby powstrzymać CFC w atmosferze i zademonstrować swoje zainteresowanie redukcją warstwy ozonowej, w 1985 roku kilka krajów spotkało się w Austrii, a dokładniej w Wiedniu, Konwencja wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej. Wydarzenie to było niezwykle ważne dla powstania w 1987 r. Protokołu montrealskiego ws Substancje zubożające warstwę ozonową, międzynarodowy traktat, który wszedł w życie pierwszego dnia od 1989 r.

Protokół montrealski został podpisany przez kilka krajów, w tym Brazylię, która nadała moc prawną swoim działaniom dekretem nr 12 z 1997 r. Głównym celem byłby progresywny ograniczenie produkcji i zużycia tzw. substancji zubożających warstwę ozonową (SDO) aż do jego całkowitej eliminacji.

Protokół montrealski jest jedyną wielostronną umową środowiskową, której przyjęcie jest powszechne, co oznacza, że ​​197 państw zobowiązało się do ochrony warstwy ozonowej. W Brazylii import CFC jest zabroniony, podobnie jak nie istnieje krajowa produkcja ODS. Kontrolę sprawuje Ibama i tylko niektóre SDO mogą być importowane, ale z ograniczeniami i szeroką kontrolą.

Jak powstały chlorofluorowęglowodory (CFC)?

w latach dwudziestych lodówki i systemy klimatyzacji używane komposttakie jak amoniak, chlorometan, propan i dwutlenek siarki jako chłodziwa. Mimo skuteczności takie związki były toksyczne i łatwopalne. Co więcej, kontakt z nimi może nie tylko spowodować poważne uszkodzenia, ale także doprowadzić do śmierci.

To właśnie tam zespół, kierowany przez Thomas Midgley Jr. pracował nad opracowaniem alternatywy który nie miał takich problemów, aby służyć jako chłodziwo. Zespół skupił się na związkach fluorowcowanych, znanych ze swojej lotności i obojętności chemicznej, właściwościach będących przedmiotem zainteresowania substancji.

Pierwszym opracowanym związkiem był CF₂Kl₂, wówczas znany jako freon (lub CFC-12). Za swoje stypendium Midgley otrzymała liczne wyróżnienia, w tym Medal Perkina Towarzystwa Przemysłu Chemicznego w 1937 oraz Medal Priestleya, najwyższe odznaczenie Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego).

W latach siedemdziesiątych CFC były szeroko rozpowszechnione, z roczną produkcją sięgającą blisko 1 miliona ton, co stanowi prawie 500 milionów dolarów udziału przemysłu chemicznego.

Źródła:

ANDINO, J. M. Chlorofluorowęglowodory (CFC) są cięższe od powietrza, więc jak naukowcy przypuszczają, że te chemikalia docierają do wysokości warstwy ozonowej, aby niekorzystnie na nią wpływać? Amerykański naukowiec. 21 października 1999. Dostępne pod adresem: < https://www.scientificamerican.com/article/chlorofluorocarbons-cfcs/>. Dostęp 25 czerwca. 2023.

AMERYKAŃSKIE TOWARZYSTWO CHEMICZNE – ACS. Chlorofluorowęglowodory i zubożenie warstwy ozonowej. ACS National Historic Chemical Landmark. 18 kwietnia 2017. Dostępne w: https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/cfcs-ozone.html. Dostęp 25 czerwca. 2023.

BUTLER, J. H. i in. Zapis halowęglowodorów atmosferycznych w XX wieku z polarnego powietrza firnowego. Natura. 399, s. 749-755. 1999.

FINLAYSON-PITTS, B. J.; PITTS, J. NIE. Chemia jednorodna i heterogeniczna w stratosferze. W: Chemia górnej i dolnej atmosfery. Facet. 12. P. 657-726. San Diego, Kalifornia: Academic Press, 2000.

BRAZYLIJSKI INSTYTUT ŚRODOWISKA I ODNAWIALNYCH ZASOBÓW NATURALNYCH – IBAMA. Protokół montrealski. 29 listopada 2022. Dostępne w: https://www.gov.br/ibama/pt-br/assuntos/emissoes-e-residuos/emissoes/protocolo-de-montreal. Dostęp 25 czerwca. 2023.

KIM, K.; SHON, Z.; NGUYEN, H. T.; JON, E. Przegląd głównych chlorofluorowęglowodorów i ich halowęglowodorowych alternatyw w powietrzu. Środowisko atmosferyczne. N. 45. P. 1369-1382. 2011.

MINISTERSTWO ŚRODOWISKA I ZMIAN KLIMATU. Konwencja wiedeńska i protokół montrealski. 29 kwietnia 2022. Dostępne w: https://www.gov.br/mma/pt-br/assuntos/climaozoniodesertificacao/camada-de-ozonio/convencao-de-viena-e-protocolo-de-montreal. Dostęp 25 czerwca. 2023.

Stefano Araujo Novais
Nauczyciel chemii

Korozja metali, głównie żelaza, zachodzi w procesach elektrochemicznych reakcji redoks.

Poznaj gazy cieplarniane, ich wpływ i sposób, w jaki są w stanie podnieść temperaturę naszej planety.

Czy wiesz, co to jest gaz doskonały? Poznaj model gazu doskonałego, dowiedz się, jakie są jego właściwości i sprawdź rozwiązane ćwiczenia na ten temat!

Dowiedz się, czym jest tlenek węgla, w jaki sposób jest wytwarzany i jakie powikłania powoduje u ludzi kontakt z tym niezwykle toksycznym gazem.

Kliknij tutaj, aby zapoznać się z nomenklaturą węglowodorów ustaloną przez aktualne przepisy IUPAC i zobaczyć przykłady.

Korzyści i szkody powodowane przez tlen.

Dowiedz się więcej o gazie ozonowym, jego charakterystyce, właściwościach, powstawaniu, zagrożeniach i warstwie ozonowej.

Zubożenie warstwy ozonowej przez chlorofluorowęglowodory.

Odkryj różnicę między przemianami gazu izotermicznego, izobarycznego i izowolumetrycznego.