四氯化碳

一种无色有毒的有机化合物

四氯化碳( Carbon tetrachloride ),又名四氯甲 , 是一种有机化合物, 分子式 为CCI 4 ,分子量153.8g/ 摩尔 , 密度为1.594g/cm 3 (20°C) ,呈四面体结构,是非 极性 分子。 常温下为无色透明液体, 具有氯仿的微甜气味,微溶于水,不易燃,可与 乙醇 、 乙醚 、 三氯甲烷 及 石油醚 等 混溶 ; 四氯化碳不燃烧,不与强酸碱作用,可与某些金属 卤化物 、 水蒸气 等发生反应。

四氯化碳应用广泛,在化工领域可用于制备 四氯乙烯 、 一氯甲烷 、氯仿等; 在农业领域可用作 拟除虫菊酯 类农药中间体和 熏蒸剂 ; 在畜牧业领域可用作驱虫剂; 可用作清洗剂,用于衣服洗涤、去脂,以及金属零件的除油等; 还可用作灭火剂,与燃烧性的气体合用,以使它们不燃烧。

四氯化碳有较强的毒性,人体经 呼吸道 或胃肠道吸收会出现 中枢神经系统 麻醉及肝、 肾脏损伤 症状,极高浓度吸入时,可抑制延髓而迅速出现 昏迷 、抽搐,甚至突然死亡;经口中毒时 消化系统 症状明显,出现肝功能异常等 中毒性肝病 征象,严重者可发生暴发性肝功能衰竭,出现少尿、无尿、 氮质血症 等 急性肾功能衰竭 的表现等; 2017年10月27日, 世界卫生组织 国际癌症研究机构 公布的致癌物清单:四氯化碳在2B类致癌物清单中。

简史

1839年, 法国 化学家 亨利·勒尼奥 (Henri Victor Regnault )在日光下将 氯 与煮沸的 氯甲烷 CH 3 CI作用,制取了一种新的有毒液体,这种有毒液体就是碳的化合物四氯化碳(CCI 4 )。 1843年, 德国 化学家柯尔比(柏)(Kolbe)指出,在碘或 氯化铅 的催化作用下,氯气与 二硫化碳 作用也生成四氯化碳。

1897年,德因 莱比锡市 的吕德维格·安特林(Ludwig Antelin)发明了使用四氯化碳作干洗剂,这使干洗技术向前跨进一步。四氯化碳洗涤效果好,不易燃,缺点是带有刺鼻的异味,而且对设备具有腐蚀性,到了1918年被 三氯乙烯 所取代。 1942年,四氯化碳被发现是芳香 苄基 氢进行 溴化 取代反应 的最好 溶剂 。

1989年, 国际社会 缔结《关于消耗 臭氧层 物质的蒙特利尔议定书》,共同开展保护臭氧层的全球行动,消耗臭氧层物质,1991年,中国加入议定书,实现四氯化碳的全面淘汰。

理化性质

物理性质

四氯化碳在常温下为无色透明、易挥发、不易燃的油状液体,具有 氯仿 的微甜气味。蒸气较空气重5.3倍,无闪点; 分子量153.8g/ mol ,密度为1.594g/cm 3 (20°C) ,蒸气压12.2kPa(20°C), 熔点- 23°C , 沸点 为76.8°C ;微溶于水,可与 乙醇 、 乙醚 、 氯仿 及 石油醚 等 混溶 ; 溶于 石脑油 ,大多数固定油和 挥发性 油; 能溶解油脂、 生胶 、 醇酸树脂 等。

化学性质

四氯化碳不燃烧,但遇明火或高温易产生剧毒的光气和氯化氢烟雾;在潮湿空气中会逐渐分解为光气和氯化氢;不与强酸碱作用,其禁配物包括活性金属粉末、强氧化剂。在加热条件下可与某些金属的卤化物如AgF等作用生成四卤化碳;与水反应在不同条件下产物不同,在水蒸气作用下生成 光气 ,在某些金属存在下、常温下可生成 二氧化碳 和 氯化氢 ; 与化学活泼金属(如钠、钾、镁)不相容; 与硫反应生成二硫化碳;以及与苯反应生成若干氯化氢等。

