ФТОР: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, РИЗИКИ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Фтору є хімічний елемент із символом F і 17 веде групу, до якої належить галогени. Він відрізняється над іншими елементами періодичної таблиці, оскільки є найбільш реакційним та електронегативним; Він реагує практично з усіма атомами, тому утворює нескінченну кількість солей і фторорганічних сполук.

У нормальних умовах це блідо-жовтий газ, який можна сплутати з жовтувато-зеленим. У рідкому стані, показаному на зображенні нижче, його жовтий колір ще більше посилюється, який повністю зникає, коли твердне в точці замерзання.

Рідкий фтор в пробірці. Джерело: Fulvio314

Така його реактивність, незважаючи на летючу природу газу, залишається в пастці земної кори; особливо у вигляді мінералу флюориту, відомого своїми фіолетовими кристалами. Також його реактивність робить його потенційно небезпечною речовиною; вона енергійно реагує на все, до чого доторкнеться, і палає полум’ям.

Однак багато її побічних продуктів можуть бути нешкідливими і навіть корисними, залежно від їх застосування. Наприклад, найпопулярніше використання фтору, доданого в його іонній або мінеральній формі (наприклад, солі фтору), полягає в приготуванні фтористих зубних паст, які допомагають захистити зубну емаль.

Фтор має таку особливість, що він може стабілізувати високі кількості або стани окислення для багатьох інших елементів. Чим більша кількість атомів фтору, тим більш реакційноздатна сполука (якщо вона не є полімером). Так само зростатимуть його ефекти з молекулярними матрицями; на краще чи гірше.

Історія

Застосування фтору

У 1530 році німецький мінералог Георгій Агрікола відкрив, що мінеральний фторпар можна використовувати для очищення металів. Fluorspar - інша назва флюориту, мінералу фтору, який складався з фториду кальцію (CaF ₂ ).

Елемент фтор тоді не був виявлений, і "флуор" у флюориті походив від латинського слова "флюер", що означає "текти"; оскільки це саме те, що зробив фторпар або фторит з металами: це допомогло їм залишити зразок.

Отримання фтористоводневої кислоти

У 1764 році Андреасу Сигізмуду Марґрафу вдалося приготувати фторову кислоту, нагрівши фторит сірчаною кислотою. Скляні реторки розплавлялися під дією кислоти, тому скло замінювали металами.

Його також приписують Карлу Шееле в 1771 р. Приготування кислоти тим же методом, яким керується Марграф. У 1809 р. Французький вчений Андре-Марі Ампер запропонував, що фторова або фториста кислота являє собою сполуку, що складається з водню та нового елемента, схожого на хлор.

Вчені намагалися виділити фторид, використовуючи фтористу кислоту тривалий час; але його небезпека ускладнила прогрес у цьому сенсі.

У Хамфрі Деві, Джозефа Луї Гей-Люссака і Жак Тенар був сильний біль, коли вони вдихали фтористий водень (фтороводородна кислота без води та в газоподібному вигляді). Вчені Полін Луєт та Джером Ніклс померли від отруєння за подібних обставин.

Французький дослідник Едмонд Фремі намагався створити суху фтористу кислоту, щоб уникнути токсичності фтористого водню шляхом підкислення біфториду калію (KHF ₂ ), але під час електролізу не було проведено електричного струму.

Ізоляція

У 1860 р. Англійський хімік Джордж Гор спробував електролізу суху фторову кислоту і вдався виділити невелику кількість газу фтору. Однак вибух стався, коли водень і фтор жорстоко рекомбінували. Гор пояснив вибух витоком кисню.

У 1886 році французькому хіміку Анрі Мойсону вдалося вперше виділити фтор. Раніше робота Мойссона була перервана чотири рази сильним отруєнням фтористим воднем при спробі ізолювати елемент.

Мойссон був студентом Фремі і спирався на свої експерименти з виділення фтору. Мойсон використовував суміш фториду калію та фтористоводневої кислоти при електролізі. Отриманий розчин проводив електроенергію та газ фтору, зібраний на аноді; тобто на позитивно зарядженому електроді.

Moisson використовував антикорозійну техніку, в якій електроди були виготовлені із сплаву платини та іридію. Для електролізу він використовував платиновий контейнер і охолоджував розчин електроліту до температури -23 ° F (-31 ° C).

