ФТОР: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, РИСКИ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Фтора представляет собой химический элемент с символом F и 17 ведет группу, к которой принадлежит галогены. Он отличается от других элементов таблицы Менделеева как наиболее реактивный и электроотрицательный; Он реагирует почти со всеми атомами, поэтому образует бесконечное количество солей и фторированных соединений.

В нормальных условиях это бледно-желтый газ, который можно спутать с желтовато-зеленым. В жидком состоянии, показанном на изображении ниже, его желтый цвет немного усиливается, который полностью исчезает, когда он затвердевает при температуре замерзания.

Жидкий фтор в пробирке. Источник: Fulvio314

Его реакционная способность, несмотря на летучий характер газа, такова, что он остается в ловушке земной коры; особенно в форме минерала флюорита, известного своими кристаллами фиолетового цвета. Кроме того, его реакционная способность делает его потенциально опасным веществом; он энергично реагирует на все, к чему прикасается, и сгорает.

Однако многие из его побочных продуктов могут быть безвредными и даже полезными в зависимости от их применения. Например, наиболее популярным применением фторида, добавляемого в его ионной или минеральной форме (например, фторидных солей), является приготовление зубных паст с фтором, которые помогают защитить зубную эмаль.

Фтор имеет особенность, заключающуюся в том, что он может стабилизировать высокие числа или степени окисления для многих других элементов. Чем выше количество атомов фтора, тем более реакционноспособно соединение (если оно не является полимером). Точно так же его эффекты с молекулярными матрицами будут увеличиваться; для лучшего или худшего.

история

Использование флюорита

В 1530 году немецкий минералог Георгиус Агрикола обнаружил, что минеральный плавиковый шпат может использоваться для очистки металлов. Плавиковый шпат - это еще одно название флюорита, фторсодержащего минерала, состоящего из фторида кальция (CaF ₂ ).

Элемент фтор к тому времени еще не был обнаружен, и флюор во флюорите произошел от латинского слова «fluere», что означает «течь»; ведь именно так поступали плавиковый шпат или флюорит с металлами: он помог им покинуть образец.

Приготовление плавиковой кислоты

В 1764 году Андреасу Сигизмуду Марграффу удалось получить плавиковую кислоту, нагревая флюорит серной кислотой. Стеклянные реторты расплавлялись под действием кислоты, поэтому стекло заменялось металлом.

Это также приписывается Карлу Шееле в 1771 году, когда кислота была получена тем же методом, что и Марграфф. В 1809 году французский ученый Андре-Мари Ампер предположил, что фтористоводородная кислота представляет собой соединение, состоящее из водорода и нового элемента, похожего на хлор.

Ученые долгое время пытались выделить фторид с помощью плавиковой кислоты; но его опасность затрудняла продвижение в этом смысле.

Хамфри Дэви, Жозеф Луи Гей-Люссак и Жак Тенар испытывали сильную боль при вдыхании фтористого водорода (плавиковая кислота без воды и в газообразной форме). Ученые Полин Луайет и Джером Никлз умерли от отравления при аналогичных обстоятельствах.

Эдмон Фреми, французский исследователь, попытался создать сухую фтористоводородную кислоту, чтобы избежать отравления фтористым водородом, подкисляя бифторид калия (KHF ₂ ), но во время электролиза проводимость электрического тока отсутствовала.

Изоляция

В 1860 году английский химик Джордж Гор попытался провести электролиз сухой фтористоводородной кислоты и ему удалось выделить небольшое количество газообразного фтора. Однако произошел взрыв, когда произошла бурная рекомбинация водорода и фтора. Гор объяснил взрыв утечкой кислорода.

В 1886 году французскому химику Анри Муассону впервые удалось выделить фтор. Ранее работа Муассона прерывалась четыре раза из-за сильного отравления фтористым водородом при попытке изолировать элемент.

Муассон был учеником Фреми и полагался на его эксперименты по выделению фтора. Муассон использовал при электролизе смесь фторида калия и плавиковой кислоты. Полученный раствор проводил электричество и газообразный фтор собирался на аноде; то есть на положительно заряженном электроде.

