هیدروفلوریک اسید یا اسید hf چیست و اسید فلوئوریدریک چه کاربردهایی دارد؟

هیدروفلوریک اسید چیست ؟

اسید hf همانطور که از نام این اسید پیداست، عضوی از خانواده کربوکسیلیک اسیدها می‌باشد، اما با این حال قدرت اسیدی بسیار ضعیفی دارد. از طرفی با وجود این‌که قدرت اسیدی بسیار پایینی دارد، بسیار سمی بوده و نباید به هیچ عنوان در تماس با پوست دست انسان قرار بگیرد. از این اسید به نام‌های دیگری چون فلوراین یاد می‌کنند؛ به این دلیل که در اصل فلوریک اسید یک فلوراید هیدروژن در آب بوده است.

هیدروفلوریک اسید (Hydrofluoric acid) که به اسید HF و اسید فلوئوریدریک هم معروف است، در آب و بسیاری از حلال‌های آلی انحلال پذیری دارد، اما این میزان انحلال در ترکیباتی چون اتر به مراتب بسیار کمتر از سایر ترکیبات می‌باشد. هیدروفلوریک اسید همانند سایر اسیدها بوی بسیار تند و تیزی دارد و به صورت گاز سفید رنگی است که زمانی که با آب ترکیب شود قدرت اسیدی آن ضعیف‌تر خواهد شد.

هیدروفلوریک اسید (Hydrofluoric Acid)، که اغلب با نام‌های اسید HF، اسید فلوئوریدریک یا فلورید هیدروژن شناخته شده است، یکی از ترکیبات شیمیایی مهم در صنعت و آزمایشگاه‌ها به حساب می آید. این اسید، که فرمول شیمیایی آن HF است، یک اسید معدنی ضعیف است اما به دلیل دارا بودن خواص منحصربه‌فرد، مانند توانایی نفوذ عمیق به بافت‌ها و واکنش با مواد سیلیسی، بسیار خطرناک و خورنده تلقی می‌شود. برخلاف اسیدهای قوی مانند اسید سولفوریک یا نیتریک، هیدروفلوریک اسید قدرت اسیدی پایینی دارد( pKa حدود ۳.۱۷ ) اما یون فلورید آن (F-) می‌تواند با کلسیم و منیزیم در بدن پیوند تشکیل دهد و منجر به آسیب‌های شدید شود.

تاریخچه کشف هیدروفلوریک اسید

به قرن هفدهم بازمی‌گردد. اولین بار، شیمی‌دان سوئدی کارل ویلهلم شیل در سال ۱۷۷۱ موفق به جداسازی فلورین از کانی فلوریت (CaF2) شد و در حین این فرآیند ، هیدروفلوریک اسید تولید کرد. اما قبل از آن، در قرن شانزدهم، شیشه‌گر ها از فلوریت برای حکاکی روی شیشه استفاده می‌کردند، بدون اینکه بدانند گاز متصاعد شده همان HF است. در قرن نوزدهم، با پیشرفت در صنایع، تولید صنعتی HF آغاز شد و امروزه یکی از مواد بسیار مهم در تولید ترکیبات فلورینه است. این اسید نقش مهمی در انقلاب صنعتی اجرا کرده است، به ویژه در تولید آلومینیوم و فلوروپلیمرها مانند تفلون.

در این مقاله، به بررسی جامع هیدروفلوریک اسید از خواص فیزیکی و شیمیایی، روش‌های تولید، کاربردهای گوناگون، خطرات و نکات ایمنی، تأثیرات زیست‌محیطی، تا مقررات و استانداردهای مرتبط می پردازیم. هدف، ارائه یک دید جامع ‌تر از این ماده شیمیایی است که در عین حال هم مفید و هم خطرناک می باشد.