Нарешті, 26 червня 1886 року Анрі Майсссону вдалося виділити фтор - твір, який дозволив йому виграти Нобелівську премію в 1906 році.

Інтерес до фтору

Інтерес до досліджень фтору на час втрачався. Однак розробка Манхеттенського проекту з виробництва атомної бомби відштовхнула його назад.

Американська компанія «Дюпон» розробила між 1930 і 1940 рр. Фторовані продукти, такі як хлорфторуглеводні (фреон-12), використовувані як холодоагенти; і політетрафторетиленовий пластик, більш відомий під назвою Тефлон. Це призвело до збільшення виробництва та споживання фтору.

У 1986 році на конференції, присвяченій століттю виділення фтору, американський хімік Карл О. Кріст представив хімічний метод одержання фтору за допомогою реакції між K ₂ MnF ₆ і SbF ₅ .

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

Фтор - це блідо-жовтий газ. У рідкому стані яскраво-жовтий. Тим часом тверда речовина може бути непрозорою (альфа) або прозорою (бета).

Атомне число (Z)

9.

Атомна вага

18,998 u.

Точка плавлення

-219,67 ° С.

Точка кипіння

-188,11 ° C.

Щільність

При кімнатній температурі: 1,669 г / л.

При температурі плавлення (рідина): 1,505 г / мл

Тепло випаровування

6,51 кДж / моль.

Молярна калорійність

31 Дж / (моль К).

Тиск пари

При температурі 58 К вона має тиск пари 986,92 атм.

Теплопровідність

0,0277 Вт / (м К)

Магнітний порядок

Діамагнітний

Запах

Характерний гострий і гострий запах, виявляється навіть при 20 проміле.

Окислювальні числа

-1, що відповідає аніону фтору, F ^- .

Енергія іонізації

-По-перше: 1681 кДж / моль

-Друге: 3,374 кДж / моль

-Третя: 6,147 КДж / моль

Електронегативність

3,98 за шкалою Полінга.

Це хімічний елемент з найвищими електронегативами; тобто він має високу спорідненість до електронів атомів, з якими зв'язується. Через це атоми фтору генерують великі дипольні моменти в конкретних областях молекули.

Його електронегативність також має інший ефект: пов'язані з ним атоми втрачають стільки електронної щільності, що вони починають набувати позитивного заряду; це позитивне число окислення. Чим більше атомів фтору в сполуці, тим центральніший атом матиме більш позитивне число окислення.

Наприклад, у OF ₂ кисень має окислювальне число +2 (O ²⁺ F ₂ ^- ); у UF ₆ уран має окислювальне число +6 (U ⁶⁺ F ₆ ^- ); те ж саме відбувається з сіркою в SF ₆ (S ⁶⁺ F ₆ ^- ); і нарешті є AgF ₂ , де срібло навіть має окислювальне число +2, рідкісне для нього.

Тому елементам вдається брати участь у найбільш позитивних числах окислення, коли вони утворюють сполуки з фтором.

Окислювач

Фтор є найпотужнішим окислювальним елементом, тому жодна речовина не здатна окислити його; і з цієї причини він не вільний за своєю природою.

Реактивність

Фтор здатний поєднуватися з усіма іншими елементами, крім гелію, неону та аргону. Він також не атакує м'яку сталь або мідь при нормальних температурах. Бурно реагує на органічні матеріали, такі як гума, дерево та тканина.

Фтор може реагувати з благородним газовим ксеноном з утворенням сильного окислювача дифториду ксенону, XeF ₂ . Він також реагує з воднем з утворенням галогеніду, фтористого водню, HF. У свою чергу, фтористий водень розчиняється у воді, утворюючи знамениту фтороводородну кислоту (як скло).

Кислотність кислих кислот, класифікованих у порядку зростання, є:

HF <HCl <HBr <HI

Азотна кислота реагує з фтором, утворюючи нітрат фтору, FNO ₃ . Тим часом соляна кислота енергійно реагує з фтором з утворенням HF, OF ₂ та ClF ₃ .

Структура та електронна конфігурація

Діатомна молекула

Молекула фтору представлена ​​просторовою моделлю наповнення. Джерело: Габріель Болівар.

