Химический элемент Фтор — занимательные факты. Фтор. Свойства фтора. Применение фтора После фтора в таблице
Главная » Из бетона » Химический элемент Фтор — занимательные факты. Фтор. Свойства фтора. Применение фтора После фтора в таблице

Химический элемент Фтор — занимательные факты. Фтор. Свойства фтора. Применение фтора После фтора в таблице

71 пм Энергия ионизации
(первый электрон) 1680,0 (17,41) кДж /моль (эВ) Электронная конфигурация 2s 2 2p 5 Химические свойства Ковалентный радиус 72 пм Радиус иона (-1e)133 пм Электроотрицательность
(по Полингу) 3,98 Электродный потенциал 0 Степени окисления −1 Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при −189 °C)1,108 /см ³ Молярная теплоёмкость 31,34 Дж /( ·моль) Теплопроводность 0,028 Вт /( ·) Температура плавления 53,53 Теплота плавления (F-F) 0,51 кДж /моль Температура кипения 85,01 Теплота испарения 6,54 (F-F) кДж /моль Молярный объём 17,1 см ³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки моноклинная Параметры решётки 5,50 b=3,28 c=7,28 β=90.0 Отношение c/a — Температура Дебая n/a
F 9
18,9984
2s 2 2p 5
Фтор

Химические свойства

Самый активный неметалл, бурно взаимодействует почти со всеми веществами (редкие исключения — фторопласты), и с большинством из них — с горением и взрывом. Контакт фтора с водородом приводит к воспламенению и взрыву даже при очень низких температурах (до −252°C). В атмосфере фтора горят даже вода и платина :урана для ядерной промышленности.
трёхфтористого хлора ClF 3 — фторирующий агент и мощный окислитель ракетного топлива
шестифтористой серы SF 6 — газообразный изолятор в электротехнической промышленности
фторидов металлов (например, W и V), которые обладают некоторыми полезными свойствами
фреонов — хороших хладагентов
тефлонов — химически инертных полимеров
гексафтороалюмината натрия — для последующего получения алюминия электролизом
различных соединений фтора

Ракетная техника

Соединения фтора широко применяются в ракетной технике как окислитель ракетного топлива.

Применение в медицине

Соединения фтора широко применяются в медицине как кровезаменители.

Биологическая и физиологическая роль

Фтор является жизненно необходимым для организма элементом. В организме человека фтор, в основном, содержится в эмали зубов в составе фторапатита — Ca 5 F(PO 4) 3 . При недостаточном (менее 0,5 мг/литр питьевой воды) или избыточном (более 1 мг/литр) потреблении фтора организмом могут развиваться заболевания зубов: кариеса и флюорозу (крапчатости эмали) и остеосаркомы, соответственно.

Для профилактики кариеса рекомендуется использовать зубные пасты с добавками фтора или употреблять фторированную воду (до концентрации 1 мг/л), или применять местные аппликации 1-2 % раствором фторида натрия или фторида олова. Такие действия могут сократить вероятность появления кариеса на 30-50 %.

Предельно допустимая концентрация связанного фторав воздухе промышленных помещениях равен 0,0005 мг/литр.

Дополнительная информация

Фтор, Fluorum, F(9)
Фтор (Fluorine, франц. и нем. Fluor) получен в свободном состоянии в 1886 г., но его соединения известны давно и широко применялись в металлургии и производстве стекла. Первые упоминания о флюорите (СаР,) под названием плавиковый шпат (Fliisspat) относятся к XVI в. В одном из сочинений, приписываемых легендарному Василию Валентину, упоминаются окрашенные в различные цвета камни — флюссе (Fliisse от лат. fluere — течь, литься), которые применялись в качестве плавней при выплавке металлов. Об этом же пишут Агрикола и Либавиус. Последний вводит особые названия для этого плавня — плавиковый шпат (Flusspat) и минеральный плавик. Многие авторы химико-технических сочинений XVII и XVIII вв. описывают разные виды плавикого шпата. В России эти камни именовались плавик, спалт, спат; Ломоносов относил эти камни к разряду селенитов и называл шпатом или флусом (флус хрустальный). Русские мастера, а также собиратели коллекций минералов (например, в XVIII в. князь П. Ф. Голицын) знали, что некоторые виды шпатов при нагревании (например, в горячей воде) светятся в темноте. Впрочем, еще Лейбниц в своей истории фосфора (1710) упоминает в связи с этим о термофосфоре (Thermophosphorus).

По-видимому, химики и химики-ремесленники познакомились с плавиковой кислотой не позднее XVII в. В 1670 г. нюрнбергский ремесленник Шванхард использовал плавиковый шпат в смеси с серной кислотой для вытравливания узоров на стеклянных бокалах. Однако в то время природа плавикового шпата и плавиковой кислоты была совершенно неизвестна. Полагали, например, что протравливающее действие в процессе Шванхарда оказывает кремневая кислота. Это ошибочное мнение устранил Шееле, доказав, что при взаимодействии плавикового шпата с серной кислотой кремневая кислота получается в результате разъедания стеклянной реторты образующейся плавиковой кислотой. Кроме того, Шееле установил (1771), что плавиковый шпат представляет собой соединение известковой земли с особой кислотой, которая получила название «Шведская кислота».

Лавуазье признал радикал плавиковой кислоты (radical fluorique) простым телом и включил его в свою таблицу простых тел. В более или менее чистом виде плавиковая кислота была получена в 1809 r. Гей-Люссаком и Тенаром путем перегонки плавикового шпата с серной кислотой в свинцовой или серебряной реторте. При этой операции оба исследователя получили отравление. Истинную природу плавиковой кислоты установил в 1810 г. Ампер. Он отверг мнение Лавуазье о том, что в плавиковой кислоте должен содержаться кислород, и доказал аналогию этой кислоты с хлористоводородной кислотой. О своих выводах Ампер сообщил Дэви, который незадолго до этого установил элементарную природу хлора. Дэви полностью согласился с доводами Ампера и затратил немало усилий на получение свободного фтора электролизом плавиковой кислоты и другими путями. Принимая во внимание сильное разъедающее действие плавиковой кислоты на стекло, а также на растительные и животные ткани, Ампер предложил назвать элемент, содержащийся в ней, фтором (греч.- разрушение, гибель, мор, чума и т. д.). Однако Дэви не принял этого названия и предложил другое — флюорин (Fluorine) по аналогии с тогдашним названием хлора — хлорин (Chlorine), оба названия до сих пор употребляются в английском языке. В русском языке сохранилось название, данное Ампером.