热分解

将四氯化碳置于 石英管 中,加热至1300~1400℃时,即分解为 四氯乙烯 ,生成的四氯乙烯必须迅速予以冷凝,以防止进一步化合为 六氯乙烷 。

与单质反应

与金属反应

四氯化碳蒸气与汞蒸气在600~700℃反应时,即有 氯化亚汞 形成。

四氯化碳与1% 钠汞齐 在微微加热下反应后,即有 氯化钠 和碳形成。

与非金属反应

与硫于封闭管中在180~200℃反应时,即有硫 光气 和二 氯化硫 形成。当四氯化碳与硫共加热时,即有 二硫化碳 和 一氯化硫 形成。

与 氢气 反应时,即有 甲烷 形成。

与水在500°C以上反应生成 氧氯化碳 。

与化合物反应

与酸反应

四氯化碳与 硫酸 在 硅藻土 作为 催化剂 的情况下反应时,即有下列化合物形成。

四氯化碳与 氟化氢 反应可生成 二氯二氟甲烷 、 三氯氟甲烷 等化合物。

与卤盐反应

在加热条件下,四氯化碳能与卤盐反应,生成其他四 卤化物 ,如四氯化碳与 氟化银 、 碘化钙 等反应,分别生成 四氟化碳 、 四碘化碳 。

与无机化合物反应

与 氢氧化钾 的 甲醇 溶液加热生成 碳酸钾 和 氯化钾 。

与 硫化氢 反应生成硫 氧氯化碳 。

与氧化物反应

四氯化碳与 氧化银 于250℃加热反应时,即有 氧氯化碳 和 氯化银 形成。

二氧化钼 与四氯化碳在250℃反应时,生成相应的 氯化物 。在200℃时,则二者反应后,生成淡黄绿色氯 氧化物 。在240℃时,则氯的置换即达到完全。

五氧化二磷 与四氯化碳在200~210℃反应后,即有 三氯氧磷 、 光气 和 二氧化碳 形成。

与 二氧化锡 反应时,将四氯化碳的蒸气通入已加热至嫩红色的二氧化锡上,即有 四氯化锡 、 氯化亚锡 、氯、二氧化碳和 二氯乙炔 形成。

与 二氧化钛 反应时,将四氯化碳蒸气通入已加热至红的二氧化钛上,即有 氯化钛 形成。

三氧化钨 与四氯化碳在560℃反应时,即有四氯一氧化钨形成。将四氯化碳蒸气通入已加热至红的三氧化钨上,即有 二氯二氧化钨 、四氯一氧化钨的 混合物 形成,其主要反应如下式所示。

与 三氧化硫 反应,平稳地释出 光气 。其残留物为焦 磺酰氯 和三氧化硫。

与有机物反应

当四氯化碳与苯的蒸气在温度超过它们的临界温度,压力大于30397.5千帕时,二者反应后即有碳沉积出来,同时有若干 氯化氢 形成。

分子结构

四氯化碳是非极性分子,正负电荷重心重合, 分子结构 对称。 如图1所示,4个氯 原子 位于 正四面体 的4个顶点, 碳原子 在正四面体的中心。整个分子的复杂振动可以分解为图2所示的9种简单振动。

应用领域

四氯化碳广泛应用于驱虫剂、干洗剂,主要作为 化工原料 ,用于制造 氟氯甲烷 、 三氯甲烷 和多种药物;作为有机 溶剂 ,性能良好,用于油、脂肪、蜡、橡胶、油漆、 沥青 及 树脂 的溶剂;也用作灭火剂、 熏蒸剂 ,以及机器部件、 电子 零件的清洗剂等。

