Фтор - найсильніший окислювач серед простих речовин (що з атомів одного елемента). Він є першим представником галогенів. Перше досі відоме з'єднання фтору флюорит (плавиковий шпат) CaF 2 описано в кінці XV століття під назвою "флюор". Це з'єднання фтору вкрай цікаве за своїми властивостями, як і будь-яка речовина в хімії. Даний мінерал складається на 95% з фториду кальцію (CaF 2) і на 5% з діоксиду кремнію (SiO 2 , кварцу), до того ж, кристал має велику варіативність кольорів - від безбарвного і білого до жовтого, помаранчевого, бурого, синього, фіолетового і малинового. Все це пояснюється різною пропорцією складових, що змінює довжину хвиль, що поглинаються і відображаються від матеріалу. Починаючи з 1990-х років, флюор став основним джерелом фтору, також в даний час він використовується як компонент металургійних флюсів, емалей, кераміки, лазерних та оптичних матеріалів (наприклад, в об'єктивах фотокамер). Фторид кальцію є нешкідливим для людини речовиною, тому що вона не розчиняється у воді.
Відкриття фтору
Фтор був передбачений в 1810 як окремий елемент періодичної системи, проте через крайню агресивність цього газу, довгий час спроби багатьох хіміків закінчувалися невдачею, і навіть трагедією. "Науковий штурм" тривав 75 років, і нарешті в 1886, молекулярний фтор був отриманий Анрі Муассаном шляхом пропускання струму через фтороводород (HF). Для фтору характерна ступінь окислення лише (мінус 1).
До вищеописаної події, в 1771 Карл Шееле отримав плавикову кислоту (кислота являє собою пари фтороводню, розчинені у воді). Ця кислота використовувалася головними героями серіалу "Breaking Bad" - Уолтером Уайтом і Джессі Пінкманом при "хімічному розщепленні" трупів (сезон 1, серія 2). Плавікову кислоту зберігають тільки (!) у поліетиленових ємностях. Плавікова кислота використовується: для синтезу фтористої сурми; при гравіювання по склу; при білінні та вилуговуванні меблевого очерету.
Хімічні властивості та застосування фтору
Солі фтору використовують у зубних пастах як мікроелементи, необхідні організму. Також вуглеводні із вмістом фтору використовуються в медицині як кровозамінники. Також фтор входить в інші сильні окислювачі, такі як фторид ксенону 6 (XeF 6) або фторид азоту 3 (NF 3), останній є безбарвним отруйним газом, розчинним у воді та відносно інертним за нормальних умов, але при підвищеній температурі є надзвичайно активним окислювачем та сильним фторуючим агентом. Трифторид азоту використовують для одержання вуглеводнів, зокрема для тетрафториду вуглецю (CF 4), т.к. при фторуванні парафінів (алканів) на світлі реакція тече по вільно-радикальному механізму та утворюються кілька продуктів. Тільки фтор немає оксидів, т.к. через його електронегативність (здатність атома хімічного елемента, перебуваючи в молекулі, притягувати до себе загальні електронні пари, або, іншими словами, відтягувати до себе електрони інших атомів) у реакції з киснем він утворює фторид кисню OF 2 і діоксифторид O 2 F 2 . Багато речовин, що не горять за нормальних умов, здатні горіти в середовищі фтору, наприклад, вода запалюється навіть при кімнатній температурі в його середовищі, утворюючи при горінні гарне синє полум'я, світло якого схоже на солі міді і кальцію при тому ж самому горінні. Або ж вогнетривкий азбест у середовищі фтору горить не гірше паперу, до того ж зауважимо, що останній у свою чергу моментально спалахує і згоряє в середовищі, нагадуючи горіння нітроцелюлози (целюлози, обробленої азотною кислотою) в атмосфері повітря.
Фторид натрію
Фторид натрію (NaF) є подібним за будовою, кристалічні грати з хлоридом натрію (NaCl), який є звичайною кухонною сіллю, що використовується повсюдно. Але(!) фторид натрію є вкрай токсичною речовиною, поступаючись лише дихромату амонію ((NH 4) 2 Cr 2 O 7) у токсичності. Цей фторид є основним компонентом деяких щурів. Він також небезпечний і для інших тварин, у тому числі і людини, здатний викликати ракові пухлини (наприклад, саркому Юінга), остеопороз, крім того, він руйнує емаль зубів, яка є однією з найміцніших утворень у тілі людини.