Многочисленные попытки выделить свободный фтор в XIX в. не привели к успешным результатам. Лишь в 1886 г. Муассану удалось сделать это и получить свободный фтор в виде газа желто-зеленого цвета. Так как фтор является необычайно агрессивным газом, Муассану пришлось преодолеть множество затруднений, прежде чем он нашел материал, пригодный для аппаратуры в опытах со фтором. U-образная трубка для электролиза фтористо- водородной кислоты при 55°С (охлаждаемая жидким хлористым метилом) была сделана из платины с пробками из плавикового шпата. После того как были исследованы химические и физические свойства свободного фтора, он нашел широкое применение. Сейчас фтор — один из важнейших компонентов синтеза фторорганических веществ широкого ассортимента. В русской литературе начала XIX в. фтор именовался по-разному: основание плавиковой кислоты, флуорин (Двигубский,1824), плавиковость (Иовский), флюор (Щеглов, 1830), флуор, плавик, плавикотвор. Гесс с 1831 г. ввел в употребление название фтор.

Разрушение и гибель. Так с греческого переводится название фтора . Имя связано с историей его открытия. Десятки ученых покалечились, либо умерли, пытаясь выделить элемент, о существовании которого первым предположил Шееле. Он получил плавиковую кислоту, но не смог добыть из нее новое вещество – флюорий.

Название связано с минералом – основой плавиковой кислоты и главным источником фтора . Получить его методом электролиза пытались и братья Ноксы из Англии, Гей-Люссак и Тенар из Франции. В ходе экспериментов погибли.

Дэви, открывший натрий, калий и кальций, связавшись с флюорием, отравился и стал инвалидом. После, научное сообщество переименовало элемент. Но так ли он опасен вне химических лабораторий и зачем нужен? На эти вопросы ответим далее.

Химические и физические свойства фтора

Фтор занимает 9-ую позицию в . В природе элемент состоит из одного стабильного нуклида. Так называют атомы, жизненный цикл которых достаточен для наблюдений и научных изысканий. Масса атома фтора – 18,998. В молекуле атомов 2.

Фтор – элемент с самой большой электроотрицательностью. Явление связано со способностью атома соединяться с другими и притягивать к себе электроны. Показатель фтора по шкале Полинга – 4. Это способствует славе 9-го элемента, как самого активного неметалла. В обычном состоянии, это желтоватый газ. Он токсичен, имеет резкий запах – нечто среднее между ароматами озона и хлора.

Фтор – вещество с аномально низкой для газов температурой кипения – всего 188 градусов Цельсия. Остальные галогены, то есть, типичные неметаллы из 7-ой группы таблицы Менделеева, кипят при больших показателях. Это связано с тем, что у них есть d-подуровень, отвечающий за полуторные связи. Молекула фтора такового не имеет.

Активность фтора выражается в числе и характере возможных реакций с другими элементами. Соединение с большинством из них сопровождается горением и взрывами. В контакте с водородом пламя рождается даже при пониженных температурах. В атмосфере фтора горит даже вода. Более того, в камере с желтоватым газом воспламеняется – наиболее инертный и ценный элемент.

Соединения фтора невозможны лишь с неоном, аргоном и гелием. Все 3 газа легки и инертны. Не из газов, фтору не поддается . Есть ряд элементов, реакции с которыми возможны лишь при повышенной температуре. Так, пара хлор-фтор взаимодействует лишь при 200-250-ти градусах Цельсия.

Применение фтора

Без фтора не обходятся тефлоновые покрытия. Их научное название – тетрафторэтилены. Соединения относятся к органической группе и обладают антипригарными свойствами. По сути, тефлон является пластмассой, но нестандартно тяжелой. В 2 раза превышена плотность воды, — вот причина излишнего веса покрытия и посуды с ним.

В ядерной промышленности фтор имеет связь с процессом разделения изотопов урана. Ученые говорят, что не будь 9-го элемента, не было бы и атомных станций. Горючим для них служит не любой уран, а лишь несколько его изотопов, в частности, 235-ый. Методы разделения рассчитаны на газы и летучие жидкости.

Но, уран кипит при 3500 градусах Цельсия. Непонятно, какие материалы для колонн и центрифуг выдержат такой жар. Благо, есть летучий гексафторид урана, кипящий лишь при 57-ми градусах. Из него-то и выделяют металлическую фракцию.

Окисление фтора , точнее, окисление им ракетного топлива – важный элемент авиационной промышленности. В ней пригождается не газообразный элемент, а жидкость. В этом состоянии фтор становится ярко-желтым и наиболее реакционным.

В металлургии используют стандартный газ. Формула фтора преображается. Элемент включают в соединение, необходимое для получения алюминия. Его производят путем электролиза. В нем-то и участвует гексафторалюминат.

В оптике пригождается соединение магний-фтор , то есть, фторид . В диапазоне световых волн от вакуумного ультрафиолета до инфракрасного излучения он прозрачен. Вот и идет соединение на линзы и призмы для специализированных оптических приборов.

9-ый элемент замечен и медиками, в частности, стоматологами. Они обнаружили 0,02% фтора в составе зубов. Потом, выяснилось, что в регионах, где вещества не хватает, выше заболеваемость кариесом.