化工领域

四氯化碳可用于制备 四氯乙烯 、 氯甲烷 、氯仿、 氯代烃 、 肉桂酸 和 三氯乙酰氯 等,也是合成 金刚石 的原料。

药物领域

四氯化碳是芳香 基氢进行 溴化 取代反应 的最好溶剂,应用最广的是 高血压 治疗药物沙坦类 中间体 的合成。

农业领域

杀虫剂

四氯化碳可用作 拟除虫菊酯 类农药中间体,与不饱和 羧酸酯 的 加成反应 是拟除虫菊 类化合物合成过程中一个重要步骤。拟除虫菊酯类杀虫剂如 氯菊酯 和 氯氰菊酯 ,具有广谱、高效、低毒的特点,应用较为广泛。

熏蒸剂

四氯化碳作为熏蒸剂单独使用时,由于它对昆虫的毒性很低,因此需要较高的剂量或者大大延长密闭的时间;通常在缺少毒效较高的熏蒸剂时使用四氯化碳,在人类使用推荐的浓度时并不会影响种子发芽,可能会伤害生长的植物、苗木、水果和蔬菜;用四氯化碳熏蒸含水量高的 咖啡豆 时会味道会发生变化。在熏蒸工作中,只作为混合剂中的一种成分主要用作粮食熏蒸。

畜牧业领域

四氯化碳可用作驱虫,其作用是间接的,能使 宿主 肝胜中 甲基 固醇类 蓄积,这些毒性成分通过口腔及外皮进入虫体,干扰肠道上皮的分泌和酶的活性,而发挥 杀虫 作用。 四氯化碳对牛、羊肝片 吸虫 ,马圆形 线虫 、副虫、马胃 蝇蛆 ,猪姜片吸虫,犬的 蛔虫 、 钩虫 ,鸡蛔虫及前殖吸虫等,都有驱杀作用。对成虫效佳,对 幼虫 几乎无效。四氯化碳与虫体接触后,可使 蠕虫 运动减弱,最后完全麻痹而死亡。肝片吸虫在四氯化碳作用下,能使虫体崩解。

其他领域

用作清洗剂,在日常生活及生产中,用于清洗剂,如衣服的洗涤、去脂,以及金属零件的除油等。

用作灭火剂,四氯化碳不具燃性,常被用作灭火剂,常与燃烧性的气体合用,以使它们不燃烧,这也是四氯化碳最大的用途。

用作 致冷剂 , 四氧化碳 是作为 氟利昂 F 11 ( 三氯氟甲烷 )和F 12 ( 二氟二氯甲烷 )的原料,F 11 和F 12 是广泛用于冰箱、空调等 制冷设备 中的 致冷剂 。

制备方法

中国四氯化碳的生产工艺采用木炭与 硫 在电炉中合成 二硫化碳 ,然后将二硫化碳和 氯气 在铁的 催化剂 作用下反应生成四氯化碳,反应产物粗四氯化碳经碱洗,再通氯,再碱洗后即得成品,而反应得到的 副产品 S 2 CI 2 继续与CS 2 反应。生成的二硫化碳和四氯化碳的混合料再和 氯气 反应,即得粗四氯化碳,处理后,即得成品。随石油化工的发展,生产工艺也得到了改进,用二硫化碳为原料生产四氯化碳的方法已基本被淘汰,多采用天然气、 脂肪烃 、 芳香烃 的氯化,主要有热氯化法、光化氯化法、 甲醇 法、高压氯解法、氧氯化法。 另外,还有 甲烷 氯化、 二硫化碳 氯化、 二氯化硫 与碳的互相作用以及各种氯 衍生物 的分解氯化法。

甲醇法

采用甲醇和氯为原料生产 氯甲烷 、 二氯甲烷 、 氯仿 和四氯化碳。利用甲醇和热氯化反应可回收 氯化氢 的氢氯化反应生产氯甲烷,在 催化剂 存在下进行液相反应,经精馏回收 氯代烃 、此工艺过程简单,能耗少。

