Trifluoruro de nitrógeno ( NF
3) es un gas tóxico inorgánico , incoloro, no inflamable y con un ligero olor a humedad. Encuentra un uso cada vez mayor en la fabricación de pantallas planas , energía fotovoltaica , LED y otras microelectrónicas . [6] El trifluoruro de nitrógeno también es un gas de efecto invernadero extremadamente fuerte y de larga duración . Su carga atmosférica superó las 2 partes por billón durante 2019 y se ha duplicado cada cinco años desde finales del siglo XX. [7] [8]
Nombres | |
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Nombre IUPAC Trifluoruro de nitrógeno | |
Otros nombres Fluoruro de nitrógeno Trifluoramina Trifluoramonia | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
CHEBI | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.029.097 |
Número CE |
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1551 | |
PubChem CID | |
Número RTECS |
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UNII | |
un numero | 2451 |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
NF 3 | |
Masa molar | 71,00 g / mol |
Apariencia | gas incoloro |
Olor | mohoso |
Densidad | 3.003 kg / m 3 (1 atm, 15 ° C) 1.885 g / cm 3 (líquido en bp) |
Punto de fusion | −207,15 ° C (−340,87 ° F; 66,00 K) |
Punto de ebullición | −129,06 ° C (−200,31 ° F; 144,09 K) |
solubilidad en agua | 0,021 g / 100 mL |
Presión de vapor | 44,0 atm [1] (-38,5 ° F o -39,2 ° C o 234,0 K) [a] |
Índice de refracción ( n D ) | 1.0004 |
Estructura | |
Forma molecular | piramidal trigonal |
Momento bipolar | 0,234 D |
Termoquímica | |
Capacidad calorífica ( C ) | 53,26 J / (mol · K) |
Entropía molar estándar ( S | 260,3 J / (mol · K) |
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 ) | −31,4 kJ / mol [2] −109 kJ / mol [3] |
Energía libre de Gibbs (Δ f G ˚) | −84,4 kJ / mol |
Peligros | |
Ficha de datos de seguridad | Aire líquido |
NFPA 704 (diamante de fuego) | 1 0 0 BUEY |
punto de inflamabilidad | No es inflamable |
Dosis o concentración letal (LD, LC): | |
LC 50 ( concentración media ) | 2000 ppm (ratón, 4 h ) 9600 ppm (perro, 1 h) 7500 ppm (mono, 1 h) 6700 ppm (rata, 1 h) 7500 ppm (ratón, 1 h) [5] |
NIOSH (límites de exposición a la salud de EE. UU.): | |
PEL (permitido) | TWA 10 ppm (29 mg / m 3 ) [4] |
REL (recomendado) | TWA 10 ppm (29 mg / m 3 ) [4] |
IDLH (peligro inmediato) | 1000 ppm [4] |
Compuestos relacionados | |
Otros aniones | tricloruro de nitrógeno tribromuro de nitrógeno triyoduro de nitrógeno amoníaco |
Otros cationes | trifluoruro de fósforo trifluoruro de arsénico trifluoruro de antimonio trifluoruro de bismuto |
Fluoroazanes binarios relacionados | tetrafluorohidrazina |
Compuestos relacionados | difluoruro de dinitrógeno |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Síntesis y reactividad
El trifluoruro de nitrógeno no existía en cantidades significativas en la Tierra antes de su síntesis por el hombre. Es un raro ejemplo de un fluoruro binario que se puede preparar directamente a partir de los elementos solo en condiciones muy poco comunes, como una descarga eléctrica. [9] Después de intentar la síntesis por primera vez en 1903, Otto Ruff preparó trifluoruro de nitrógeno mediante la electrólisis de una mezcla fundida de fluoruro de amonio y fluoruro de hidrógeno . [10] Resultó ser mucho menos reactivo que los otros trihaluros de nitrógeno tricloruro de nitrógeno , tribromuro de nitrógeno y triyoduro de nitrógeno , todos los cuales son explosivos. Solo entre los trihaluros de nitrógeno tiene una entalpía de formación negativa. Se prepara en los tiempos modernos tanto por reacción directa de amoníaco y flúor como por una variación del método de Ruff. [11] Se suministra en cilindros presurizados.
NF
3es ligeramente soluble en agua sin sufrir reacción química. No es básico con un momento dipolar bajo de 0.2340 D. Por el contrario, el amoníaco es básico y muy polar (1.47 D). [12] Esta diferencia surge de que los átomos de flúor actúan como grupos sustractores de electrones, atrayendo esencialmente todos los pares de electrones solitarios del átomo de nitrógeno. NF 3 es un oxidante potente pero lento.
