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公司致力于氟树脂工业与其他特种新材料产业的前沿技术与销售,目前主要经营氟塑料(PTFE/FEP/PFA/ETFE/PVDF等)、色母、氟涂料、PEEK、芳纶、碳纤维、玻璃纤维、功能性化学品及其他特种新材料。
科班出身的我,以高分子的专业知识深入浅出的聊聊一下概念。希望你们多多关注上海劲孚化工/021-57629631。
1:碳氟键是什么键?
碳氟键为极性共价键,是一种强饱和化学键,由一个碳原子和一个氟原子组成。这个键是通过原子轨道的相互叠加产生的。但由于碳与氟的电负性相差较大,氟原子的电负性较高,轨道的电子云会更加偏向氟。同时使得碳氟键非常稳定。
碳氟键断裂能量受多种因素影响,包括分子结构、溶剂效应、温度和压力等。碳氟键断裂的能量主要来自于两个方面:键能和活化能。
碳氟键的键能是断裂所需能量的重要组成部分。由于氟原子的电负性较高,碳和氟之间的电子的共享程度较小,使得碳氟键的键能较高。碳氟键的键能值通常高于其他化学键!
碳氟键的断裂需要克服活化能,即在断裂过程中克服吸附态、过渡态和解离态等能垒。活化能主要取决于反应机理、反应速率和反应条件等因素。
2:碳氟键的特性与作用
碳氟键(C-F)的特性如下图表:

氟碳键键能强,键距短、电负性大、极性小。另外,由于C-F键比较强,因此具有极小的范德华引力,并且分子间束缚小,显现出以下特性:
高键能→优异的耐热性、耐化学性、耐溶剂性、耐燃性(耐氧化性)和耐气候性。
较低的极性→低折射率、低介电常数、绝缘性能、不粘性、憎水性和憎油性。
较小的范德华引力→极好的不粘性和低摩擦性,良好的成纤性。

①由于氟原子半径很小且电子和原子核之间的相互作用比较大,因此氟原子具有较小的极性。
② 氟原子在所有元素中具有最大的电负性。
③氟原子容易与所有元素结合并且具有较强的结合力,因此,与其它化合物结合间的范德华力相当小。

我曾经记得我高中奥林匹克化学竞赛李豹先老师这样讲(因高中提前学了,读大学时上化学专撩女同学或逃课去了--- 一本大学都如此/这也难免我国基础材料科学发展任重道远啊):氟是简单立方晶体结构,氟有5个2P核素,引力空间位只有1个空缺;氟的SP杂化模型是:一个2S核素移向Z轴中心旋涡,一个2P核素进入2S核素的引力旋涡,另两个2P核素围绕SP引力臂对旋,还有两个核素保持原有位置。只有在特殊的环境中氟的两对对旋的2P核素才能完全拆开,即除了有斥力环境外还应该要有空间环境等,这时氟的引力延伸轨道会增多,即发生SP2、SP3杂化过程。一旦SP2、SP3杂化发生,这时氟的活性就会增大,这就是氢氟酸氧化性强的原因。下图-氟原子核SP改道过程示意图。

当氟SP3杂化时,有三个SP3引力臂是三对核素对旋结构,或者是类似核素同位素结构,另一个引力臂是单独核素,三对对旋核素共同形成对单独核素形成牵制,使氟化氢性质特别活泼。
以上这些是大学化学里专业解释的,现在我们通俗化来做分析讲解:氢氟酸中的氟离子的半径很小,甚至小于氧离子,这导致它有很强的渗透性,致密的氧化物也不能阻止它的渗透,氟离子(F-)具有极强的腐蚀性,主要原因如下:

氟是所有元素中电负性最高的元素,其电负性值为4。高电负性使得氟离子能够强烈吸引其他原子中的电子,从而形成强烈的化学键。 氟原子的半径非常小,这使得氟离子在与其他原子结合时,能够更接近原子核,从而形成更强的化学键。这种强烈的结合力使得氟离子能够破坏其他化合物的化学键,导致腐蚀。 氟离子的反应活性非常高,能够与许多金属和非金属元素发生反应。例如,氟离子可以与金属离子形成氟化物,这些氟化物通常具有较高的溶解度,从而加速腐蚀过程。 氟离子在水中形成氢氟酸(HF),氢氟酸是一种弱酸,但具有很强的腐蚀性。酸的强弱的定义为给出氢离子的能力,由于F半径小,可极化率低,所以不容易电离,所以它是弱酸。氢氟酸能够与硅酸盐、玻璃、陶瓷等材料发生反应,生成可溶性的氟化物,导致材料表面被腐蚀。(关于世界上的几大腐蚀性酸或强酸,上海劲孚化工公众号有专门说明文章。) 氢氟酸的分子非常小,能够穿透许多材料的表面,进入材料内部进行腐蚀。这种穿透性使得氢氟酸对许多材料具有极强的腐蚀性。我们上海劲孚化工在其他文章也讲解过氢氟酸的腐蚀现象,当氢氟酸腐蚀皮肤的时候,开始对皮肤腐蚀,同时氟离子会向皮肤下的肌肉组织渗透,继而腐蚀皮肤下面的肌肉,如果不及时处理,它还会渗透到里边的骨头上,腐蚀骨头。被氢氟酸腐蚀的皮肤很难愈合,同时伴有剧烈的疼痛。其他的强酸,强碱没有这种渗透性。 同时氢氟酸和盐酸一样有很强的挥发性,会产生酸雾,这更增强了它的腐蚀性。人吸入氢氟酸酸雾。会强烈刺激,腐蚀呼吸道,吸入过多会造成呼吸道水肿,溃烂,肺水肿,呼吸衰竭而死亡。 氟离子能够与金属离子形成稳定的氟化物,这些氟化物通常具有较高的溶解度,从而加速金属的腐蚀。例如,氟离子可以与铝、铁等金属形成氟化铝、氟化铁等,这些氟化物在水中溶解,导致金属表面被腐蚀。 氟离子能够与玻璃和陶瓷中的硅酸盐反应,生成可溶性的氟化物,从而破坏玻璃和陶瓷的结构,导致腐蚀。

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