Фтору властиві всі особливості побратимів по підгрупі, проте він подібний до людини без почуття міри: все збільшено до крайності, до краю. Це насамперед становищем елемента № 9 у періодичної системі та її електронної структурою. Його місце у таблиці Менделєєва – «полюс неметалевих властивостей», правий верхній кут. Атомна модель фтору: заряд ядра 9+, два електрони розташовані на внутрішній оболонці, сім - на зовнішній. Кожен атом завжди прагне стійкого стану. Для цього потрібно заповнити зовнішній електронний шар. Атом фтору в цьому сенсі – не виняток. Захоплено восьмий електрон, і мету досягнуто – утворено іон фтору з «насиченою» зовнішньою оболонкою.
Число приєднаних електронів показує, що негативна валентність фтору дорівнює 1-; на відміну інших галогенів неспроможна виявляти позитивну валентність.
Прагнення заповнення зовнішнього електронного шару до восьмиелектронної конфігурації у фтору винятково велике. Тому він має надзвичайну реакційну здатність і утворює сполуки майже з усіма елементами. Зовсім недавно більшість хіміків вважали, і на те були підстави, що благородні гази не можуть утворювати справжні хімічні сполуки. Однак невдовзі три з шести елементів-«затворників» не змогли встояти перед натиском напрочуд агресивного фтору. Починаючи з 1962 р. отримані фториди, а через них - та інші сполуки криптону, ксенону та радону.
Утримати фтор від реакції дуже важко, але часто не легше вирвати його атоми з'єднань. Тут грає роль ще один фактор - дуже малі розміри атома та іона фтору. Вони приблизно в півтора рази менші, ніж у хлору, і вдвічі менші, ніж у йоду.
Очевидно, що чим більші розміри атомів галогену, тим менше їх розміщується навколо атома молібдену. Максимально можлива валентність молібдену реалізується лише у поєднанні з атомами фтору, малий розмір яких дозволяє «упакувати» молекулу найбільш щільно.
Атоми фтору мають дуже високу електронегативність, тобто здатність притягувати електрони: при взаємодії з киснем фтор утворює сполуки, в яких кисень заряджений позитивно. Гаряча вода згоряє у струмені фтору з утворенням кисню. Чи не так, винятковий випадок? Кисень виявився не причиною, а наслідком горіння.
Не тільки вода, але й інші зазвичай негорючі матеріали, такі, як азбест, цегла, багато металів, спалахують у струмені фтору. Бром, йод, сірка, селен, телур, фосфор, миш'як, сурма, кремній, деревне вугілля самозаймаються у фторі вже за нормальної температури, а за невеликому нагріванні така ж доля осягає і шляхетні платинові метали, відомі своєю хімічної пасивністю.
Тому не дивно сама назва фтору. У перекладі з грецької це слово означає «руйнівний».
Фтор чи флюор?
Фтор - руйнівний - дивовижно підходяща назва. Однак за кордоном найбільш поширене інше ім'я елемента № 9 – флюор, що у перекладі з латинського означає «плинний».
Ця назва більше підходить не до фтору, а до деяких його сполук і бере свій початок від флюориту або плавикового шпату – першого з'єднання фтору, використаного людиною. Очевидно, ще в давнину люди знали про здатність цього мінералу знижувати температуру плавлення руд та металургійних шлаків, але, природно, не знали його складу. Флюором назвали головну складову цього мінералу, ще невідомий хімікам елемент.
Ця назва настільки вкоренилася в умах вчених, що логічно виправдана пропозиція про перейменування елемента, висунута в 1816 р., не знайшла підтримки. Адже в ці роки йшли посилені пошуки флюору, вже було накопичено чимало експериментальних даних, що підтверджували руйнівні здібності флюору та його сполук. Та й авторами пропозиції були не хто-небудь, а найбільші вчені того часу Андре Ампер та Хемфрі Деві. І все-таки фтор залишався флюором.