Атом фтору в своєму основному стані має сім валентних електронів, які знаходяться на орбіталях 2s та 2p відповідно до електронної конфігурації:

2s ² 2p ⁵

Теорія валентних зв'язків (TEV) стверджує, що два атоми фтору, F, ковалентно пов'язані з кожним повним його октетом валентності.

Це відбувається швидко, оскільки для отримання неелектроніки до неонового благородного газу потрібен лише один електрон; і його атоми дуже малі, з дуже сильним ефективним ядерним зарядом, який легко вимагає від навколишнього середовища електронів.

Молекула F ₂ (верхнє зображення), має єдиний ковалентний зв’язок, FF. Незважаючи на свою стабільність порівняно з вільними атомами F, вона є високореакційною молекулою; гомонуклеарний, аполярний та прагнутий до електронів. Ось чому фтор, як і F ₂ , є дуже токсичним і небезпечним видом.

Оскільки F ₂ є неполярним, його взаємодія залежить від його молекулярної маси та лондонських сил розсіювання. У якийсь момент електронна хмара навколо обох атомів F повинна деформуватися і спричинити миттєвий диполь, який індукує іншого в сусідній молекулі; щоб вони притягували один одного повільно і слабко.

Рідкі і тверді

Молекула F ₂ дуже мала і дифундує в просторі порівняно швидко. У своїй газоподібній фазі він проявляє блідо-жовтий колір (який можна сплутати з липовим зеленим). Коли температура падає до -188 ° C, сили дисперсії стають більш ефективними, внаслідок чого молекули F ₂ зливаються достатньо для визначення рідини.

Рідкий фтор (перше зображення) виглядає навіть більш жовтим, ніж його газ. У ній молекули F ₂ ближче і в більшій мірі взаємодіють зі світлом. Цікаво, що коли спотворений кубічний кристал фтору утворюється при -220 ° С, колір в’яне і залишається прозорим твердим.

Тепер, коли молекули F ₂ настільки близькі між собою (але без зупинки їх молекулярних обертань), здається, що їхні електрони набувають певної стабільності, а отже, їх електронний стрибок занадто великий, щоб світло навіть взаємоділо із кристалом.

Кристалічні фази

Цей кубічний кристал відповідає β-фазі (це не алотроп, оскільки він залишається тим самим F ₂ ). Коли температура ще більше знижується, до -228 ° C, твердий фтор зазнає фазового переходу; кубічний кристал стає моноклінічним, α-фаза:

Кристалічна структура альфа-фази фтору. Джерело: Benjah-bmm27.

На відміну від β-F ₂ , α-F ₂ непрозорий і твердий. Можливо, це тому, що молекули F ₂ більше не мають стільки свободи обертатися у своїх фіксованих положеннях у моноклінічних кристалах; де вони більшою мірою взаємодіють зі світлом, але не збуджуючи їх електронів (що поверхнево пояснювало б їх непрозорість).

Кристалічну структуру α-F ₂ було важко вивчити звичайними методами рентгенографії, тому що перехід від β до α фази є високоекзотермічним; Причина, чому кристал практично вибухнув, в той же час, що він мало взаємодів із випромінюванням.

Минуло близько п'ятдесяти років, перш ніж німецькі вчені (Флоріан Краус та ін.) Повністю розшифрували структуру α-F ₂ з більшою точністю завдяки нейтронним дифракційним методам.

Де знайти та отримати

Фтор посідає 24 місце серед найпоширеніших елементів Всесвіту. Однак у земній масі є 13 ^во елемент, з концентрацією в земній корі 950 проміле, а в морській воді - 1,3 проміле.

У ґрунтах концентрація фтору становить від 150 до 400 проміле, а на деяких ґрунтах концентрація може досягати 1000 проміле. В атмосферному повітрі він присутній в концентрації 0,6 проміле; але до 50 ppb зафіксовано в деяких містах.

Фтор отримують в основному з трьох мінералів: фториту або фторспарту (CaF ₂ ), фтороапатиту та кріоліту (Na ₃ AlF ₆ ).

Переробка фтору

Після збору гірських порід мінеральним флюоритом вони піддаються первинному та вторинному дроблення. При вторинному дробленні виходять дуже дрібні фрагменти гірської породи.