Муассон использовал коррозионно-стойкое оборудование, в котором электроды были изготовлены из сплава платины и иридия. При электролизе он использовал платиновую емкость и охладил раствор электролита до температуры -23ºF (-31ºC).

Наконец, 26 июня 1886 года Анри Мойссону удалось выделить фтор, и эта работа позволила ему получить Нобелевскую премию 1906 года.

Интерес к фториду

Интерес к исследованиям фторидов на время пропал. Однако развитие Манхэттенского проекта по производству атомной бомбы снова ускорило его.

Между 1930 и 1940 годами американская компания Dupont разработала фторированные продукты, такие как хлорфторуглероды (фреон-12), используемые в качестве хладагентов; и политетрафторэтиленовый пластик, более известный под названием тефлон. Это привело к увеличению производства и потребления фтора.

В 1986 году на конференции примерно через столетие после выделения фтора американский химик Карл О. Кристе представил химический метод получения фтора реакцией между K ₂ MnF ₆ и SbF ₅ .

Физические и химические свойства

Внешность

Фтор - бледно-желтый газ. В жидком состоянии ярко-желтого цвета. Между тем твердое тело может быть непрозрачным (альфа) или прозрачным (бета).

Атомный номер (Z)

9.

Атомный вес

18,998 шт.

Температура плавления

-219,67 ° С.

Точка кипения

-188,11 ° С.

плотность

При комнатной температуре: 1,696 г / л.

При температуре плавления (жидкость): 1,505 г / мл.

Теплота испарения

6,51 кДж / моль.

Молярная калорийность

31 Дж / (моль К).

Давление газа

При температуре 58 К он имеет давление пара 986,92 атм.

Теплопроводность

0,0277 Вт / (м · К)

Магнитный заказ

диамагнитный

запах

Характерный резкий и резкий запах, обнаруживаемый даже при концентрации 20 частей на миллиард.

Числа окисления

-1, что соответствует фторид-аниону F ^- .

Энергия ионизации

-Первый: 1,681 кДж / моль

-Второй: 3374 кДж / моль

-Третий: 6,147 кДж / моль

Электроотрицательность

3,98 по шкале Полинга.

Это химический элемент с самой высокой электроотрицательностью; то есть он имеет высокое сродство к электронам атомов, с которыми он связан. Из-за этого атомы фтора создают большие дипольные моменты в определенных областях молекулы.

Его электроотрицательность также имеет другой эффект: связанные с ним атомы теряют настолько большую электронную плотность, что начинают приобретать положительный заряд; это положительная степень окисления. Чем больше атомов фтора содержится в соединении, тем выше степень окисления центрального атома.

Например, в OF ₂ кислород имеет степень окисления +2 (O ²⁺ F ₂ ^- ); в UF ₆ уран имеет степень окисления +6 (U ⁶⁺ F ₆ ^- ); то же самое происходит с серой в SF ₆ (S ⁶⁺ F ₆ ^- ); и, наконец, есть AgF ₂ , где серебро даже имеет редкую для него степень окисления +2.

Следовательно, элементам удается участвовать с их наиболее положительной степенью окисления, когда они образуют соединения с фтором.

Окислитель

Фтор - самый мощный окислитель, поэтому никакое вещество не способно его окислить; и по этой причине он не является бесплатным по своей природе.

Реактивность

Фтор может соединяться со всеми другими элементами, кроме гелия, неона и аргона. Он также не повреждает низкоуглеродистую сталь или медь при нормальных температурах. Реагирует бурно с органическими материалами, такими как резина, дерево и ткань.

Фтор может реагировать с благородным газом ксеноном с образованием сильного окислителя дифторида ксенона, XeF ₂ . Он также реагирует с водородом с образованием галогенида, фтороводорода, HF. В свою очередь, фтористый водород растворяется в воде, образуя знаменитую фтористоводородную кислоту (например, стекло).

Кислотность кислотных кислот в порядке возрастания:

HF <HCl <HBr <HI

Азотная кислота реагирует с фтором с образованием нитрата фтора, FNO ₃ . Между тем соляная кислота активно реагирует с фтором с образованием HF, OF ₂ и ClF ₃ .