مشخصات فنی هیدروفلوریک اسید

خواص فیزیکی و شیمیایی هیدروفلوریک اسید

هیدروفلوریک اسید یک مایع بی‌رنگ با بوی تند و تحریک‌کننده می باشد. در حالت خالص، HF یک گاز است، اما معمولاً به صورت محلول آبی (۳۸-۵۲%) ارائه می‌شود. نقطه جوش آن ۱۹.۵ درجه سانتی‌گراد و نقطه ذوب ۸۳.۵۵ – درجه سانتی‌گراد است. جرم مولکولی آن ۲۰.۰۰۶۳ گرم بر مول است. این اسید در آب و بسیاری از حلال‌های آلی حل می‌شود، اما در اتر کمتر انحلال ‌پذیر است.

از نظر شیمیایی، HF یک اسید ضعیف است اما به دلیل وجود پیوندهای هیدروژنی قوی بین مولکول‌هایش، خواص منحصربه‌فردی دارد و می‌تواند با شیشه، سیلیکا، بتن، لاستیک و بسیاری از فلزات واکنش دهد. برای مثال، واکنش با شیشه (SiO2) منجر به تولید تترافلوروسیلان (SiF4) می‌شود:

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

این خاصیت این ماده را برای حکاکی به روی شیشه ایده‌آل می‌کند. همچنین، HF با فلزات واکنش داده و گاز هیدروژن تولید می‌کند که می‌تواند انفجاری باشد.

در مقایسه با دیگر اسیدها،  HF لیپوفیلیک است و به راحتی به پوست نفوذ می‌کند، که این ویژگی آن را خطرناک‌تر می‌کند. در غلظت‌های بالا، این ماده به صورت مولکولی باقی می‌ماند، اما در غلظت های پایین، یونیزه می‌شود و سمیتش افزایش می‌یابد. این اسید همچنین می‌تواند با آب تشکیل  آزئوتروپ دهد.

کاربرد هیدروفلوریک اسید

از جمله موارد کاربرد هیدروفلوئوریک اسید می‌توان به موارد زیر اشاره داشت؛

• از این اسید هم در بخش صنعتی و هم در بخش غیر صنعتی استفاده می‌شود.
• به دلیل داشتن خاصیت اسیدی، از آن در تهیه و ساخت انواع پاک‌کننده‌ها استفاده می‌کنند.
• در آزمایشگاه‌های شیمیایی از هیدروفلوریک اسید به عنوان یک ماده کاهنده و اکسید کننده استفاده می‌کنند.
• در بسیاری از محلول‌های صنعتی از آن به عنوان حلال استفاده می‎شود.
• در بخش تصفیه آب در تصفیه خانه‌ها از هیدروفلوریک اسید به عنوان یک ماده گندزدا استفاده می‌شود.
• اسید فلوئوریدریک را درپالایشگاه‌های نفت خام استفاده می‌کنند.
• این اسید را می‌توان در ترکیباتی چون تفلون، فرن و فلوئوروکربن‌ها پیدا کرد.
• برای تولید کربنات مصنوعی از هیدروفلوریک اسید استفاده می‌شود.
• به دلیل خاصیت سمی و اسیدی که دارد، از آن در تولید سم حشره‌کش استفاده می‌شود.
• از هیدروفلوئوریک اسید در ساخت فلوراید استفاده می‌شود.
• یکی از رایج‌ترین موارد کاربرد این اسید، استفاده از آن در صنایع شیشه سازی می‌باشد؛ در بخش حکاکی روی شیشه از این اسید به وفور استفاده می‌شود.

نکات ایمنی و خطرات هیدروفلوئوریک اسید

هیدروفلوریک اسید یک ماده سمی – اسیدی بسیار خطرناک است. به همین دلیل توجه به نکاتی که در ادامه عنوان خواهد شد، هنگام کار با این ماده، حائز اهمیت است.

این ماده به قدری سمی و خطرناک است که اگر با پوست دست تماس داشته باشد باعث سوختگی‌های شدید و زخم‌های بسیار عمیق می‌شود. برای کار با هیدروفلوریک اسید می‌بایست از دستکش‌های مخصوص کار استفاده کرد. و در صورت تماس با پوست دست نیز بهتر است به پزشک مراجعه نمایید.