Содержится фтор в воде , откуда и поступает в организм. В дефицитных местностях стали искусственно добавлять элемент в воду. Ситуация исправилась. Поэтому, создана паста с фтором .

Фтор в зубной эмали может вызвать флюороз – потемнение, пятнистость тканей. Это следствие переизбытка элемента. Поэтому в регионах с нормальным составом воды лучше выбирать зубную пасту без фтора . Нужно, так же, отслеживать его содержание в продуктах питания. Есть даже фторированное молоко. Морепродукты обогащать не надо, в них и так много 9-го элемента.

Паста без фтора – выбор, связанный с состоянием зубов. Но в медицине элемент нужен не только в сфере стоматологии. Препараты фтора выписывают при проблемах со щитовидной железой, к примеру, базедовой болезни. В борьбе с ней ведущую роль играет пара фтор-йод .

Лекарства с 9-ым элементом нужны тем, у кого хронический диабет. Глаукома и рак тоже в списке недугов, которые лечат с участием фтора . Как кислород вещество, порой, требуется при болезнях бронх и ревматических диагнозах.

Добыча фтора

Добывают фтор все тем же путем, который помог открыть элемент. После череды смертей, одному из ученых удалось не только выжить, но и выделить небольшое количество желтоватого газа. Лавры достались Анри Муассану. За свое открытие француз удостоился Нобелевской премии. Ее выдали в 1906-ом году.

Муассан воспользовался методом электролиза. Чтобы не отравится парами, химик проводил реакцию в стальном электризере. Этот аппарат применяется и сейчас. В него помещается кислый фторид калия .

Процесс проходит при температуре в 100 градусов Цельсия. Катод используют стальной. Анод в установке угольный. Важно соблюдение герметичности системы, ведь пары фтора ядовиты.

В лабораториях для герметичности закупают специальные пробки. Их состав: кальций-фтор . Лабораторная установка – это два медных сосуда. Первый заполняют расплавом, погружая в него второй. У внутреннего сосуда есть отверстие в дне. Через него проходит никелевый анод.

Катод располагают в первом сосуде. От аппарата отходят трубки. Из одной выделяется водород, из второй – фтор. Чтобы сохранить гермитичность, недостаточно одних пробок и фторида кальция. Нужна еще и смазка. В ее роли выступает глицерин или же оксид .

Лабораторный метод получения 9-го элемента используют лишь для учебных демонстраций. Практического применения технология не имеет. Однако, ее существование доказывает, что можно обойтись и без электролиза. Однако, необходимости в этом нет.

Цена фтора

Стоимости фтора, как такового, нет. Цены устанавливаются уже на продукты с содержанием 9-го элемента таблицы Менделеева. Зубные пасты, к примеру, стоят, как правило, от 40-ка до 350-ти рублей. Лекарства, так же, есть копеечные и дорогостоящие. Все зависит от производителя, наличия на рынке аналогичного товара других фирм.

Что же касается цены фтора для здоровья, она, как видно, может быть высока. Элемент токсичен. Обращение с ним требует осторожности. Фтор способен принести пользу и даже вылечить.

Но, для этого нужно многое знать о веществе, предугадывать его поведение и, конечно, советоваться со специалистами. По распространенности на Земле фтор занимает 13-е место. Само число, называемое чертовой дюжиной, заставляет быть с элементом поосторожнее.

Фтору свойственны все особенности собратьев по подгруппе, однако он подобен человеку без чувства меры: все увеличено до крайности, до предела. Это объясняется прежде всего положением элемента № 9 в периодической системе и его электронной структурой. Его место в таблице Менделеева - «полюс неметаллических свойств», правый верхний угол. Атомная модель фтора: заряд ядра 9+ , два электрона расположены на внутренней оболочке, семь - на внешней. Каждый атом всегда стремится к устойчивому состоянию. Для этого ему нужно заполнить внешний электронный слой. Атом фтора в этом смысле - не исключение. Захвачен восьмой электрон, и цель достигнута - образован ион фтора с «насыщенной» внешней оболочкой.

Число присоединенных электронов показывает, что отрицательная валентность фтора равна 1- ; в отличие от прочих галогенов не может проявлять положительную валентность.

Стремление к заполнению внешнего электронного слоя до восьмиэлектронной конфигурации у фтора исключительно велико. Поэтому он обладает необычайной реакционной способностью и образует соединения почти со всеми элементами. Совсем недавно, большинство химиков считало, и на то были основания, что благородные газы не могут образовывать истинные химические соединения. Однако вскоре три из шести элементов- «затворников» не смогли устоять перед натиском удивительно агрессивного фтора. Начиная с 1962 г. получены фториды, а через них - и другие соединения криптона , ксенона и радона .

Удержать фтор от реакции очень трудно, но зачастую не легче вырвать его атомы из соединений. Здесь играет роль еще один фактор - очень малые размеры атома и иона фтора. Они примерно в полтора раза меньше, чем у хлора, и вдвое меньше, чем у йода.

Очевидно, что чем больше размеры атомов галогена, тем меньше их размещается вокруг атома молибдена . Максимально возможная валентность молибдена реализуется только в соединении с атомами фтора, малый размер которых позволяет «упаковать» молекулу наиболее плотно.

Атомы фтора обладают очень высокой электроотрицательностью, т. е. способностью притягивать электроны: при взаимодействии с кислородом фтор образует соединения, в которых кислород заряжен положительно. Горячая вода сгорает в струе фтора с образованием кислорода. Не правда ли, исключительный случай? Кислород оказался вдруг не причиной, а следствием горения.

Не только вода, но и другие обычно негорючие материалы, такие, как асбест, кирпич, многие металлы, загораются в струе фтора. Бром, йод, сера , селен , теллур , фосфор , мышьяк , сурьма , кремний , древесный уголь самовоспламеняются во фторе уже при обычной температуре, а при небольшом нагревании та же участь постигает и благородные платиновые металлы, известные своей химической пассивностью.