Структура и электронная конфигурация

Двухатомная молекула

Молекула фтора представлена ​​моделью пространственного заполнения. Источник: Габриэль Боливар.

Атом фтора в основном состоянии имеет семь валентных электронов, которые находятся на 2s- и 2p-орбиталях в соответствии с электронной конфигурацией:

2с ² 2п ⁵

Теория валентной связи (TEV) утверждает, что два атома фтора, F, ковалентно связаны с каждым полным октетом валентности.

Это происходит быстро, потому что требуется всего один электрон, чтобы стать изоэлектронным благородному неоновому газу; и его атомы очень маленькие, с очень сильным эффективным ядерным зарядом, который легко требует электронов из окружающей среды.

Молекула F ₂ (верхнее изображение) имеет одну ковалентную связь FF. Несмотря на свою стабильность по сравнению со свободными атомами F, это очень реактивная молекула; гомоядерный, неполярный и жаждущий электронов. Вот почему фтор, как и F ₂ , является очень токсичным и опасным веществом.

Поскольку F ₂ неполярен, его взаимодействия зависят от его молекулярной массы и лондонских сил рассеяния. В какой-то момент электронное облако вокруг обоих атомов F должно деформироваться и вызвать мгновенный диполь, который индуцирует другой в соседней молекуле; так что они притягивают друг друга медленно и слабо.

Жидкие и твердые

Молекула F ₂ очень мала и относительно быстро распространяется в космосе. В газовой фазе он имеет бледно-желтый цвет (который можно спутать с зеленым лаймом). Когда температура падает до -188 ° C, дисперсионные силы становятся более эффективными, в результате чего молекулы F ₂ сливаются в достаточной степени, чтобы образовать жидкость.

Жидкий фтор (первое изображение) выглядит даже более желтым, чем соответствующий ему газ. В нем молекулы F ₂ расположены ближе и в большей степени взаимодействуют со светом. Интересно, что как только искаженный кубический кристалл фтора образуется при -220 ° C, цвет тускнеет и остается прозрачным твердым телом.

Теперь, когда молекулы F ₂ расположены так близко друг к другу (но без остановки их молекулярного вращения), кажется, что их электроны приобретают некоторую стабильность, и, следовательно, их электронный скачок слишком велик для того, чтобы свет мог даже взаимодействовать с кристаллом.

Кристаллические фазы

Этот кубический кристалл соответствует β-фазе (это не аллотроп, потому что он остается тем же самым F ₂ ). Когда температура падает еще больше, до -228 ºC, твердый фтор претерпевает фазовый переход; кубический кристалл становится моноклинным, α-фаза:

Кристаллическая структура альфа-фазы фтора. Источник: Benjah-bmm27.

В отличие от β-F ₂ , α-F ₂ непрозрачен и тверд. Возможно, это потому, что молекулы F ₂ больше не имеют такой свободы вращения в своих фиксированных положениях в моноклинных кристаллах; где они в большей степени взаимодействуют со светом, но без возбуждения своих электронов (что внешне объясняет их непрозрачность).

Кристаллическую структуру α-F ₂ было трудно изучить обычными методами дифракции рентгеновских лучей, потому что переход от β к α-фазе сильно экзотермичен; Причина, по которой кристалл практически взорвался, в то же время он мало взаимодействовал с излучением.

Потребовалось около пятидесяти лет, прежде чем немецкие ученые (Флориан Краус и др.) Полностью расшифровали структуру α-F ₂ с большей точностью благодаря методам нейтронографии.

Где найти и получить

Фтор занимает 24-е место среди самых распространенных элементов во Вселенной. Однако в земной массе содержится 13 об. ^{Элемента} с концентрацией 950 ppm в коре и 1,3 ppm в морской воде.

В почвах концентрация фторида составляет от 150 до 400 частей на миллион, а в некоторых почвах концентрация может достигать 1000 частей на миллион. В атмосферном воздухе он присутствует в концентрации 0,6 частей на миллиард; но в некоторых городах зафиксировано до 50 частей на миллиард.

Фтор получают в основном из трех минералов: флюорита или фторошпата (CaF ₂ ), фторапатита и криолита (Na ₃ AlF ₆ ).