Oxida el cloruro de hidrógeno a cloro:
- 2 NF 3 + 6 HCl → 6 HF + N 2 + 3 Cl 2
Es compatible con acero y Monel , así como con varios plásticos. Se convierte en tetrafluorohidrazina al entrar en contacto con metales, pero solo a altas temperaturas:
- 2 NF 3 + Cu → N 2 F 4 + CuF 2
NF 3 reacciona con flúor y pentafluoruro de antimonio para dar la sal de tetrafluoroamonio :
- NF 3 + F 2 + SbF 5 → NF +
4SbF -
6
Aplicaciones
El trifluoruro de nitrógeno se utiliza principalmente para eliminar el silicio y los compuestos de silicio durante la fabricación de dispositivos semiconductores como pantallas LCD , algunas células solares de película delgada y otras microelectrónicas. En estas aplicaciones NF
3se descompone inicialmente dentro de un plasma . Los radicales de flúor resultantes son los agentes activos que atacan al polisilicio , el nitruro de silicio y el óxido de silicio . Pueden ser utilizados también para eliminar siliciuro de tungsteno , tungsteno , y ciertos otros metales. Además de servir como grabador en la fabricación de dispositivos, NF
3también se usa ampliamente para limpiar cámaras PECVD .
NF
3 se disocia más fácilmente dentro de una descarga de baja presión en comparación con los compuestos perfluorados (PFC) y el hexafluoruro de azufre ( SF
6). La mayor abundancia de radicales libres cargados negativamente así generados puede producir tasas de eliminación de silicio más altas y proporcionar otros beneficios del proceso, como una menor contaminación residual y una carga neta más baja en el dispositivo que se está fabricando. Como un agente de grabado y limpieza que se consume un poco más a fondo, el NF 3 también se ha promovido como un sustituto ambientalmente preferible del SF.
6o PFC como hexafluoroetano . [13]
La eficiencia de utilización de los productos químicos aplicados en los procesos de plasma varía ampliamente entre equipos y aplicaciones. Una fracción considerable de los reactivos se desperdicia en la corriente de escape y, en última instancia, puede ser emitida a la atmósfera terrestre. Los sistemas de reducción modernos pueden reducir sustancialmente las emisiones atmosféricas. [14] NF
3no ha estado sujeto a restricciones de uso significativas. El informe anual de NF
3La producción, el consumo y las emisiones de desechos por parte de los grandes fabricantes se han exigido en muchos países industrializados como respuesta al crecimiento atmosférico observado y al Protocolo internacional de Kioto . [15]
El gas de flúor altamente tóxico (F 2 , flúor diatómico ) es un reemplazo neutro para el clima del trifluoruro de nitrógeno en algunas aplicaciones de fabricación. Requiere precauciones de seguridad y manipulación más estrictas, especialmente para proteger al personal de fabricación. [dieciséis]
El trifluoruro de nitrógeno también se utiliza en láseres de fluoruro de hidrógeno y fluoruro de deuterio , que son tipos de láseres químicos . Allí también se prefiere al gas flúor debido a sus propiedades de manejo más convenientes.
Gases de efecto invernadero
NF
3es un gas de efecto invernadero , con un potencial de calentamiento global (GWP) 17.200 veces mayor que el del CO2en comparación con un período de 100 años. [17] [18] [19] Su GWP lo coloca solo en segundo lugar después de SF6en el grupo de gases de efecto invernadero reconocidos por Kioto , y NF
3se incluyó en ese grupo con efecto a partir de 2013 y el comienzo del segundo período de compromiso del Protocolo de Kyoto. Tiene una vida atmosférica estimada de 740 años, [17] aunque otros trabajos sugieren una vida útil ligeramente más corta de 550 años (y un GWP correspondiente de 16.800). [20]
Aunque NF
3tiene un GWP alto, durante mucho tiempo se ha asumido que su forzamiento radiativo en la atmósfera terrestre es pequeño, presumiendo falsamente que solo se liberan pequeñas cantidades a la atmósfera. Aplicaciones industriales de NF
3rutinariamente lo descomponen, mientras que en el pasado se usaban compuestos regulados como SF
6y los PFC a menudo se liberaban. La investigación ha cuestionado los supuestos anteriores. Las aplicaciones de alto volumen, como la producción de memoria DRAM para computadora, la fabricación de pantallas planas y la producción a gran escala de células solares de película delgada utilizan NF
3. [20] [21]
Desde 1992, cuando se produjeron menos de 100 toneladas, la producción ha crecido a unas 4000 toneladas en 2007 y se prevé que aumente significativamente. [20] Se espera que la producción mundial de NF 3 alcance las 8000 toneladas al año en 2010. Con mucho, el mayor productor mundial de NF.