Потім фрагменти гірської породи переносять на кульовий млин для відновлення до порошку. Воду та реактиви додають для утворення пасти, яку поміщають у флотаційний бак. Повітря впорскується під тиском, щоб утворилися бульбашки, і, таким чином, флюорит закінчується плаванням на водній поверхні.

Силікати і карбонати осідають, коли флюорит збирається і доставляється в сушильні печі.

Після отримання фториту, він вступає в реакцію з сірчаною кислотою з утворенням фтористого водню:

CaF ₂ + H ₂ SO ₄ => 2 HF + CaSO ₄

Електроліз фтористого водню

У виробництві фтору застосовується метод, використаний Моїссоном у 1886 р., З деякими модифікаціями.

Електроліз виготовляють із суміші розплавленого фториду калію та фтористоводневої кислоти з мольним співвідношенням 1: 2,0 до 1: 2,2. Температура розплавленої солі - 70-130 ° C.

Катод складається з монельного сплаву або сталі, а анод - деграфітовий вуглець. Процес отримання фтору під час електролізу можна окреслити так:

2HF => H ₂ + F ₂

Вода використовується для охолодження камери електролізу, але температура повинна бути вище температури плавлення електроліту, щоб уникнути затвердіння. Водень, що утворюється при електролізі, збирається на катоді, а фтор - на аноді.

Ізотопи

Фтор має 18 ізотопів, причому ¹⁹ F є єдиним стабільним ізотопом зі 100% достатністю. ¹⁸ Р має період напіврозпаду , рівний 109.77 хвилин і є радіоактивний ізотоп фтору з більш половини - життя. ¹⁸ F використовується в якості джерела позитронів.

Біологічна роль

Невідома метаболічна активність фтору у ссавців або вищих рослин. Однак деякі рослини та морські губки синтезують монофторацетат, отруйну сполуку, яку вони використовують як захист, щоб запобігти його руйнуванню.

Ризики

Надмірне споживання фтору пов'язане з флюорозом кісток у дорослих та флюорозом зубів у дітей, а також із зміною функції нирок. З цієї причини Служба охорони здоров'я США (PHS) запропонувала, щоб концентрація фтору в питній воді не повинна перевищувати 0,7 мг / л.

Тим часом Агентство захисту навколишнього середовища (EPA) встановило, що концентрація фтору в питній воді не повинна перевищувати 4 мг / л, щоб уникнути скелетного флюорозу, при якому фтор накопичується в кістках. Це може призвести до ослаблення кісток і переломів.

Фтор пов'язаний з пошкодженням паращитовидної залози, зменшенням кальцію в кісткових структурах та високою концентрацією кальцію в плазмі.

Серед змін, пов’язаних із надлишком фтору, можна назвати такі: флюороз зубів, флюороз скелета та ураження паращитовидної залози.

Стоматологічний флюороз

Зубний флюороз виникає з невеликими прожилками або цятками в зубній емалі. Дітям до 6 років не слід використовувати засоби для полоскання рота, які містять фтор.

Скелетний флюороз

При скелетному флюорозі можна діагностувати біль і пошкодження кісток, а також суглобів. Кістка може твердіти і втрачати еластичність, збільшуючи ризик переломів.

Програми

Зубна паста

Деякі неорганічні солі фтору використовуються як добавка при формуванні зубних паст, які, як показано, допомагають захищати зубну емаль. Джерело: Pxhere.

Ми почнемо з розділу про використання фтору з найвідомішого: використання в якості компонента багатьох зубних паст. Це не єдине застосування , де контраст між його надзвичайно отруйною і небезпечною молекулою F ₂ і F аниона ^- цінується , який в залежності від його довкілля може бути корисним (хоча іноді немає).

Коли ми їмо їжу, особливо солодощі, бактерії розщеплюють її за рахунок підвищення кислотності нашої слини. Потім настає момент, коли рН досить кислий, щоб погіршити та демінералізувати зубну емаль; гідроксиапатит руйнується.

Однак у цьому процесі F ^- іони взаємодіють із Ca ^2+, утворюючи флуоропатитну матрицю; більш стійкий і довговічний, ніж гідроксіапатит. Або принаймні, це запропонований механізм пояснення дії аніона фтору на зуби. Це може бути більш складним і мати pH-залежний гідроксиапатит-флюоропатитний баланс.