Поэтому не удивительно само название фтора. В переводе с греческого это слово означает «разрушающий».

Фтор или флюор?

Фтор - разрушающий - удивительно подходящее название . Однако за рубежом более распространено другое имя элемента № 9 - флюор, что в переводе с латинского означает «текучий».

Это название больше подходит не к фтору, а к некоторым его соединениям и берет свое начало от флюорита или плавикового шпата - первого соединения фтора, использованного человеком. По-видимому, еще в древности люди знали о способности этого минерала снижать температуру плавления руд и металлургических шлаков, но, естественно, не знали его состава. Флюором назвали главную составную часть этого минерала, еще неизвестный химикам элемент.

Это название настолько укоренилось в умах ученых, что логически оправданное предложение о переименовании элемента, выдвинутое в 1816 г., не нашло поддержки. А ведь в эти годы шли усиленные поиски флюора, уже было накоплено немало экспериментальных данных, подтверждавших разрушительные способности флюора и его соединений. Да и авторами предложения были не кто-нибудь, а крупнейшие ученые того времени Андрэ Ампер и Хэмфри Дэви. И все-таки фтор оставался флюором.
Жертвы? - Нет, герои

Первое упоминание о флюоре и флюорите относится к XV в.

В начале XVIII в. была открыта плавиковая кислота - водный раствор фтористого водорода , а в 1780 г. известный шведский химик Карл Вильгельм Шееле впервые высказал мысль, что в этой кислоте содержится новый активный элемент. Однако, чтобы подтвердить догадку Шееле и выделить фтор (или флюор), химикам потребовалось больше 100 лет, целый век упорной работы многих ученых из разных стран.

Сегодня мы знаем, что фтор очень токсичен, что работа с ним и его соединениями требует большой осторожности и продуманных мер защиты. Первооткрыватели фтора могли об этом только догадываться, да и то не всегда. Поэтому история открытия фтора связана с именами многих героев науки. Английские химики братья Томас и Георг Нокс пытались получить фтор из фторидов серебра и свинца . Опыты окончились трагически: Георг Нокс стал инвалидом, Томас погиб. Та же участь постигла Д. Никлеса и П. Лайета. Выдающийся химик XIX в. Хэмфри Дэви, создатель водородной теории кислот, человек, впервые получивший натрий , калий , магний , кальций , стронций и барий , доказавший элементность хлора , не смог решить проблемы получения всеразрушающего элемента. В ходе этих опытов он отравился и тяжело заболел. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар потеряли здоровье, так и не добившись сколько-нибудь обнадеживающих результатов.

Более удачливыми оказались А. Лавуазье, М. Фарадей, Э. Фреми. Их фтор «пощадил», но и они не добились успеха. В 1834 г. Фарадею показалось, что ему, наконец, удалось получить неуловимый газ. Но вскоре он вынужден был признать: «Я не смог получить фтор. Мои предположения, подвергаясь строгому анализу, отпадали одно за другим...» В течение 50 (!) лет этот гигант науки пытался решить проблему получения фтора, но так и не смог одолеть ее.

Неудачи преследовали ученых, однако уверенность в существовании и возможности выделения фтора крепла с каждым новым опытом. Она основывалась на многочисленных аналогиях в поведении и свойствах соединений фтора с соединениями уже известных галогенов - хлора, брома и йода .

Были на этом пути и удачи. Фреми, пытаясь с помощью электролиза извлечь фтор из фторидов, нашел способ получения безводного фтористого водорода. Каждый опыт, даже неудачный, пополнял копилку знаний об удивительном элементе и приближал день его открытия. И этот день настал. 26 июня 1886 г. французский химик Анри Муассан подверг электролизу безводный фтористый водород. При температуре - 23°С он получил на аноде новое, чрезвычайно реакционноспособное газообразное вещество. Муассану удалось собрать несколько пузырьков газа. Это был фтор!

О своем открытии Муассан сообщил Парижской академии. Моментально была создана комиссия, которая через несколько дней должна была прибыть в лабораторию Муассана, чтобы увидеть все своими глазами. Муассан тщательно подготовился к проведению повторного эксперимента. Он подверг исходный фтористый водород дополнительной очистке, и... высокопоставленная комиссия не увидела фтора. Опыт не воспроизводился, электролиза с выделением фтора не наблюдалось! Скандал?!

Но Муассану удалось найти причину. Оказалось, что лишь небольшие количества фтористого калия, содержащегося во фтористом водороде, делают его проводником электричества. Применение в первом опыте фтористого водорода без дополнительной очистки обеспечило успех: были примеси - шел электролиз. Тщательная подготовка второго опыта стала причиной неудачи.

И все-таки удача определенно сопутствовала Муассану. Вскоре ему удалось найти недорогой и надежный материал для аппаратов, в которых получается фтор. Эта проблема была не менее сложной, чем получение неподатливого элемента. Фтористый водород и фтор разрушали любую аппаратуру. Еще Дэви испытывал сосуды из кристаллической серы, угля, серебра и платины , но все эти материалы разрушались в процессе электролиза соединений фтора.

Первые граммы фтора Муассан получил в платиновом электролизере с электродами из иридиево-платинового сплава. Несмотря на низкую температуру, при которой проводился опыт, каждый грамм фтора «уничтожал» 5-6 г платины.

Платиновый сосуд Муассан заменил мёдным. Конечно, и медь подвержена действию фтора, но как алюминий защищается от воздуха окисной пленкой, так и медь «укрывалась» от фтора за пленкой непреодолимого для него фторида меди.

Электролиз до сих пор остается практически единственным методом получения фтора. С 1919 г. в качестве электролита используются расплавы бифторидов. Материалы современных электролизеров и электродов - это медь, никель , сталь, графит . Все это во много раз удешевило производство элемента № 9 и дало возможность получать его в промышленных масштабах. Однако принцип получения фтора остался тем же, что предлагали Дэви и Фарадей и впервые осуществил Муассан.