甲烷氯化法

采用甲烷直接氯化制备四氯化碳是较为简单而且便宜的方法。

二硫化碳氯化法

二硫化碳 和氢互相作用可以用金属的 卤化物 (如 三氯化锑 )作 催化剂 进行,为了使反应开始,二硫化碳需要稍稍预热到30°以上;通过鼓泡器加入氯,氯几乎全部参与反应。氯化时所生成的热量是靠蒸发二硫化碳和生成的四氯化碳而排出的,氯化过程中因氯化器中积聚大量四氯化碳和 氯化硫 。

天然气热氯化法

以天然气(或油田气、 甲烷 、 氯甲烷 等)与 氯气 为原料,利用甲烷与活化后的氯气在一定温度下进行热氯化反应,用水洗除去 副产品 氯化氢 ,将粗氯化液精馏,获得四氯化碳与副产品。

毒性

中毒途径及机制

四氯化碳是典型的肝脏毒物, 在微粒体 混合功能氧化酶 作用下,特别是 细胞色素 P的作用,使碳- 氢键 断裂,产生三氯 甲基 自由基 和三氯甲基过氧自由基;可经 呼吸道 、皮肤及胃肠道吸收,其中经呼吸道吸收迅速,吸入后48小时血中已不能检出,吸收后广泛分布于体内各组织脏器,以 脂肪组织 和 骨髓 为主,其次为骨、肺、肌肉、脾、心、肾和脑等。

高浓度时,首先是 中枢神经系统 受累,随后累及肝、肾;而低浓度长期接触则主要表现肝、肾受累。 乙醇 可促进四氯化碳的吸收,加重中毒症状。另外,四氯化碳可增加心肌对 盐酸肾上腺素 的敏感性,引起严重 心律失常 。

四氯化碳主要排泄途径是肺,体内吸收量的51%以原型从肺排出,其余部分从尿和粪便排出。

毒性阈值

急性毒性

动物:LD 50 2350mg/kg( 大鼠 经口);5070mg/kg(大鼠经皮);LC 50 50400mg/m 3 ,4h(大鼠吸入)。

人体:人经口29.5ml,死亡;人吸入320g/m 3 ,5-10min后死亡;人吸入150-200g/m 3 ,1/2-1h有生命危险;人吸入15g/m 3 ,5min后眩晕、头痛、失眠,脉率快;人吸入1-2g/m 3 ,30分钟后轻度恶心、头痛,脉率和呼吸加快;人吸入0.6-0.7g/m 3 ,可耐受3h。 潜伏期一般为1~3天,也有短至数分钟者。

经 呼吸道 或胃肠道吸收中毒的临床表现类似,均可出现 中枢神经系统 麻醉及肝、 肾损害 症状,如头晕、头痛、乏力、精神恍惚、步态蹒跚、短暂 意识障碍 或 昏迷 等。极高浓度吸入时,可抑制延髓而迅速出现昏迷、抽搐,甚至突然死亡。经口中毒时 消化系统 症状明显,出现肝功能异常等 中毒性肝病 征象,严重者可发生暴发性肝功能衰竭。另外,还可出现蛋白尿、红细胞尿、管型尿,严重者出现少尿、无尿、 氮质血症 等 急性肾功能衰竭 的表现。少数可有 心律失常 。心室颤动及呼吸中枢麻痹多为致死原因。

亚急性和慢性毒性

动物:吸入400×10 -6 ,7h/d,5d/周,173d,部分动物127d后死亡,肝肾肿大,肝脂肪 变性 , 肝硬化 ,肾小管上皮退行性病变。

人体:长期反复接触四氯化碳,可有头晕、乏力、失眠、记忆力减退、食欲减退、恶心、 腹泻 、腹痛等。严重者可有肝大、肝区疼痛、肝功能异常,甚至发展为门静脉硬化少数可发生球后 神经炎 ,出现视野缩小,视力减退。此外,还可引起听力和 前庭系统 功能障碍和 再生不良性贫血 等。长期皮肤接触,可因脱脂而出现干燥、脱屑和 裂等。

