Фтор - химический элемент (символ F, атомный номер 9), неметалл, который относится к группе галогенов. Это самое активное и электроотрицательное вещество. При нормальной температуре и давлении молекула фтора является бледно-желтого цвета с формулой F 2 . Как и другие галоиды, молекулярный фтор очень опасен и при контакте с кожей вызывает тяжелые химические ожоги.
Использование
>Фтор и его соединения широко применяются, в т. ч. и для получения фармацевтических препаратов, агрохимикатов, горюче-смазочных материалов и текстиля. используется для травления стекла, а плазма из фтора - для производства полупроводниковых и других материалов. Низкие концентрации ионов F в зубной пасте и питьевой воде могут помочь предотвратить кариес зубов, в то время как более высокие концентрации входят в состав некоторых инсектицидов. Многие общие анестетики представляют собой производные фторуглеводородов. Изотоп 18 F является источником позитронов для получения медицинских изображений методом позитронно-эмиссионной томографии, а гексафторид урана используется для разделения изотопов урана и получения для атомных электростанций.
История открытия
>Минералы, содержащие соединения фтора, были известны за много лет до выделения этого химического элемента. Например, минерал плавиковый шпат (или флюорит), состоящий из фторида кальция, был описан в 1530 г. Георгием Агриколой. Он заметил, что его можно использовать в качестве флюса — вещества, которое помогает снизить температуру плавления металла или руды и помогает очистить нужный металл. Поэтому фтор название свое латинское название получил от слова fluere («течь»).
В 1670 году стеклодув Генрих Шванхард обнаружил, что стекло травится под действием фтористого кальция (плавикового шпата), обработанного кислотой. Карл Шееле и многие более поздние исследователи, в том числе Гемфри Дэви, Жозеф-Луи Гей-Люссак, Антуан Лавуазье, Луи Тенар, экспериментировали с плавиковой кислотой (HF), которую было несложно получить путем обработки CaF концентрированной серной кислотой.
В конце концов, стало понятно, что HF содержит ранее неизвестный элемент. Это вещество, однако, из-за его чрезмерной реактивности в течение многих лет выделить не удавалось. Его не только трудно отделить от соединений, но оно тут же вступает в реакцию с другими их компонентами. Выделение элементарного фтора из плавиковой кислоты чрезвычайно опасно, и ранние попытки ослепили и убили нескольких ученых. Эти люди стали известны как «мученики фтора».
Открытие и производство
>Наконец, в 1886 году французскому химику Анри Муассану удалось выделить фтор путем электролиза смеси расплавленных фторидов калия и плавиковой кислоты. За это он был удостоен Нобелевской премии 1906 года в области химии. Его электролитический подход продолжает использоваться сегодня для промышленного получения данного химического элемента.
Первое масштабное производство фтора началось во время Второй мировой войны. Он требовался для одного из этапов создания атомной бомбы в рамках Манхэттенского проекта. Фтор использовался для получения гексафторида урана (UF 6), который, в свою очередь, применялся для отделения друг от друга двух изотопов 235 U и 238 U. Сегодня газообразный UF 6 необходим для получения обогащенного урана для ядерной энергетики.
Важнейшие свойства фтора
>В периодической таблице элемент находится в верхней части 17 группы (бывшая группа 7А), которую называют галогенной. К другим галогенам относятся хлор, бром, йод и астат. Кроме того, F находится во втором периоде между кислородом и неоном.
Чистый фтор - это коррозионный газ (химическая формула F 2) с характерным резким запахом, который обнаруживается в концентрации 20 нл на литр объема. Как наиболее реактивный и электроотрицательный из всех элементов, он легко образует соединения с большинством из них. Фтор слишком реактивный, чтобы существовать в элементарной форме и имеет такое сродство с большинством материалов, включая кремний, что его нельзя готовить или хранить в стеклянных емкостях. Во влажном воздухе он реагирует с водой, образуя не менее опасную плавиковую кислоту.
Фтор, взаимодействуя с водородом, взрывается даже при низкой температуре и в темноте. Он бурно реагирует с водой, образуя плавиковую кислоту и газообразный кислород. Различные материалы, в том числе мелкодисперсные металлы и стекла, в струе газообразного фтора горят ярким пламенем. Кроме того, данный химический элемент образует соединения с благородными газами криптоном, ксеноном и радоном. Однако непосредственно с азотом и кислородом он не реагирует.