Жертви? - Ні, герої
Перша згадка про флюор і флюорит відноситься до XV ст.
На початку XVIII ст. була відкрита плавикова кислота - водний розчин фтористого водню, а 1780 р. відомий шведський хімік Карл Вільгельм Шееле вперше висловив думку, що в цій кислоті міститься новий активний елемент. Однак, щоб підтвердити здогад Шееле і виділити фтор (або флюор), хімікам знадобилося більше 100 років, ціле століття наполегливої роботи багатьох вчених із різних країн.
Сьогодні ми знаємо, що фтор дуже токсичний, що робота з ним та його сполуками потребує великої обережності та продуманих заходів захисту. Першовідкривачі фтору могли про це тільки здогадуватися, та й то не завжди. Тому історія відкриття фтору пов'язані з іменами багатьох героїв науки. Англійські хіміки брати Томас і Георг Нокс намагалися отримати фтор із фторидів срібла та свинцю. Досліди скінчилися трагічно: Георг Нокс став інвалідом, Томас загинув. Та ж доля спіткала Д. Ніклеса та П. Лайєта. Визначний хімік ХІХ ст. Хемфрі Деві, творець водневої теорії кислот, людина, яка вперше отримала натрій, калій, магній, кальцій, стронцій і барій, що довела елементність хлору, не змогла вирішити проблеми отримання всеруйнівного елемента. У ході цих дослідів він отруївся і тяжко захворів. Ж. Гей-Люссак і Л. Тенар втратили здоров'я, так і не домігшись скільки-небудь обнадійливих результатів.
Найбільш щасливими виявилися А. Лавуазьє, М. Фарадей, Еге. Фремі. Їхній фтор «пощадив», але й вони не досягли успіху. У 1834 р. Фарадею здалося, що йому нарешті вдалося отримати невловимий газ. Але незабаром він мусив визнати: «Я не зміг отримати фтор. Протягом 50 (!) років цей гігант науки намагався вирішити проблему отримання фтору, але так і не зміг подолати її.
Невдачі переслідували вчених, проте впевненість у існуванні та можливості виділення фтору зміцнювалася з кожним новим досвідом. Вона ґрунтувалася на численних аналогіях у поведінці та властивостях сполук фтору із сполуками вже відомих галогенів – хлору, брому та йоду.
Були на цьому шляху й удачі. Фремі, намагаючись з допомогою електролізу витягти фтор з фторидів, знайшов спосіб отримання безводного фтористого водню. Кожен досвід, навіть невдалий, поповнював скарбничку знань про дивовижний елемент і наближав день його відкриття. І цей день настав. 26 червня 1886 р. французький хімік Анрі Муассан піддав електролізу безводний фтористий водень. При температурі - 23°С він отримав на аноді нову, надзвичайно реакційну газоподібну речовину. Муассану вдалося зібрати кілька бульбашок газу. То був фтор!
Про відкриття Муассан повідомив Паризької академії. Миттєво було створено комісію, яка через кілька днів мала прибути до лабораторії Муассана, щоб побачити все на власні очі. Муасан ретельно підготувався до проведення повторного експерименту. Він піддав вихідний фтористий водень додатковому очищенню, і... високопоставлена комісія не побачила фтору. Досвід не відтворювався, електролізу з виділенням фтору не спостерігалося! Скандал?
Але Муассан вдалося знайти причину. Виявилося, що лише невеликі кількості фтористого калію, що міститься у воді фтористому, роблять його провідником електрики. Застосування у першому досвіді фтористого водню без додаткової очистки забезпечило успіх: були домішки - йшов електроліз. Ретельна підготовка другого досвіду спричинила невдачу.
І все-таки успіх безперечно супроводжував Муассану. Незабаром йому вдалося знайти недорогий та надійний матеріал для апаратів, у яких виходить фтор. Ця проблема була не менш складною, ніж отримання непридатного елемента. Фтористий водень та фтор руйнували будь-яку апаратуру. Ще Деві випробовував судини з кристалічної сірки, вугілля, срібла та платини, але всі ці матеріали руйнувалися в процесі електролізу сполук фтору.