Фтор и многие его соединения представляют не только большой теоретический интерес, но и находят широкое практическое применение. Соединений фтора очень много, использование их настолько многосторонне и обширно, что для рассказа обо всем интересном, что связано с этим элементом, не хватило бы и 100 страниц. Поэтому в нашем рассказе вы встретите только самые интересные фтористые соединения, прочно вошедшие в нашу промышленность, в нашу жизнь, в наш быт и даже в наше искусство - соединения, без которых (это можно сказать без преувеличения) немыслим прогресс.

Гидрид фтора и... вода

Что общего может быть у всеразрушающего фтора и «мирной» привычной воды? Казалось бы - ничего. Но поостережемся поспешных выводов. Ведь воду можно рассматривать как гидрид кислорода, а плавиковая кислота HF - не что иное, как гидрид фтора. Итак, мы имеем дело с ближайшими химическими «родственниками» - гидридами двух сильных окислителей.

Известны гидриды всех галогенов. Их свойства изменяются закономерно, однако фтористый водород во многом ближе к воде, нежели к другим галоидоводородам. Сравните диэлектрические постоянные: для HF и H 2 O они очень близки (83,5 и 80), в то время как для гидридов брома, иода и хлора эта характеристика значительно ниже (всего 2,9 - 4,6). Температура кипения HF +19°С, тогда как HI, HBr и HCl переходят в газообразное состояние уже при минусовых температурах.

Одно из природных соединений фтора - минерал криолит - называют нетающим льдом. Действительно, огромные кристаллы криолита очень похожи на ледяные глыбы.

В одном из рассказов писателя-фантаста И. А. Ефремова описана встреча в космосе с обитателями планеты, на которой во всех жизненно важных окислительных процессах участвует фтор, а не кислород. Если такая планета существует, то можно не сомневаться, что ее обитатели утоляют жажду... фтористым водородом.

На Земле фтористый водород служит другим целям

Нюрнбергский художник Швангард еще в 1670 г. смешивал плавиковый шпат с серной кислотой и этой смесью наносил рисунки на стекло. Швангард не знал, что компоненты его смеси реагируют между собой, а «рисует» продукт реакции. Это не помешало внедрению открытия Швангарда. Пользуются им и в наши дни. На стеклянный сосуд наносится тонкий слой парафина. Художник рисует по этому слою, а затем опускает сосуд в раствор плавиковой кислоты. В тех местах, где неуязвимая для фтористого водорода парафиновая «броня» снята, кислота разъедает стекло, и рисунок навсегда запечатлевается на нем. Это старейшее применение фтористого водорода, но отнюдь не единственное.

Достаточно сказать, что менее чем через 20 лет после создания первых промышленных установок для получения фтористого водорода его годовое производство в США достигло 125 тыс. т. Стекольная, пищевая, нефтяная, атомная, металлургическая, химическая, авиационная, бумажная - вот далеко не полный перечень тех отраслей промышленности, где фтористый водород находит самое широкое применение. Фтористый водород способен изменять скорость многих реакций и используется в качестве катализатора самых разнообразных химических превращений. Одно из основных тенденций современной химии - проведение реакций в неводных средах. Наиболее интересным и уже широко применяющимся неводным растворителем стал фтористый водород.

Фтористый водород - очень агрессивный и опасный реагент, но он незаменим во многих отраслях современной индустрии. Поэтому приемы обращения с ним настолько усовершенствованы, что для грамотного химика наших дней фтористый водород стал почти так же безопасен, как для обитателей неведомой фторной планеты.

Искусственное добавление фтора к воде в тех местах, где обнаруживается его недостаток, приводит к устранению новых случаев заболевания и уменьшению кариеса у больных людей. Тут же оговоримся - большой избыток фтора в воде вызывает острое заболевание - флюороз (пятнистая эмаль). Извечная дилемма медицины: большие дозы - яд, малые - лекарство .

Во многих местах построены установки для искусственного фторирования воды. Особенно эффективен этот способ профилактики кариеса у детей. Поэтому в некоторых странах соединения фтора (в исключительно малых дозах) добавляют в. молоко.

Существует предположение о том, что фтор необходим для развития живой клетки и что он входит вместе с фосфором в состав животных и растительных тканей.

Фтор находит широкое применение при синтезе различных медицинских препаратов. Фторорганические соединения успешно применяются для лечения болезней щитовидной железы, особенно базедовой болезни, хронических форм диабета, бронхиальных и ревматических заболеваний, глаукомы и рака. Они также пригодны для профилактики и лечения малярии и служат хорошим средством против стрептококковых и стафиллококковых инфекций. Некоторые фторорганические препараты - надежные обезболивающие средства.

Фтор и жизнь - именно этот раздел химии фтора достоин наибольшего развития, и будущее - за ним. Фтор и смерть? Можно и нужно работать и в этой области, но для того, чтобы получать не смертоносные отравляющие вещества, а различные препараты для борьбы с грызунами и другими сельскохозяйственными вредителями. Такое применение находят, например, монофторуксусная кислота и фторацетат натрия.

Как приятно бывает в жаркий летний день достать из холодильника бутылку ледяной минеральной воды...

В большинстве холодильников - и промышленных, и домашних - хладоагентом, веществом, создающим холод, работает фторорганическая жидкость - фреон.

Фреоны получаются при замене атомов водорода в молекулах простейших органических соединений на фтор или фтор и хлор. Простейший углеводород - метан CH 4 . Если все атомы водорода в метане заменить на фтор, то образуется тетрафторметан CF 4 (фреон-14), а если фтором замещается только два атома водорода, а два другие - хлором, то получится дифтордихлорметан CF 2 Cl 2 (фреон-12).

В домашних холодильниках обычно работает фреон-12. Это бесцветный, нерастворимый в воде и негорючий газ с запахом, похожим на запах эфира. Фреоны 11 и 12 работают также в установках для кондиционирования воздуха. В «шкале вредности», составленной для всех применяемых хладоагентов, фреоны занимают последние места. Они даже безвреднее «сухого льда» - твердой двуокиси углерода.