Несмотря на крайнюю активность фтора, сегодня стали доступны методы его безопасной обработки и транспортировки. Элемент может храниться в емкостях из стали или монеля (богатого никелем сплава), так как на поверхности этих материалов образуются фториды, которые препятствуют дальнейшей реакции.
Фториды - это вещества, в которых фтор присутствует в виде отрицательно заряженного иона (F -) в сочетании с некоторыми положительно заряженными элементами. Соединения фтора с металлами являются одними из наиболее стабильных солей. При растворении в воде они делятся на ионы. Другими формами фтора являются комплексы, например, - , и H 2 F + .
Изотопы
>Существует множество изотопов данного галогена, начиная от 14 F и заканчивая 31 F. Но изотопный состав фтора включает только один из них, 19 F, который содержит 10 нейтронов, так как только он является стабильным. Радиоактивный изотоп 18 F - ценный источник позитронов.
Биологическое воздействие
>Фтор в организме в основном содержится в костях и зубах в виде ионов. Фторирование питьевой воды в концентрации менее одной части на миллион значительно снижает частоту кариеса — так считают в Национальном исследовательском совете Национальной академии наук США. С другой стороны, избыточное накопление фтора может привести к флюорозу, который проявляется в крапчатости зубов. Этот эффект обычно наблюдается в местностях, где содержание данного химического элемента в питьевой воде превышает концентрацию 10 промилле.
Элементарный фтор и фтористые соли токсичны и с ними следует обходиться с большой осторожностью. Контакта с кожей или глазами следует тщательно избегать. Реакция с кожным покровом производит которая быстро проникает через ткани и реагирует с кальцием в костях, повреждая их навсегда.
Фтор в окружающей среде
>Ежегодная мировая добыча минерала флюорита составляет около 4 млн т, а общая мощность разведанных месторождений находится в пределах 120 млн т. Основными районами добычи этого минерала являются Мексика, Китай и Западная Европа.
В природе фтор встречается в земной коре, где его можно найти в горных породах, угле и глине. Фториды попадают в воздух при ветровой эрозии почв. Фтор является 13-м по распространенности химическим элементом в земной коре - его содержание равно 950 промилле. В почвах его средняя концентрация - примерно 330 промилле. Фтороводород может выделяться в воздух в результате процессов горения в промышленности. Фториды, которые находятся в воздухе, в конечном итоге выпадают на землю или в воду. Когда фтор образует связь с очень мелкими частицами, то может оставаться в воздухе в течение длительного периода времени.
В атмосфере 0,6 миллиардных долей данного химического элемента присутствуют в виде солевого тумана и органических соединений хлора. В городских условиях концентрация достигает 50 частей на миллиард.
Соединения
>Фтор - это химический элемент, который образует широкий спектр органических и неорганических соединений. Химики могут заменить им атомы водорода, тем самым создавая множество новых веществ. Высокореактивный галоген образует соединения с благородными газами. В 1962 году Нил Бартлетт синтезировал гексафторплатинат ксенона (XePtF6). Фториды криптона и радона также были получены. Еще одним соединением является фторгидрид аргона, устойчивый лишь при экстремально низких температурах.
Промышленное применение
>В атомарном и молекулярном состоянии фтор используется для плазменного травления в производстве полупроводников, плоских дисплеев и микроэлектромеханических систем. Плавиковая кислота применяется для травления стекла в лампах и других изделиях.
Наряду с некоторыми из его соединений, фтор - это важная составляющая производства фармацевтических препаратов, агрохимикатов, горюче-смазочных материалов и текстиля. Химический элемент необходим для получения галогенированных алканов (галоны), которые, в свою очередь, широко использовались в системах кондиционирования воздуха и охлаждения. Позже такое применение хлорфторуглеродов было запрещено, поскольку они способствуют разрушению озонового слоя в верхних слоях атмосферы.