Перші грами фтору Муассан отримав у платиновому електролізері з електродами з іридієво-платинового сплаву. Незважаючи на низьку температуру, за якої проводився досвід, кожен грам фтору «знищував» 5-6 г платини.
Платиновий посуд Муассан замінив медним. Звичайно, і мідь схильна до дії фтору, але як алюміній захищається від повітря окисною плівкою, так і мідь «укривалася» від фтору за плівкою непереборного для нього фториду міді.
Електроліз досі залишається практично єдиним методом одержання фтору. З 1919 р. як електроліт використовуються розплави біфторидів. Матеріали сучасних електролізерів та електродів - це мідь, нікель, сталь, графіт. Все це багато разів здешевило виробництво елемента № 9 і дало можливість отримувати його в промислових масштабах. Проте принцип отримання фтору залишився тим самим, що пропонували Деві та Фарадей і вперше здійснив Муассан.
Фтор і багато його сполук представляють як великий теоретичний інтерес, а й знаходять широке практичне застосування. З'єднань фтору дуже багато, використання їх настільки багатостороннє і широке, що для розповіді про все цікаве, що пов'язано з цим елементом, не вистачило б і 100 сторінок. Тому в нашому оповіданні ви зустрінете тільки найцікавіші фтористі сполуки, що міцно увійшли в нашу промисловість, у наше життя, у наш побут і навіть у наше мистецтво - з'єднання, без яких (це можна сказати без перебільшення) немислимий прогрес.
Гідрид фтору та... вода
Що спільного може бути у всеруйнівного фтору та «мирної» звичної води? Здавалося б – нічого. Але постережемося поспішних висновків. Адже воду можна розглядати як гідрид кисню, а плавикова кислота HF - не що інше, як гідрид фтору. Отже, маємо справу з найближчими хімічними «родичами» - гідридами двох сильних окислювачів.
Відомі гідриди всіх галогенів. Їх властивості змінюються закономірно, проте фтористий водень багато в чому ближче до води, ніж до інших галоїдоводнів. Порівняйте діелектричні постійні: для HF і H 2 O вони дуже близькі (83,5 і 80), тоді як для гідридів брому, йоду та хлору ця характеристика є значно нижчою (всього 2,9 - 4,6). Температура кипіння HF +19°С, тоді як HI, HBr і HCl переходять у газоподібний стан при мінусових температурах.
Одне з природних сполук фтору - мінерал кріоліт - називають льодом, що не тане. Дійсно, величезні кристали кріоліту дуже схожі на крижані брили.
В одному з оповідань письменника-фантаста І. А. Єфремова описана зустріч у космосі з мешканцями планети, на якій у всіх життєво важливих окисних процесах бере участь фтор, а не кисень. Якщо така планета існує, то можна не сумніватися, що її мешканці вгамовують спрагу... фтористим воднем.
На Землі фтористий водень служить іншим цілям
Нюрнберзький художник Швангард ще 1670 р. змішував плавиковий шпат із сірчаною кислотою і цією сумішшю наносив малюнки на скло. Швангард не знав, що компоненти його суміші реагують між собою, а малює продукт реакції. Це не завадило впровадженню відкриття Швангарду. Користуються ним і сьогодні. На скляну посудину наноситься тонкий шар парафіну. Художник малює по цьому шару, а потім опускає посудину в розчин плавикової кислоти. У тих місцях, де невразлива для фтористого водню парафінова «броня» знята, кислота роз'їдає скло, і малюнок назавжди зберігається на ньому. Це найстаріше застосування фтористого водню, але не єдине.
Досить сказати, що через 20 років після створення перших промислових установок для одержання фтористого водню його річне виробництво в США досягло 125 тис. т. Скляна, харчова, нафтова, атомна, металургійна, хімічна, авіаційна, паперова - ось далеко не повний перелік тих галузей промисловості, де фтористий водень знаходить широке застосування. Фтористий водень здатний змінювати швидкість багатьох реакцій і використовується як каталізатор найрізноманітніших хімічних перетворень. Однією з основних тенденцій сучасної хімії є проведення реакцій у неводних середовищах. Найбільш цікавим і неводним розчинником, що вже широко застосовується, став фтористий водень.