Ці F ^- аніони випускаються в зубах у вигляді солей; такі як: NaF, SnF ₂ (відомий просторий фторид) і NaPOF. Однак концентрація F ^- повинна бути низькою (менше 0,2%), оскільки в іншому випадку це спричиняє негативний вплив на організм.

Фторування води

Так само, як зубна паста, фтористі солі додаються до джерел питної води для боротьби з порожнинами у тих, хто її п'є. Концентрація все ж повинна бути значно нижчою (0,7 проміле). Однак ця практика часто є предметом недовіри та суперечок, оскільки їй приписують можливі канцерогенні ефекти.

Окислювач

Газ F ₂ поводиться як дуже сильний окислювач. Це призводить до того, що багато сполук згоряють швидше, ніж при впливі кисню та джерела тепла. Ось чому його застосовували в ракетних паливних сумішах, в яких він може замінити навіть озон.

Полімери

У багатьох сферах використання внесок фтору обумовлений не F ₂ або F ^- , а безпосередньо їх електронегативними атомами у складі органічної сполуки. По суті, мова йде про зв'язок CF.

Залежно від структури, полімери або волокна з CF зв’язками зазвичай є гідрофобними, тому вони не намокають або не протистоять атаці фтористоводневої кислоти; Або ще краще, вони можуть бути відмінними електричними ізоляторами та корисними матеріалами, з яких виготовлені такі предмети, як труби та прокладки. Тефлон та нафтіон - приклади цих фторованих полімерів.

Фармацевти

Реакційна здатність фтору робить його використання для синтезу кількох неорганічних або органічних сполук фтору сумнівними. В органіці, зокрема, з фармакологічною дією, заміна одного з гетероатомів на атоми F збільшує (позитивно чи негативно) їх дію на їх біологічну ціль.

Ось чому у фармацевтичній промисловості модифікація деяких препаратів завжди стоїть на столі, додаючи атоми фтору.

Дуже подібне відбувається з гербіцидами та фунгіцидами. Фторид в них може підвищити їх дію та ефективність щодо комах та грибкових шкідників.

Гравірування скла

Фтороводородна кислота, завдяки своїй агресивності до скла та кераміки, використовувалась для гравірування тонких і ніжних шматочків цих матеріалів; зазвичай призначені для виготовлення мікрокомпонентів комп'ютерів, або для електричних лампочок.

Збагачення урану

Одним з найбільш релевантних застосувань елементарного фтору є сприяння збагаченню урану на ²³⁵ U. Для цього уранові мінерали розчиняються у фторовій кислоті, утворюючи UF ₄ . Потім цей неорганічний фторид вступає в реакцію з F ₂ , трансформуючи, таким чином, UF ₆ ( ²³⁵ UF ₆ і ²³⁸ UF ₆ ).

Згодом і за допомогою газового центрифугування ²³⁵ UF ₆ відокремлюють від ²³⁸ UF _6, щоб згодом окислити і зберігати як ядерне паливо.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Кремер Катріна. (2019). Структура замороженого фтору була переглянута через 50 років. Королівське хімічне товариство. Відновлено з: chemistryworld.com
3. Вікіпедія. (2019). Фтор. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Фтор. PubChem База даних. CID = 24524. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти елемента фтору. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
6. Батул Нафіса Баксамуса. (21 лютого 2018 р.). Напрочуд поширене використання високоактивного фтору. Відновлено з: sciencestruck.com
7. Паола Опазо Саес. (04 лютого 2019 р.). Фтор в зубній пасті: це добре чи погано для вашого здоров’я? Відновлено з: nacionfarma.com
8. Карл Кріст та Штефан Шнайдер. (08 травня 2019 р.). Фтор: хімічний елемент. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
9. Lenntech BV (2019). Періодична таблиця: кисень. Відновлено з: lenntech.com
10. Ганьон Стів. (sf). Елемент фтор. Лабораторія Джефферсона. Відроджена від: education.jlab.org
11. Команда з медичного та редакторського змісту Американського товариства раку. (2015 р., 28 липня). Фторування води та ризик раку. Відновлено з: raka.org