致突变性

微生物致突变: 鼠伤寒沙门氏菌 20μL/L。 脱氧核糖核酸 损伤: 小鼠 经口335μ 摩尔 /kg。

生殖毒性

大鼠经口最低中毒剂量(TDL 0 ):2g/kg(孕7-8d),引起植入后死亡率增加。大鼠经口最低中毒剂量(TDL 0 )3619mg/kg( 雄性 ,10d),引起 睾丸 , 附睾 和输精管异常。

致癌性

IARC致癌性评论:动物阳性,人类可疑。小鼠经口1250mg/( 千克 d)共78周后,肝细胞癌发病率增高。 四氯化碳在2B类致癌物清单中。

致畸性

大鼠吸入300μg/g-1000μg/(g·d)( 妊娠期 6-15d)对 胚胎 有致畸作用;三代繁殖试验大鼠吸入50μg/g-400μg/g,无 胎毒 和致畸作用。

急救措施

四氯化碳中毒无特效解药,发现中毒要先与被污染环境、物品脱离接触。

眼睛:先检查受害者是否有隐形眼镜,如果有隐形眼镜,就移开, 提起眼睑,用流动清水或 生理盐水 冲洗; 在没有医生明确指示的情况下,不要在受害者的眼睛里放置任何药膏、油或药物。即使没有出现任何症状(如发红或刺激),也要立即将受害者在冲眼后送往医院。

皮肤:皮肤接触后脱去被污染的衣着,用肥皂水和清水彻底冲洗, 清洗受影响部位后,立即将受害者送往医院治疗。

吸入:吸入后迅速脱离现场至空气新鲜处,保持 呼吸道 通畅; 立即给医生打电话,即使没有出现任何症状(如 喘息 、咳嗽、呼吸急促、口、 喉咙 或胸部灼伤),也要做好将受害者送往医院的准备。 如 呼吸困难 或呼吸停止,立即输氧或进行人工呼吸。

食入:饮足量温水,催吐、 洗胃 ,就医。

安全事宜

GHS分类

危险警示

危险说明

H301+H311+H331:吞咽、皮肤接触或吸入会中毒 [危险急性毒性,口服;急性毒性,经皮;急性毒性,吸入]

H301:吞咽有毒 [危险,急性毒性,口服]

H311:皮肤接触有毒[危险,急性毒性,经皮]

H317:可能引起皮肤过敏反应 [警告过敏,皮肤]

H331:吸入有毒 [危险,急性毒性,吸入]

H351:疑似致癌 [警告致癌性]

H372:通过长期或重复接触对器官造成损害 [危险特定靶器官毒性,重复接触]

H412:对 水生生物 有害并具有长期持续影响 [对水生环境有害,长期危害]

H420:通过破坏高层大气中的 臭氧 来危害公众健康和环境 [警告对 臭氧层 有害]

消防措施

灭火时,消防人员必须佩戴 氧气 呼吸器 、穿全身防护服,使用干粉和 二氧化碳 灭火剂,禁止用水。 周围有火灾时,使用撒水冷却火场中的四氯化碳容器,因其在强热下会与空气反应产生 光气 和 盐酸 ;对周围的火灾使用适当的灭火剂扑灭,否则四氯化碳于火焰下也会产生高毒性及腐蚀性的光气及盐酸。

环境危害

释放到环境中的四氯化碳大部分到达大气层并 均匀分布 。地面水中的四氯化碳可在几天或几周之内扩散到大气中, 地下水 中的四氯化碳可在数月甚至数年内维持在同一水平。四氯化碳可被土壤中的有机质 吸附 ,也可能扩散到地下水中。 四氯化碳对几种鱼类和两栖动物的 胚胎 幼虫期的毒性远远高于对成年人的毒性。常见的 牛蛙 是最敏感的物种。在60μg/L的浓度下, 变形虫 幼虫 的发病率为1%,在7.8mg/L的浓度下上升到17%。胚胎孵化率的影响更为显著,从92%的60μg/L降至23%的7.8mg/L。