Фреоны исключительно устойчивы, химически инертны. Здесь, как и в случае фторопластов, мы сталкиваемся с тем же удивительным явлением: с помощью наиболее активного элемента - фтора - удается получить химически очень пассивные вещества. Особенно устойчивы они к действию окислителей, и это не удивительно - ведь их атомы углерода находятся в высшей степени окисления. Поэтому фторуглероды (и, в частности, фреоны) не горят даже в атмосфере чистого кислорода. При сильном нагревании происходит деструкция - распад молекул, но не окисление их. Эти свойства позволяют применять фреоны еще в ряде случаев: их используют как пламегасители, инертные растворители, промежуточные продукты для получения пластмасс и смазочных материалов.

Сейчас известны тысячи фторорганических соединений различных типов. Многие из них применяются в важнейших отраслях современной техники. Во фреонах фтор работает на «индустрию холода», но с его помощью можно получать и очень высокие температуры. Сравните это цифры: температура кислородо-водородного пламени 2800°С, кислородоацетиленового 3500°С, при горении водорода во фторе развивается температура 3700°С. Эта реакция уже нашла практическое применение во фтористоводородных горелках для резания металла. Кроме того, известны горелки, работающие на фторхлоридах (соединения фтора с хлором), а также на смеси трехфтористого азота и водорода. Последняя смесь особенно удобна, так как трехфтористый азот не вызывает коррозии аппаратуры. Естественно, во всех этих реакциях фтор и его соединения играют роль окислителя. Можно использовать их и в качестве окислителя в жидкостных реактивных двигателях. В пользу реакции с участием фтора и его соединений говорит многое. Развивается более высокая температура - значит, и давление в камере сгорания будет больше, возрастет тяга реактивного двигателя. Твердых продуктов горения в результате таких реакций не образуется - значит, опасность забивки сопел и разрыва двигателя в этом случае также не грозит.

Но у фтора, как составной части ракетного топлива, есть ряд крупных недостатков. Он очень токсичен, коррозионно-активен и имеет очень низкую температуру кипения. Сохранить его в виде жидкости труднее, чем другие газы. Поэтому более приемлемы здесь соединения фтора с кислородом и галогенами.

Некоторые из этих соединений по своим окислительным свойствам не уступают жидкому фтору, но имеют огромное преимущество: в обычных условиях это или жидкости, или же легко сжижаемые газы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Фтор - девятый элемент Периодической таблицы. Обозначение - F от латинского «fluorum». Расположен во втором периоде, VIIА группе. Относится к неметаллам. Заряд ядра равен 9.

Вследствие большой химической активности фтор находится в природе исключительно в связанном состоянии. Наиболее часто фтор встречается в виде минерала плавикового шпата CaF 2 , криолита Na 3 AlF 6 и фторапатита Ca 5 F(PO 4) 3 .

В виде простого вещества фтор представляет собой газ бледно-зеленоватого цвета или жидкость светло-желтого цвета (рис.1). Температура плавления равна (-219,6 o С), кипения - (-188,1 o С). Ядовит.

Рис. 1. Фтор. Внешний вид (жидкое состояние).

Атомная и молекулярная масса фтора

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Относительная атомная масса атомарного фтора равна 18,9984 а.е.м. Известно, что молекула фтора двухатомна - F 2 . Относительная молекулярная масса молекулы фтора будет равна:

M r (F 2) = 18,9984 × 2 ≈38.

Изотопы фтора

В природе фтор существует в виде единственного изотопа 19 F. Массовое число равно 19. Ядро атома содержит девять протонов и десять нейтронов.

Существует ядерный изотоп фтора 18m F с периодом полураспада равным 109,771 минут.

Ионы фтора

На внешнем энергетическом уровне атома фтора имеется семь электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 5 .

В результате химического взаимодействия фтор принимает электрон от других атомов, т.е. являться его акцептором, и превращается в отрицательно заряженный ион:

F 0 +1e → F — .

Молекула и атом фтора

Молекула фтора состоит из двух атомов - F 2 . Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу фтора:

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание В каком из соединений галогенов с натрием: NaF, NaBr или NaI самая большая массовая доля галогена? Ответ подтвердите расчетом.
Решение Вычислим молярные массы галогенидов натрия:

M(NaF) = Ar(Na) + Ar(F) = 23 + 19 = 42 г/моль;

M(NaBr) = Ar(Na) + Ar(Br) = 23 + 80 = 103 г/моль;

M(NaI) = Ar(Na) + Ar(I) = 23 + 127 = 150 г/моль.

Вычислим массовые доли элементов, входящих в состав фторида натрия:

ω(Na) = Ar(Na) / M (NaF) × 100%;

ω(Na) = 23 / 42 × 100% = 54,76%.

ω(F) = Ar(F) / M (NaF) × 100%;

ω(F) = 19 / 42 × 100% = 45,24%.

Вычислим массовые доли элементов, входящих в состав бромида натрия:

ω(Na) = Ar(Na) / M (NaBr) × 100%;

ω(Na) = 23 / 103 × 100% = 22,33%

ω(Br) = Ar(Br) / M (NaBr) × 100%;

ω(Br) = 80 / 103 × 100% = 77,67%.

Вычислим массовые доли элементов, входящих в состав иодида натрия:

ω(Na) = Ar(Na) / M (NaI) × 100%;

ω(Na) = 23 / 150 × 100% = 15,33%.

ω(I) = Ar(I) / M (NaI) × 100%;

ω(I) = 127 / 150 × 100% = 84,64%.

Самая большая массовая доля галогена содержится в иодиде натрия.

Ответ В иодиде натрия

Фтор (лат. Fluorum), F, химический элемент VII группы периодической системы Менделеева, относится к галогенам, атомный номер 9, атомная масса 18,998403; при нормальных условиях (0 °С; 0,1 Мн/м 2 , или 1 кгс/см 2) - газ бледно-желтого цвета с резким запахом.