Обработка флюорита

После сбора породы с минералом флюоритом они подвергаются первичному и вторичному дроблению. При вторичном дроблении получаются очень мелкие обломки породы.

Затем фрагменты горных пород направляются в шаровую мельницу для измельчения в порошок. Добавляют воду и реагенты для образования пасты, которую помещают во флотационный резервуар. Воздух вводится под давлением для образования пузырьков, и, таким образом, флюорит плавает на водной поверхности.

Силикаты и карбонаты осаждаются, а флюорит собирается и отправляется в сушильные шкафы.

После получения флюорита он реагирует с серной кислотой с образованием фтороводорода:

CaF ₂ + H ₂ SO ₄ => 2 HF + CaSO ₄

Электролиз фтороводорода

При производстве фтора используется метод, использованный Муассоном в 1886 году, с некоторыми изменениями.

Электролиз производится смесью расплавленного фторида калия и плавиковой кислоты с молярным соотношением от 1: 2,0 до 1: 2,2. Температура расплава соли 70-130 ° C.

Катод состоит из сплава монеля или стали, а анод - из деграфитового углерода. Процесс производства фтора при электролизе можно описать следующим образом:

2HF => H ₂ + F ₂

Для охлаждения камеры электролиза используется вода, но температура должна быть выше точки плавления электролита, чтобы избежать затвердевания. Полученный при электролизе водород собирается на катоде, а фтор - на аноде.

Изотопы

Фтор состоит из 18 изотопов, причем ¹⁹ F является единственным стабильным изотопом со 100% содержанием. ¹⁸ Р имеет период полураспада , равный 109.77 минут и является радиоактивный изотоп фтора с более половины - жизни. ¹⁸ F используется в качестве источника позитронов.

Биологическая роль

Метаболическая активность фтора у млекопитающих и высших растений неизвестна. Однако некоторые растения и морские губки синтезируют монофторацетат, ядовитое соединение, которое они используют в качестве защиты, чтобы предотвратить его разрушение.

риски

Чрезмерное потребление фторида было связано с флюорозом костей у взрослых и флюорозом зубов у детей, а также с изменениями функции почек. По этой причине Служба общественного здравоохранения США (PHS) предложила, чтобы концентрация фторида в питьевой воде не превышала 0,7 мг / л.

Между тем, Агентство по охране окружающей среды США (EPA) установило, что концентрация фтора в питьевой воде не должна превышать 4 мг / л, чтобы избежать флюороза скелета, при котором фтор накапливается в костях. Это может привести к ослаблению костей и переломам.

Фтор связан с повреждением паращитовидной железы, снижением содержания кальция в костных структурах и высокой концентрацией кальция в плазме.

Среди изменений, связанных с избытком фтора, можно выделить следующие: флюороз зубов, флюороз скелета и повреждение паращитовидной железы.

Стоматологический флюороз

Флюороз зубов проявляется небольшими прожилками или пятнышками на зубной эмали. Детям до 6 лет нельзя использовать жидкости для полоскания рта, содержащие фтор.

Флюороз скелета

При флюорозе скелета можно диагностировать боль и повреждение костей, а также суставов. Кость может затвердеть и потерять эластичность, увеличивая риск переломов.

Приложения

зубная паста

Некоторые неорганические соли фторида используются в качестве добавки в состав зубных паст, которые, как было показано, помогают защитить зубную эмаль. Источник: Pxhere.

Мы начинаем с раздела об использовании фторида с самого известного: использования в качестве компонента многих зубных паст. Это не единственное применение , где контраст между его крайне ядовитой и опасной молекулы F ₂ и аниона F ^- можно оценить , что в зависимости от его окружающей среды может быть полезным (хотя иногда нет).

Когда мы едим пищу, особенно сладости, бактерии разрушают ее, повышая кислотность слюны. Затем наступает момент, когда pH становится достаточно кислым, чтобы разрушить и деминерализовать зубную эмаль; гидроксиапатит разрушается.

Однако в этом процессе ионы F ^- взаимодействуют с Ca ²⁺ с образованием матрицы фторапатита; более стабильный и долговечный, чем гидроксиапатит. Или, по крайней мере, это предлагаемый механизм, объясняющий действие фторид-аниона на зубы. Вероятно, он будет более сложным и будет иметь pH-зависимый гидроксиапатит-фторапатитовый баланс.