防护措施

防护要求

呼吸系统 防护:空气中浓度超标时进入高浓度四氯化碳环境时,应该佩戴直接式防毒面具( 半面罩 )。紧急事态抢救或撤离时,佩戴空气 呼吸器 ;眼睛防护:戴安全护目镜;身体防护:穿防毒物渗透工作服;手防护:戴防化学品手套。

其他防护:生产、贮运四氯化碳的设备、管道应定期检修,确保严格密闭,杜绝任何泄漏。 工作现场禁止吸烟、进食和饮水。工作完毕,沐浴更衣。单独存放被毒物污染的衣服,洗后备用。实行就业前和定期的体检,有肝、肾及器质性 神经系统 疾患者,不宜接触四氯化碳。 无防护措施下不得用四氯化碳洗涤工作服或清洗机器零件等。 普及预防知识,定期健康检查。

防护衣具

气体浓度200x10 -6 以上之区域或未知浓度之状况,采用A级防护衣具,包括:气密式连身防护衣; 正压 全面式自携式空气 呼吸器 (置于防护衣内);防护手套( 聚乙烯醇 、聚乙烯/次 乙基 乙烯醇、 特氟隆 、 橡胶材质); 防护鞋 (靴)。

气体浓度200x10 -6 以下之区域且空气中 氧气 浓度高于19.5%者,采用C级防护衣具,包括:非气密式连身防护衣;全面式或半面式空气滤清式口罩(适用四氯化碳者);防护手套(聚乙烯醇、聚乙烯/次乙基乙烯醇、特 隆、腈橡胶材质);防护鞋(靴)。

应急处理

小量泄漏

不要接触或趟过泄漏液;若能在无风险下处理泄漏,即刻止漏;救灾时进入危险区域前,须按前述救灾设备中的个人防护设备完整穿戴;以砂或其他不燃物吸收泄漏液,废弃物置入容器中,待事后再行处理。

大量泄漏

不要接触或趟过泄漏液;若能在无风险下处理泄漏,即刻止漏;救灾时进入危险区域前,须按前述救灾设备中的个人防护设备完整穿戴;以蒸气抑制泡沫喷撒覆盖于泄漏液上,减少泄漏液的蒸发;在泄漏液的前端筑堤围堵,待继续处理回收。

灾后处理

保持泄漏区通风良好,且其清理工作须由受过训的人员负责;少量泄漏以不燃性 分散剂 撒在泄漏处,并以大量水和毛刷冲洗,待其作用成为乳状液时,即迅速将其清除干净;若无分散剂,可以细沙代替,待其吸收后,将污沙铲入密闭桶中,再将其气体抽出导入气体燃烧塔;大量泄漏时用防燥泵回收处理;事后应以清洁剂和水,彻底清洗灾区,产生之 废水 应导入废水处理厂。

贮存运输

用 金属罐 、金属桶等盛装,入库时桶要横卧,避免日晒,应存放阴凉、干燥、通风良好的地方,避光、密封保存。远离热源和任何可能发生严重火实的地区,以防止生成 光气 ;可以公路或 铁路运输 ,运输时容器上须标有“有毒品"标记,避免日晒,最好冬季运输。

参考资料

  1. Carbon Tetrachloride | CCl4 | CID 5943 - PubChem PubChem 2024-03-19
  2. 术语在线 术语在线 2024-03-04
  3. International Chemical Safety Cards (ICSCs) 国际化学品安全卡 2024-03-11
  4. Carbon Tetrachloride | CCl4 | CID 5943 - PubChem PubChem 2024-03-11
  5. 四氯化碳 国际化学品安全卡 2024-03-11
  6. 2类致癌物清单(共380种,含2A类81种,2B类299种) 绍兴市市场监督管理局 2024-03-13
  7. Carbon Tetrachloride | CCl4 | CID 5943 - PubChem PubChem 2024-03-18
  8. 中国履行《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》三十年成效显著 生态环境部 2024-03-18
  9. 中国政府代表团出席《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》第31次缔约方大会 百家号 2024-02-07
  10. 《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》 外交部 2024-02-07
  11. Carbon Tetrachloride | CCl4 | CID 5943 - PubChem PubChem 2024-03-18