اگر بخار و گاز متصاعد شده از این اسید با چشم برخوردی داشته باشد و یا از طریق هوا استنشاق شود، ممکن است خطرات جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد. بنابراین حتماً برای کار با آن، از عینک محافظ و ماسک‌های فیلتر دار استفاده کنید.

زمانی که به پوست دست برخورد کند، ممکن است در همان لحظه تغییری ایجاد نشود، اما در اصل در زیرپوست منجر به تخریب بافت‌ها خواهد شد و بعد از گذشت چند ساعت به مرور زمان آثار سوختگی به روی دست پدیدار می‌شود.

شرایط نگهداری هیدروفلوئوریک اسید

هیدروفلوریک اسید را به هیچ عنوان نباید در معرض نور خورشید قرار داد؛ به دلیل این‌که این اسید ممکن است با اکسیژن و شیشه واکنش شیمیایی دهد، می‌بایست در ظروف پلاستیکی که مات باشند و نور از آن‌ها عبور نکند، نگهداری شود.
گاز متصاعد شده از آن به قدری سمی خواهد بود که ممکن است فردی در صورت استنشاق آن، به طور آنی ایست قلبی کند.

ویژگی های هیدروفلوریک اسید:

هیدروفلوریک از جمله محصولاتی می باشد که در فاز گازی به سر می برد. این ماده گازی بی رنگ می باشد که در هوا به شکل غبار حضور دارد. از ویژگی های این ماده شیمیایی می توان به بوی تندی که دارد اشاره کرد.

هیدروفلوریک اسید را منبع اصلی و مهم تامین فلوئور می دانند. به همین علت کاربردهای فراوانی در صنعت دارد. همچنین این ترکیب معدنی به دو صورت محلول در آب و خشک مورد استفاده قرار می گیرد.

این ماده خورنده و سمی در ساختار خود مولکول های دو اتمی با پیوندهای هیدروژنی قوی دارد که واکنش پذیری خوبی با مواد شیمیایی گوناگون همچون انواع کربنات ها، سولفیدها، فلزها و حتی آب و شیشه دارد‌.

هیدروفلوریک اسید با نام های دیگری همچون اسید فلوریک، فلوریدریک اسید، اسید هیدروفلوریدریک، اسید فلوئیدریک و…  در صنعت شناخته شده است.

روش تولید اسید هیدروفلوریک :

تولید صنعتی HF عمدتاً از دو روش اصلی انجام می‌شود. روش اول، که رایج‌ترین است، واکنش فلوریت (CaF2) با اسید سولفوریک غلیظ در دمای ۲۰۰-۲۵۰ درجه سانتی‌گراد است:

CaF2 + H2SO4 → 2HF + CaSO4

این واکنش در کوره‌های دوار انجام می‌شود و شامل مراحلی مانند  خشک‌کردن فلوریت، واکنش، خالص‌سازی و تقطیر می باشد.

روش دوم، تولید به عنوان محصول جانبی در تولید اسید فسفریک از آپاتیت است. در این فرآیند، فلورید موجود در آپاتیت با اسید سولفوریک واکنش می‌دهد و HF تولید می‌شود. همچنین، روش‌های آزمایشگاهی تولید این ماده شامل حل‌کردن گاز HF در آب است.

در مقیاس جهانی، تولید HF حدود چند میلیون تن در سال است که عمدتاً برای تولید ترکیبات فلورینه انجام می شود. در ایران، تولید آن محدود است و اغلب وارداتی است، اما در صنایع شیمیایی مانند پالایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می گیرد.