Фтористий водень - дуже агресивний і небезпечний реагент, але незамінний у багатьох галузях сучасної індустрії. Тому прийоми поводження з ним настільки вдосконалені, що для грамотного хіміка наших днів фтористий водень став майже так само безпечним, як для мешканців невідомої фторної планети.
Штучне додавання фтору до води у тих місцях, де виявляється його недолік, призводить до усунення нових випадків захворювання та зменшення карієсу у хворих людей. Тут же обмовимося - великий надлишок фтору у воді викликає гостре захворювання - флюороз (плямиста емаль). Одвічна дилема медицини: великі дози - отрута, малі - ліки.
У багатьох місцях збудовано установки для штучного фторування води. Особливо ефективний цей спосіб профілактики карієсу у дітей. Тому в деяких країнах сполуки фтору (у винятково малих дозах) додають. молоко.
Існує припущення про те, що фтор необхідний для розвитку живої клітини і що він входить разом із фосфором до складу тварин та рослинних тканин.
Фтор знаходить широке застосування для синтезу різних медичних препаратів. Фторорганічні сполуки успішно застосовуються для лікування хвороб щитовидної залози, особливо базедової хвороби, хронічних форм діабету, бронхіальних та ревматичних захворювань, глаукоми та раку. Вони також придатні для профілактики та лікування малярії і служать хорошим засобом проти стрептококових та стафілококових інфекцій. Деякі фторорганічні препарати – надійні знеболювальні засоби.
Фтор і життя – саме цей розділ хімії фтору гідний найбільшого розвитку, і майбутнє – за ним. Фтор та смерть? Можна і потрібно працювати і в цій галузі, але для того, щоб отримувати не смертоносні отруйні речовини, а різні препарати для боротьби з гризунами та іншими шкідниками. Таке застосування знаходять, наприклад, монофтороцтова кислота та фторацетат натрію.
Як приємно буває у спекотний літній день дістати з холодильника пляшку крижаної мінеральної води.
У більшості холодильників – і промислових, і домашніх – хладоагентом, речовиною, що створює холод, працює фторорганічна рідина – фреон.
Фреони виходять при заміні атомів водню в молекулах найпростіших органічних сполук фтор або фтор і хлор. Найпростіший вуглеводень - метан CH 4 . Якщо всі атоми водню в метані замінити на фтор, утворюється тетрафторметан CF 4 (фреон-14), а якщо фтором заміщається тільки два атоми водню, а два інші - хлором, то вийде дифтордихлорметан CF 2 Cl 2 (фреон-12).
У домашніх холодильниках зазвичай працює фреон-12. Це безбарвний, нерозчинний у воді та негорючий газ із запахом, схожим на запах ефіру. Фреони 11 та 12 працюють також в установках для кондиціювання повітря. У «шкалі шкідливості», складеної всім хладоагентів, фреони займають останні місця. Вони навіть нешкідливіші за «сухий лід» - твердого двоокису вуглецю.
Фреони винятково стійкі, хімічно інертні. Тут, як і у випадку фторопластів, ми стикаємося з тим же дивовижним явищем: за допомогою найактивнішого елемента – фтору – вдається одержати хімічно дуже пасивні речовини. Особливо стійкі вони до дії окислювачів, і це не дивно - адже їх атоми вуглецю перебувають у вищому ступені окислення. Тому фторвуглеці (і, зокрема, фреони) не горять навіть у атмосфері чистого кисню. При сильному нагріванні відбувається деструкція - розпад молекул, але з окислення їх. Ці властивості дозволяють застосовувати фреони ще в ряді випадків: їх використовують як пламегасники, інертні розчинники, проміжні продукти для одержання пластмас та мастильних матеріалів.
