VÌ SAO HF LÀ ACID YẾU HƠN HCL NHƯNG CÓ TÍNH ĂN MÒN CAO HƠN?
Hydrogen fluoride (HF) và hydrogen chloride (HCl) là hai halo acid với tính chất rất khác nhau, tạo nên một nghịch lí thú vị trong hóa học. Mặc dù HF là acid (hằng số phân li Kₐ ≈ 6.6 × 10⁻⁴) yếu hơn nhiều so với HCl (Kₐ > 10⁷) nhưng HF lại thể hiện tính ăn mòn mạnh hơn đáng kể với nhiều vật liệu như thủy tinh, kim loại và mô sinh học. Sự khác biệt này bắt nguồn từ đặc tính cấu trúc phân tử và hoạt tính hóa học của chúng.
Khác biệt về tính acid yếu của HF so với HCl xuất phát từ ba yếu tố chính:
① Liên kết H–F có độ bền cao hơn (567 kJ/mol so với 431 kJ/mol của H–Cl) do fluorine có độ âm điện cao nhất bảng tuần hoàn (4.0 theo thang Pauling, so với 3.0 của chlorine). Liên kết mạnh này đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để phá vỡ, khiến HF khó phân li proton trong dung dịch.
② HF có khả năng tạo liên kết hydrogen mạnh giữa các phân tử, hình thành cụm phân tử dạng vòng như (HF)₄ hoặc (HF)₅, làm giảm khả năng ion hóa. Trái lại, khả năng tạo liên kết hydrogen của HCl hầu như không đáng kể so với HF.
③ Khi phân li, ion F⁻ nhỏ với mật độ điện tích cao sẽ tương tác mạnh với proton, dễ dàng tái kết hợp hơn so với ion Cl⁻ lớn hơn.
Tổ hợp của ba yếu tố này khiến HF khó phân li proton trong nước, thể hiện tính acid yếu hơn HCl. TUY NHIÊN, tính ăn mòn vượt trội của HF không phụ thuộc vào nồng độ H⁺, mà đến từ đặc tính của nguyên tử fluorine và phân tử HF. Kích thước nhỏ của fluorine cho phép HF thẩm thấu sâu vào cấu trúc vật liệu và tính linh động cao của phân tử giúp nó xâm nhập vào khe hở vi mô trên bề mặt. Đặc biệt, HF có khả năng tạo phức bền với nhiều kim loại và phi kim. Ví dụ đặc trưng là phản ứng với silica (SiO₂) trong thủy tinh tạo thành SiF₄ dễ bay hơi:
SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O
Gây ra sự phá hủy hoàn toàn cấu trúc thủy tinh. Đặc tính này khiến HF trở thành công cụ quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp như khắc thủy tinh, xử lý bề mặt kim loại và sản xuất hóa chất, nhưng cũng đòi hỏi các biện pháp an toàn đặc biệt khi sử dụng. HCl không thể phản ứng tương tự vì ion Cl⁻ không tạo phức bền với silicon. Với mô sinh học, HF thẩm nhập qua da và phản ứng với Ca²⁺ trong xương, tạo phức CaF₂, gây tổn thương mô sâu và đau đớn nghiêm trọng - đây là lí do HF nguy hiểm hơn HCl dù là acid yếu.