Trifluoruro di azoto
Il trifluoruro di azoto ha formula NF3 e si presenta come un gas non infiammabile, scarsamente solubile in acqua, incolore e dal tipico odore di muffa.
Proprietà
Il trifluoruro di azoto è una sostanza tossica ed è pericolosa per inalazione perché induce la produzione di metaemoglobina che riduce i livelli di ossigeno nei tessuti del corpo.
Ha una geometria molecolare analoga a quella dell’ammoniaca ma, rispetto ad essa l’angolo di legame è minore. Ciò è dovuto alla elettronegatività del fluoro che attrae a sé gli elettroni di legame con conseguente riduzione delle repulsioni interelettroniche.
Rispetto all’ammoniaca e agli altri trialogenuri, è il meno basico a causa dell’elevata elettronegatività del fluoro che riduce la disponibilità del doppietto elettronico solitario presente sull’azoto.
Il trifluoruro di azoto è un in grado di trattenere il calore emesso dalla superficie terrestre, dall’atmosfera e dalle nuvole 17200 volte in più del biossido di carbonio. Ha inoltre un tempo di permanenza nell’atmosfera di 740 anni.
Sintesi
Il chimico tedesco Otto Ruff considerato uno dei pionieri della chimica inorganica del XX secolo nel 1928 ottenne per la prima volta il trifluoruro di azoto per via elettrolitica.
L’elettrolisi di una miscela fusa di fluoruro di ammonio e fluoruro di idrogeno fu effettuata in una cella elettrolitica di rame utilizzando un anodo di carbonio e una temperatura di 125°C. La reazione complessiva che avviene è:
NH4F + 2 HF → NF3+ 3 H2
Il trifluoruro di azoto può anche essere ottenuto dalla reazione tra ammoniaca e fluoro:
4 NH3(g) + 3 F2(g) → NF3(g) + 3 NH4F(s)
Un altro metodo di sintesi del trifluoruro di azoto prevede la reazione del complesso esafluoroalluminato di ammonio con il fluoro alla temperatura di 100°C.
Si suppone che la reazione avvenga in due stadi. Nel primo stadio si forma, oltre al trifluoruro di azoto il tetrafluoroalluminato di ammonio e il fluoruro di idrogeno
(NH4)3AlF6 +6 F2 → 2 NF3+ 8 HF + NH4AlF4
Nel secondo stadio il tetrafluoroalluminato di ammonio reagisce con il fluoro per dare trifluoruro di azoto, fluoruro di alluminio e fluoruro di idrogeno:
NH4AlF4 + 3 F2 → NF3+ 4 HF + AlF3
Reazioni
Il trifluoruro di azoto non reagisce con l’acqua a temperatura ambiente ma idrolizza lentamente a 100°C in soluzione basica. È un ossidante e, ad esempio ossida il cloruro di idrogeno a cloro secondo la reazione di ossidoriduzione:
2 NF3 + 6 HCl → 6 HF + N2 + 3 Cl2
in cui l’azoto passa da numero di ossidazione +3 a numero di ossidazione zero mentre il cloro passa da numero di ossidazione -1 a zero.
Il trifluoruro di azoto reagisce con metalli come rame e bismuto a una temperatura superiore a 300°C per dare fluoruri metallici e tetrafluoroidrazina secondo la reazione:
2 NF3+ Cu → CuF2 + N2F4
Usi
Il trifluoruro di azoto viene utilizzato nell’industria microelettronica e in particolare in quella dei semiconduttori come etching gas ovvero gas che vengono utilizzati per pulire, mediante attacco chimico, le superfici costituendo una valida alternativa ai fluorocarburi usati in passato.
Quando il trifluoruro di azoto è decomposto da un plasma ovvero da un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e globalmente neutro, si decompone secondo la reazione:
2 NF3(g) → 6 F(g) + N2(g)
Quando il fluoro atomico attacca un dispositivo a semiconduttore costituito da silicio si forma tetrafluoruro di silicio secondo la reazione:
4 F(g) + Si(s) → SiF4(g)
Il tetrafluoruro di silicio è allontanato e gli atomi di silicio che erano parte del reticolo cristallino vengono allontanati lasciando delle cavità nel solido.
Questo processo di fotolitografia serve per trasferire sui chip le geometrie presenti su una maschera
Per modellare in wafer di silicio la parte che non deve essere incisa viene rivestita con un materiale organico o polimerico sensibile alla luce detto fotoresist che viene impressionato lasciando aree della superficie coperta e aree esposte che vengono attaccate e quindi incise dal fluoro.
Il trifluoruro di azoto viene inoltre utilizzato per rimuovere depositi di biossido di silicio o di nitruro di silicio dalle camere utilizzate nella tecnica di deposizione chimica da vapore potenziata dal plasma (PECVD)