Нині відомі тисячі фторорганічних сполук різних типів. Багато хто з них застосовуються у найважливіших галузях сучасної техніки. У фреонах фтор працює на індустрію холоду, але з його допомогою можна отримувати і дуже високі температури. Порівняйте це цифри: температура киснево-водневого полум'я 2800°С, кисневоацетиленового 3500°С, при горінні водню у фторі розвивається температура 3700°С. Ця реакція вже знайшла практичне застосування у фтористоводневих пальниках для різання металу. Крім того, відомі пальники, що працюють на фторхлоридах (з'єднання фтору з хлором), а також суміші трифтористого азоту і водню. Остання суміш особливо зручна, тому що трифтористий азот не викликає корозії апаратури. Звичайно, у всіх цих реакціях фтор та його сполуки грають роль окислювача. Можна використовувати їх і як окислювач в рідинних реактивних двигунах. На користь реакції за участю фтору та його сполук говорить багато. Розвивається більш висока температура - отже, і тиск у камері згоряння буде більшим, зросте тяга реактивного двигуна. Твердих продуктів горіння в результаті таких реакцій не утворюється - отже, небезпека забиття сопів та розриву двигуна в цьому випадку також не загрожує.
Але фтор, як складової частини ракетного палива, має низку великих недоліків. Він дуже токсичний, корозійно активний і має дуже низьку температуру кипіння. Зберегти його як рідини важче, ніж інші гази. Тому більш прийнятні тут сполуки фтору з киснем та галогенами.
Деякі з цих сполук за своїми окисними властивостями не поступаються рідкому фтору, але мають величезну перевагу: у звичайних умовах це або рідини, або гази, що легко зріджуються.
ВИЗНАЧЕННЯ
Фтор- Дев'ятий елемент Періодичної таблиці. Позначення – F від латинського «fluorum». Розташований у другому періоді, VIIА групі. Належить до неметалів. Заряд ядра дорівнює 9.
Внаслідок великої хімічної активності фтор знаходиться у природі виключно у зв'язаному стані. Найбільш часто фтор зустрічається у вигляді мінералу плавикового шпату CaF 2 , кріоліту Na 3 AlF 6 і фторапатиту Ca 5 F(PO 4) 3 .
У вигляді простої речовини фтор є газ блідо-зеленого кольору або рідина світло-жовтого кольору (рис.1). Температура плавлення дорівнює (-219,6 o З), кипіння - (-188,1 o З). Отруйний.
Мал. 1. Фтор. Зовнішній вигляд (рідкий стан).
Атомна та молекулярна маса фтору
ВИЗНАЧЕННЯ
Відносна молекулярна маса речовини (M r)- це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.
Відносна атомна маса атомарного фтору дорівнює 18,9984 а. Відомо, що молекула фтору двоатомна - F2. Відносна молекулярна маса молекули фтору дорівнюватиме:
M r (F 2) = 18,9984 × 2 ≈38.
Ізотопи фтору
У природі фтор існує як єдиного ізотопу 19 F. Масове число дорівнює 19. Ядро атома містить дев'ять протонів і десять нейтронів.
Існує ядерний ізотоп фтору 18m F з періодом напіврозпаду рівним 109771 хвилин.
Іони фтору
На зовнішньому енергетичному рівні атома фтору є сім електронів, які є валентними:
1s 2 2s 2 2p 5 .
Через війну хімічної взаємодії фтор приймає електрон з інших атомів, тобто. бути його акцептором, і перетворюється на негативно заряджений іон:
F 0 +1e → F - .
Молекула та атом фтору
Молекула фтору і двох атомів - F 2 . Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу фтору:
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
ПРИКЛАД 2
| Завдання | В якій сполук галогенів з натрієм: NaF, NaBr або NaI найбільша масова частка галогену? Відповідь підтвердьте розрахунком. |
| Рішення | Обчислимо молярні маси галогенідів натрію: 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. Обчислимо масові частки елементів, що входять до складу фториду натрію: 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%. Обчислимо масові частки елементів, що входять до складу броміду натрію: 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%. Обчислимо масові частки елементів, що входять до складу йодиду натрію: 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%. Найбільша масова частка галогену міститься в йодиді натрію. |
| Відповідь | В йодиді натрію |
Фтор(Лат. Fluorum), F, хімічний елемент VII групи періодичної системи Менделєєва, відноситься до галогенів, атомний номер 9, атомна маса 18,998403; за нормальних умов (0 °С; 0,1 Мн/м 2 , або 1 кгс/см 2) - газ блідо-жовтого кольору з різким запахом.
Природний фтор складається з одного стабільного ізотопу 19 F. Штучно отриманий ряд ізотопів, зокрема: 16 F з періодом напіврозпаду 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).