Природный Фтор состоит из одного стабильного изотопа 19 F. Искусственно получен ряд изотопов, в частности: 16 F с периодом полураспада T ½ < 1 сек, 17 F (T ½ = 70 сек) , 18 F (T ½ = 111 мин) , 20 F (T ½ = 11,4 сек) , 21 F (T ½ = 5 сек).

Историческая справка. Первое соединение Фтора - флюорит (плавиковый шпат) CaF 2 - описано в конце 15 века под названием "флюор" (от лат. fluo - теку, по свойству CaF 2 делать жидкотекучими вязкие шлаки металлургических производств). В 1771 году К. Шееле получил плавиковую кислоту. Свободный Фтор выделил А. Муассан в 1886 электролизом жидкого безводного фтористого водорода, содержащего примесь кислого фторида калия KHF 2 .

Химия Фтора начала развиваться с 1930-х годов, особенно быстро - в годы 2-й мировой войны 1939-45 годов и после нее в связи с потребностями атомной промышленности и ракетной техники. Название "Фтор" (от греч. phthoros - разрушение, гибель), предложенное А. Ампером в 1810 году, употребляется только в русском языке; во многих странах принято название "флюор".

Распространение Фтора в природе. Среднее содержание Фтора в земной коре (кларк) 6,25·10 -2 % по массе; в кислых изверженных породах (гранитах) оно составляет 8·10 -2 %, в основных - 3,7·10 -2 %, в ультраосновных - 1·10 -2 % . Фтор присутствует в вулканических газах и термальных водах. Важнейшие соединения Фтора - флюорит, криолит и топаз. Всего известно более 80 фторсодержащих минералов. Соединения Фтора находятся также в апатитах, фосфоритах и других. Фтор - важный биогенный элемент. В истории Земли источником поступления Фтора в биосферу были продукты извержения вулканов (газы и др.).

Физические свойства Фтора. Газообразный Фтор имеет плотность 1,693 г/л (0°С и 0,1 Мн/м 2 , или 1 кгс/см 2), жидкий - 1,5127 г/см 3 (при температуре кипения); t пл -219,61 °С; t кип -188,13 °С. Молекула Фтора состоит из двух атомов (F 2); при 1000 °С 50% молекул диссоциирует, энергия диссоциации около 155 кДж/моль (37 ккал/моль). Фтор плохо растворим в жидком фтористом водороде; растворимость 2,5·10 -3 г в 100 г HF при -70 °С и 0,4·10 -3 г при -20 °С; в жидком виде неограниченно растворим в жидком кислороде и озоне.

Химические свойства Фтора. Конфигурация внешних электронов атома Фтора 2s 2 2p 5 . В соединениях проявляет степень окисления -1. Ковалентный радиус атома 0,72Å, ионный радиус 1,ЗЗÅ. Сродство к электрону 3,62 эв, энергия ионизации (F → F+) 17,418эв. Высокими значениями сродства к электрону и энергии ионизации объясняется сильная электроотрицательность атома Фтора, наибольшая среди всех других элементов. Высокая реакционная способность Фтора обусловливает экзотермичность фторирования, которая, в свою очередь, определяется аномально малой величиной энергии диссоциации молекулы Фтора и большими величинами энергии связей атома Фтора с других атомами. Прямое фторирование имеет цепной механизм и легко может перейти в горение и взрыв. Фтор реагирует со всеми элементами, кроме гелия, неона и аргона. С кислородом взаимодействует в тлеющем разряде, образуя при низких температуpax фториды кислорода O 2 F 2 , O 3 F 2 и другие. Реакции Фтора с других галогенами экзотермичны, в результате образуются межгалогенные соединения. Хлор взаимодействует с Фтором при нагревании до 200-250 "С, давая монофтористый хлор ClF и трехфтористый хлор ClF 3 . Известен также ClF 5 , получаемый фторированием ClF 3 при высокой температуре и давлении 25 Мн/м2 (250 кгс/см2). Бром и иод воспламеняются в атмосфере Фтора при обычной температуре, при этом могут быть получены BrF 3 , BrF 5 , IF 3 , IF 2 . Фтор непосредственно реагирует с криптоном, ксеноном и радоном, образуя соответствующие фториды (например, XeF 4 , XeF 6 , KrF 2). Известны также оксифториды ксенона.

Взаимодействие Фтора с серой сопровождается выделением тепла и приводит к образованию многочисленных фторидов серы. Селен и теллур образуют высшие фториды SeF 6 и TeF 6 . Фтор с водородом реагируют с воспламенением; при этом образуется фтористый водород. Это радикальная реакция с разветвлением цепей: HF* + Н 2 = HF + Н 2 *; Н 2 * + F 2 = HF + Н + F (где HF* и Н 2 * - молекулы в колебательно-возбужденном состоянии); реакция используется в химических лазерах. Фтор с азотом реагирует лишь в электрическом разряде. Древесный уголь при взаимодействии с Фтором воспламеняется при обычной температуре; графит реагирует с ним при сильном нагревании, при этом возможно образование твердого фтористого графита (CF) Х или газообразных перфторуглеродов CF 4 , C 2 F 6 и других. С бором, кремнием, фосфором, мышьяком Фтор взаимодействует на холоду, образуя соответствующие фториды.

Фтор энергично соединяется с большинством металлов; щелочные и щелочноземельные металлы воспламеняются в атмосфере Фтора на холоду, Bi, Sn, Ti, Mo, W - при незначительном нагревании. Hg, Pb, U, V реагируют с Фтором при комнатной температуре, Pt - при температуре темнокрасного каления. При взаимодействии металлов с Фтор образуются, как правило, высшие фториды, например UF 6 , MoF 6 , HgF 2 . Некоторые металлы (Fe, Cu, Al, Ni, Mg, Zn) реагируют с Фтором с образованием защитной пленки фторидов, препятствующей дальнейшей реакции.