روش اول تولید اسید هیدروفلوریک:

به طور کلی در این روش،اسید هیدروفلوریک، حاصل واکنش اسید سولفوریک مایع و کلسیم فلوراید می باشد. انجام این واکنش، طی چهار مرحله انجام می شود:

1. در مرحله اول کلسیم فلوراید را طی فرآیندی خشک کرده
2. سپس کلسیم فلوراید با سولفوریک اسید مایع، وارد واکنش می شود.
3. هیدروفلوریک اسید که با محصولات جانبی تولید می شود را خالص سازی می کنند تا محصولات جانبی از آن خارج شود.
4. در مرحله آخر، برای تولید این اسید با خلوص بالا، عملیات تقطیر انجام می شود.

این روش تولید، در کوره های لوله ای دوار، طی واکنشی گرماگیر انجام می شود.

روش دوم تولید اسید هیدروفلوریک:

در روش دوم ابتدا گاز هیدروژن فلورید را با آب مخلوط می کنند تا به صورت کامل در آب حل شود سپس به وسیله تقطیر دو ماده کلسیم فلورید با اسید سولفوریک تهیه می شود.

خطرات و نکات ایمنی هیدروفلوریک اسید

هیدروفلوریک اسید یکی از خطرناک‌ترین اسیدها می باشد. تماس آن با پوست منجر به سوختگی‌های عمیق در  بافت بدن می‌شود، زیرا یون فلورید با کلسیم موجود در بدن پیوند می‌دهد و هیپوکالسمی ایجاد می‌کند. علائم ممکن است با تأخیر خودشان را نشان دهند؛ برای مثال، غلظت‌های زیر ۱۴.۵% امکان دارد پس از چند ساعت ظاهر شوند.

استنشاق بخار HF می‌تواند منجر به آسیب ریوی، ایست قلبی و مرگ شود. حتی سوختگی ۲.۵% از سطح بدن با HF غلیظ می‌تواند کشنده باشد. برای مقابله با آسیب های این ماده باید از روش هایی مانند  شستشو با آب، استفاده از ژل کلسیم گلوکونات و تزریق داخل‌وریدی کلسیم بهره برد. در صورت تماس با بدن، فوراً به پزشک مراجعه شود.

برای حفظ ایمنی، باید از دستکش‌های نئوپرن یا PVC، عینک محافظ، ماسک فیلتردار و لباس‌های مقاوم استفاده کرد. نگهداری این ماده در ظروف پلی‌اتیلن مات ضروری می باشد، زیرا با شیشه و نور خورشید واکنش می‌دهد.

تأثیرات زیست‌محیطی هیدروفلوریک اسید

HF می‌تواند از طریق انتشار صنعتی به هوا، آب و خاک وارد شود. انتشار از صنایع آلومینیوم و فسفات بیشترین سهم را دارد. در هوا، HF می‌تواند به گیاهان حساس مانند کاج و میوه‌ها آسیب بزند. در آب، سمیت کمی برای ماهی‌ها و آبزیان دارد، اما در آب نرم میزان آسیبی وارده بیشتر است.

انتشار طبیعی از آتش فشان ها نیز وجود دارد، اما انتشار صنعتی در استرالیا بیش از ۴۴۰۰ تن در سال است. فلوریدها در بافت‌های استخوانی حیوانات انباشته می‌شوند و ممکن است زیست انباشتگی افزایشی  (biomagnification)  رخ دهد. استفاده نرمال از  HF تأثیر کمی دارد، اما حوادث ناشی از آن می‌تواند آلودگی محیط زیستی ایجاد کند.

مقررات و استانداردهای مرتبط

در اتحادیه اروپا، HF به عنوان ماده خطرناک طبقه‌بندی شده و نیاز به مجوز دارد. در آمریکا، استانداردهای ایمنی برای استفاده از HF وجود دارد.

در ایران، طبق استانداردهای وزارت بهداشت و سازمان حفاظت محیط زیست، HF باید با احتیاط حمل و نگهداری شود. پیشنهادها و ایده هایی برای ممنوعیت استفاده در پالایشگاه‌ها وجود دارد، اما هنوز اجرا نشده است.