Эти F ^- анионы доступны в зубных зубах в виде солей; такие как: NaF, SnF ₂ (знаменитый фторид олова) и NaPOF. Однако концентрация F ^- должна быть низкой (менее 0,2%), так как в противном случае он оказывает негативное воздействие на организм.

Фторирование воды

Как и в случае с зубной пастой, в источники питьевой воды добавляли фторидные соли для борьбы с кариесами у тех, кто ее пьет. Концентрация все равно должна быть намного ниже (0,7 ppm). Однако эта практика часто вызывает недоверие и споры, так как ей приписывают возможные канцерогенные эффекты.

Окислитель

Газ F ₂ ведет себя как очень сильный окислитель. Это заставляет многие соединения гореть быстрее, чем при воздействии кислорода и источника тепла. Вот почему его использовали в смесях ракетного топлива, в которых он даже может заменить озон.

Полимеры

Во многих случаях вклад фтора связан не с F ₂ или F ^- , а непосредственно с их электроотрицательными атомами как частью органического соединения. По сути, мы говорим о ссылке CF.

В зависимости от структуры полимеры или волокна со связями CF обычно гидрофобны, поэтому они не промокают и не сопротивляются воздействию фтористоводородной кислоты; Или, что еще лучше, они могут быть отличными электрическими изоляторами и полезными материалами, из которых сделаны такие объекты, как трубы и прокладки. Примерами этих фторированных полимеров являются тефлон и нафион.

Фармацевты

Реакционная способность фтора делает его использование для синтеза множества неорганических или органических соединений фтора под вопросом. В органических веществах, особенно в тех, которые обладают фармакологическими эффектами, замена одного из их гетероатомов атомами F увеличивает (положительно или отрицательно) их действие на их биологическую мишень.

Вот почему в фармацевтической промышленности всегда предлагается модификация некоторых лекарств путем добавления атомов фтора.

Очень похоже на гербициды и фунгициды. Содержащиеся в них фториды могут усилить их действие и эффективность в отношении насекомых и грибковых вредителей.

Гравировка на стекле

Плавиковая кислота из-за ее агрессивности по отношению к стеклу и керамике использовалась для гравировки тонких и хрупких деталей из этих материалов; обычно предназначены для изготовления микрокомпонентов компьютеров или электрических лампочек.

Обогащение урана

Одно из наиболее актуальных применений элементарного фтора - обогащение урана до ²³⁵ U. Для этого урановые минералы растворяются во фтористоводородной кислоте с образованием UF ₄ . Этот неорганический фторид затем реагирует с F ₂ , превращаясь, таким образом, в UF ₆ ( ²³⁵ UF ₆ и ²³⁸ UF ₆ ).

Затем с помощью газового центрифугирования ²³⁵ UF ₆ отделяется от ²³⁸ UF ₆ для последующего окисления и хранения в качестве ядерного топлива.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Krämer Katrina. (2019). Пересмотр структуры замороженного фтора через 50 лет. Королевское химическое общество. Получено с: chemistryworld.com
3. Wikipedia. (2019). Фтор. Получено с: en.wikipedia.org
4. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Фтор. База данных PubChem. CID = 24524. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе фтора. Chemicool. Получено с: chemicool.com
6. Батул Нафиса Бахамуса. (21 февраля 2018 г.). Удивительно распространенное использование высокореактивного фтора. Получено с: sciencestruck.com
7. Паола Опасо Саес. (04 февраля 2019 г.). Фтор в зубной пасте: это хорошо или плохо для вашего здоровья? Получено с: nacionfarma.com
8. Карл Кристе и Стефан Шнайдер. (8 мая 2019 г.). Фтор: химический элемент. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
9. Lenntech BV (2019). Таблица Менделеева: кислород. Получено с: lenntech.com
10. Ганьон Стив. (SF). Элемент фтор. Лаборатория Джефферсона. Источник: education.jlab.org
11. Медицинская и редакционная группа Американского онкологического общества. (2015, 28 июля). Фторирование воды и риск рака. Получено с: race.org