Гексафторид серы - чрезвычайно инертный, нетоксичный газ, относящийся к веществам, вызывающим парниковый эффект. Без фтора невозможно производство пластмасс с низким коэффициентом трения, таких как тефлон. Многие анестетики (например, севофлуран, десфлуран и изофлуран) являются производными фторуглеводородов. Гексафторалюминат натрия (криолит) применяется в электролизе алюминия.
Соединения фтора, в том числе NaF, используются в зубных пастах для предотвращения кариеса. Эти вещества добавляются в системы муниципального водоснабжения для фторирования воды, однако из-за воздействия на здоровье человека эта практика считается спорной. При более высоких концентрациях NaF используются в качестве инсектицида, особенно для борьбы с тараканами.
В прошлом фториды применялись для снижения и руд и повышения их текучести. Фтор - это важный компонент производства гексафторида урана, который применяется для разделения его изотопов. 18 F, радиоактивный изотоп с 110 минут, излучает позитроны и часто используется в медицинской позитронно-эмиссионной томографии.
Физические свойства фтора
>Базовые характеристики химического элемента следующие:
- Атомная масса 18,9984032 г/моль.
- Электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 5 .
- Степень окисления -1.
- Плотность 1,7 г/л.
- Температура плавления 53,53 К.
- Температура кипения 85,03 К.
- Теплоемкость 31,34 Дж/(К·моль).
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 — бледно-желтый газ. Вступает в химическую реакцию практически со всеми веществами, включая стекло.
Фтор: Флюорит — Ca-F2
Фтор применяется для изготовления лекарств. Таблетки содержащие фторид натрия выписывают людям что-бы предотвратить развитие кариеса. Также фторид натрия входит в состав зубных паст.
Для изготовления анти-пригарной посуды используют тефлон. Это изумительный материал. Чистый твердый скользкий как лед. Тефлон очень тяжелый, в отличии от большинства пластмасс, которые, как правило, легче, чем вода, тефлон более чем в два раза превышает плотность воды. Тефлон очень полезная штука, потому что почти ничего не прилипает к нему, и он непроницаем для большинства химических веществ. Главная ценность тефлона в том, что он имеет удивительно высокий процент фтора в маленьком пространстве. По весу, тефлон (политетрафторэтилен) состоит почти из 76% фтора, остальные 24% это углерод. Два атома фтора на каждый атом углерода, и каждый атом фтора весит больше, чем атом углерода.
Фреон, или C-H-Cl-F2 является хладагентом или веществом которое используют в холодильных машинах (холодильники и кондиционеры).
Фтор, Свойства и параметры фтора
>Фтор, Вступление> |
|
| Символ | F |
| Латинское название | Fluorine |
| Тип вещества | простой химический элемент |
| Первооткрыватель | А. Муассан |
| Год открытия | 1886 |
Основные параметры фтора по таблице Менделеева> |
|
| Атомный номер Z | 9 |
| Атомная масса | 18.9984032 |
| Группа | 17 |
| Период | 2 |
| Принадлежность к группе | галогены |
Механические свойства фтора> |
|
| Плотность газообразных веществ (при 0°C и 760мм.рт.ст) | 1.696 (Килограмм / Метр 3) |
Термодинамические свойства фтора> |
|
| Агрегатное состояние при нормальных условиях | газ |
| Точка плавления по Кельвину | 53.55 (Кельвин) |
| Точка плавления по Цельсию | -219.6 (°C) |
| Точка кипения по Кельвину | 85.03 (Кельвин) |
| Точка кипения по Цельсию | -188.12 (°C) |
Свойства атома фтора> |
|
| Конфигурация электронного облака | 1s 2 2s 2 2p 5 |
| Радиус атома | 42 · 10 − 12 (Метр) |
| Число протонов p | 9 |
| Число нейтронов n | 10 |
| Число электронов e | 9 |
| Массовое число A | 19 |
Химические свойства фтора> |
|
| Валентность | 1 |
Распространенность фтора> |
|
| 0.00004% | |
| Солнце состоит из фтора на | 0.00005% |
| Мировой океан состоит из фтора на | 0.00013% |
| Человеческое тело состоит из фтора на | 0.0037% |
Вселенная> |
|
| Вселенная состоит из фтора на | 0.00004% |
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.
(первый электрон)
(по Полингу)
| 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.