3es la empresa estadounidense de gases industriales y químicos Air Products & Chemicals . Se estima que el 2% de NF producido
3se libera a la atmósfera. [22] [23] Robson proyectó que la concentración atmosférica máxima es inferior a 0,16 partes por trillón (ppt) en volumen, lo que proporcionará menos de 0,001 Wm −2 de forzamiento IR. [24] La concentración troposférica mundial media de NF 3 ha aumentado de aproximadamente 0,02 ppt (partes por billón, fracción molar de aire seco) en 1980 a 0,86 ppt en 2011, con una tasa de aumento de 0,095 ppt año -1 , o aproximadamente 11% por año, y un gradiente interhemisférico que es consistente con las emisiones que ocurren abrumadoramente en el hemisferio norte, como se esperaba. Esta tasa de aumento en 2011 corresponde a alrededor de 1200 toneladas métricas / año de emisiones de NF 3 a nivel mundial, o alrededor del 10% de las estimaciones de producción global de NF 3 . Este es un porcentaje significativamente más alto de lo que ha sido estimado por la industria y, por lo tanto, refuerza la necesidad de inventariar la producción de NF 3 y regular sus emisiones. [25] Un estudio en coautoría de representantes de la industria sugiere que la contribución de las emisiones de NF 3 al balance general de gases de efecto invernadero de la fabricación de células solares de Si de película delgada es clara. [26]
La CMNUCC , en el contexto del Protocolo de Kioto, decidió incluir el trifluoruro de nitrógeno en el segundo período de cumplimiento del Protocolo de Kioto , que comienza en 2012 y finaliza en 2017 o 2020. A continuación, el Protocolo de GEI de WBCSD / WRI está modificando estándares (corporativo, producto y Alcance 3) para cubrir también NF 3 . [27]
Seguridad
Contacto de la piel con NF
3no es peligroso y es un irritante relativamente menor para las membranas mucosas y los ojos. Es un irritante pulmonar con una toxicidad considerablemente menor que la de los óxidos de nitrógeno , y la sobreexposición por inhalación provoca la conversión de la hemoglobina en sangre en metahemoglobina , lo que puede conducir a la condición de metahemoglobinemia . [28] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) especifica que la concentración que es inmediatamente peligrosa para la vida o la salud (valor IDLH) es de 1,000 ppm. [29]
Ver también
- Lista del IPCC de gases de efecto invernadero
- Pentafluoruro de nitrógeno
- Tetrafluorohidrazina
Notas
- ^ Esta presión de vapor es la presión a su temperatura crítica , por debajo de la temperatura ambiente normal.
Referencias
- ^ Productos de aire; Propiedades físicas del trifluoruro de nitrógeno
- ^ Sinke, GC (1967). "La entalpía de disociación del trifluoruro de nitrógeno". J. Phys. Chem . 71 (2): 359–360. doi : 10.1021 / j100861a022 .
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enlaces externos
- Inventario Nacional de Contaminantes - Hoja de datos de fluoruros y compuestos en Wayback Machine (archivada el 22 de diciembre de 2003)
- Código de prácticas NF 3 (Asociación europea de gases industriales)]
- Página de libro web para NF 3
- CDC - Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos
NH 3 N 2 H 4 | Él (N 2 ) 11 | ||||||||||||||||
Li 3 N | Ser 3 N 2 | BN | β-C 3 N 4 g-C 3 N 4 C x N y | N 2 | N x O y | NF 3 | Nordeste | ||||||||||
Na 3 N | Mg 3 N 2 | AlN | Si 3 N 4 | PN P 3 N 5 | S x N y SN S 4 N 4 | NCl 3 | Arkansas | ||||||||||
K 3 N | Ca 3 N 2 | ScN | Estaño | VN | CrN Cr 2 N | Mn x N y | Fe x N y | Estafa | Ni 3 N | CuN | Zn 3 N 2 | GaN | Ge 3 N 4 | Como | Se | NBr 3 | Kr |
Rb | Sr 3 N 2 | YN | ZrN | NbN | β-Mo 2 N | Tc | Ru | Rh | PdN | Ag 3 N | CdN | Posada | Sn | Sb | Te | NI 3 | Xe |
Cs | Ba 3 N 2 | Hf 3 N 4 | Broncearse | WN | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg 3 N 2 | TlN | Pb | Compartimiento | Correos | A | Rn | |
P. | Ra 3 N 2 | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Monte | Ds | Rg | Cn | Nueva Hampshire | Florida | Mc | Lv | Ts | Og | |
↓ | |||||||||||||||||
La | CeN | Pr | Dakota del Norte | Pm | Sm | UE | GdN | Tuberculosis | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |||
C.A | Th | Pensilvania | U 2 N 3 | Notario público | Pu | Soy | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Maryland | No | Lr |