При взаимодействии Фтора с оксидами металлов на холоду образуются фториды металлов и кислород; возможно также образование оксифторидов металлов (например, MoO 2 F 2). Оксиды неметаллов либо присоединяют Фтор, например SO 2 + F 2 = SO 2 F 2 , либо кислород в них замещается на Фтор, например SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + О 2 . Стекло очень медленно реагирует с Фтором; в присутствии воды реакция идет быстро. Вода взаимодействует с Фтором: 2Н 2 О + 2F 2 = 4HF + О 2 ; при этом образуется также OF 2 и пероксид водорода Н 2 О 2 . Оксиды азота NO и NO 2 легко присоединяют Фтор с образованием соответственно фтористого нитрозила FNO и фтористого нитрила FNO 2 . Оксид углерода (II) присоединяет Фтор при нагревании с образованием фтористого карбонила: СО + F 2 = COF 2 .

Гидрооксиды металлов реагируют с Фтором, образуя фторид металла и кислород, например 2Ва(ОН) 2 + 2F 2 = 2BaF 2 + 2Н 2 О + О 2 . Водные растворы NaOH и KOH реагируют с Фтором при 0°С с образованием OF 2 .

Галогениды металлов или неметаллов взаимодействуют с Фтором на холоду, причем Фтор замещает все галогены.

Легко фторируются сульфиды, нитриды и карбиды. Гидриды металлов образуют с Фтором на холоду фторид металла и HF; аммиак (в парах) - N 2 и HF. Фтор замещает водород в кислотах или металлы в их солях, например НNО 3 (или NaNO 3) + F 2 = FNO 3 + HF (или NaF); в более жестких условиях Фтор вытесняет кислород из этих соединений, образуя сульфурилфторид, например Na 2 SO 4 + 2F 2 = 2NaF +SO 2 F 2 + O 2 . Карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с Фтором при обычной температуре; при этом получаются соответствующий фторид, СО 2 и О 2 .

Фтор энергично реагирует с органических веществами.

Получение Фтора. Источником для производства Фтора служит фтористый водород, получающийся в основном либо при действии серной кислоты H 2 SO 4 · на флюорит CaF 2 , либо при переработке апатитов и фосфоритов. Производство Фтора осуществляется электролизом расплава кислого фторида калия KF-(1,8-2,0)HF, который образуется при насыщении расплава KF-HF фтористым водородом до содержания 40-41% HF. Материалом для электролизера обычно служит сталь; электроды - угольный анод и стальной катод. Электролиз ведется при 95-100 °С и напряжении 9-11 в; выход Фтора по току достигает 90-95%. Получающийся Фтор содержит до 5% HF, который удаляется вымораживанием с последующим поглощением фторидом натрия. Фтор хранят в газообразном состоянии (под давлением) и в жидком виде (при охлаждении жидким азотом) в аппаратах из никеля и сплавов на его основе (монелъ-металл), из меди, алюминия и его сплавов, латуни, нержавеющей стали.

Применение Фтора. Газообразный Фтор служит для фторирования UF 4 в UF 6 , применяемого для изотопов разделения урана, а также для получения трехфтористого хлора ClF 3 (фторирующий агент), шестифтористой серы SF 6 (газообразный изолятор в электротехнической промышленности), фторидов металлов (например, W и V). Жидкий Фтор - окислитель ракетных топлив.

Широкое применение получили многочисленные соединения Фтора - фтористый водород, фторид алюминия, кремнефториды, фторсульфоновая кислота (растворитель, катализатор, реагент для получения органических соединений, содержащих группу - SO 2 F), BF 3 (катализатор), фторорганические соединения и другие.

Техника безопасности. Фтор токсичен, предельно допустимая концентрация его в воздухе примерно 2·10 -4 мг/л, а предельно допустимая концентрация при экспозиции не более 1 ч составляет 1,5·10 -3 мг/л.

Фтор в организме. Фтор постоянно входит в состав животных и растительных тканей; микроэлемент. В виде неорганических соединений содержится главным образом в костях животных и человека -100-300 мг/кг; особенно много Фтора в зубах. Кости морских животных богаче Фтором по сравнению с костями наземных. Поступает в организм животных и человека преимущественно с питьевой водой, оптимальное содержание Фтора в которой 1-1,5 мг/л. При недостатке Фтора у человека развивается кариес зубов, при повышенном поступлении - флюороз. Высокие концентрации ионов Фтора опасны ввиду их способности к ингибированию ряда ферментативных реакций, а также к связыванию важных в биологическом отношении элементов. (Р, Са, Mg и других), нарушающему их баланс в организме. Органические производные Фтора обнаружены только в некоторых растениях (например, в южноафриканском Dichapetalum cymosum). Основные из них - производные фторуксусной кислоты, токсичные как для других растений, так и для животных. Установлена связь обмена Фтора с образованием костной ткани скелета и особенно зубов.

Отравления Фтором возможны у работающих в химические промышленности, при синтезе фторсодержащих соединений и производстве фосфорных удобрений. Фтор раздражает дыхательные пути, вызывает ожоги кожи. При остром отравлении возникают раздражение слизистых оболочек гортани и бронхов, глаз, слюнотечение, носовые кровотечения; в тяжелых случаях - отек легких, поражение центральной нервной системы и других; при хроническом - конъюнктивит, бронхит, пневмония, пневмосклероз, флюороз. Характерно поражение кожи типа экземы. Первая помощь: промывание глаз водой, при ожогах кожи - орошение 70%-ным спиртом; при ингаляционном отравлении - вдыхание кислорода. Профилактика: соблюдение правил техники безопасности, ношение специальной одежды, регулярные медицинские осмотры, включение в пищевой рацион кальция, витаминов.



Предыдущая статья: Следующая статья:

© 2015 .
О сайте | Контакты
| Карта сайта