Історична довідка.Перше з'єднання Фтору - флюорит (плавиковий шпат) CaF 2 - описано наприкінці 15 століття під назвою "флюор" (від латів. fluo - папку, за властивістю CaF 2 робити рідкотекучими в'язкі шлаки металургійних виробництв). В 1771 К. Шееле отримав плавикову кислоту. Вільний Фтор виділив А. Муассан в 1886 електроліз рідкого безводного фтористого водню, що містить домішок кислого фториду калію KHF 2 .
Хімія Фтору почала розвиватися з 1930-х років, особливо швидко - у роки 2-ї світової війни 1939-45 років та після неї у зв'язку з потребами атомної промисловості та ракетної техніки. Назва " Фтор " (від грецьк. phthoros - руйнація, загибель), запропоноване А. Ампером в 1810 року, вживається лише російською; у багатьох країнах прийнято назву "флюор".
Поширення фтору в природі.Середній вміст фтору в земній корі (кларк) 6,25 · 10 -2 % за масою; в кислих вивержених породах (гранітах) воно становить 8 · 10 -2 %, в основних – 3,7 · 10 -2 %, в ультраосновних – 1 · 10 -2 %. Фтор присутній у вулканічних газах та термальних водах. Найважливіші сполуки Фтору - флюорит, кріоліт та топаз. Всього відомо більше 80 мінералів, що містять фтор. З'єднання Фтору знаходяться також в апатитах, фосфоритах та інших. Фтор – важливий біогенний елемент. В історії Землі джерелом надходження Фтору в біосферу були продукти виверження вулканів (гази та ін.).
Фізичні властивості Фтору.Газоподібний Фтор має щільність 1,693 г/л (0°З 0,1 Мн/м 2 або 1 кгс/см 2), рідкий - 1,5127 г/см 3 (при температурі кипіння); t пл -219,61 ° С; t кіп -188,13 °С. Молекула Фтору складається з двох атомів (F 2); при 1000 °С 50% молекул дисоціює, енергія дисоціації близько 155 кДж/моль (37 ккал/моль). Фтор погано розчинний у рідкому фтористому водні; розчинність 2,5 · 10 -3 г у 100 г HF при -70 ° С та 0,4 · 10 -3 г при -20 ° С; у рідкому вигляді необмежено розчинний у рідкому кисні та озоні.
Хімічні властивості Фтору.Конфігурація зовнішніх електронів атома Фтору 2s 2 2p 5 . У сполуках виявляє ступінь окиснення -1. Ковалентний радіус атома 0,72 Å, іонний радіус 1, ЗЗ Å. Спорідненість до електрона 3,62 ев, енергія іонізації (F → F +) 17,418 ев. Високим значенням спорідненості до електрона та енергії іонізації пояснюється сильна електронегативність атома Фтору, найбільша серед усіх інших елементів. Висока реакційна здатність Фтору обумовлює екзотермічність фторування, яка, своєю чергою, визначається аномально малою величиною енергії дисоціації молекули Фтору та великими величинами енергії зв'язків атома Фтору з іншими атомами. Пряме фторування має ланцюговий механізм і може перейти в горіння і вибух. Фтор реагує з усіма елементами, крім гелію, неону та аргону. З киснем взаємодіє в тліючому розряді, утворюючи при низьких температурах фториди кисню O 2 F 2 , O 3 F 2 та інші. Реакції Фтору з іншими галогенами екзотермічні, у результаті утворюються міжгалогенні сполуки. Хлор взаємодіє з Фтором при нагріванні до 200-250 "С, даючи монофтористий хлор ClF і трифтористий хлор ClF 3 . Відомий також ClF 5 отриманий фторуванням ClF 3 при високій температурі і тиску 25 Мн/м2 (250 кгс/ йод займаються в атмосфері Фтору при звичайній температурі, при цьому можуть бути отримані BrF 3 , BrF 5 , IF 3 , IF 2. Фтор безпосередньо реагує з криптоном, ксеноном і радоном, утворюючи відповідні фториди (наприклад, XeF 4 , XeF 2 ) Відомі також оксифториди ксенону.
Взаємодія Фтору із сіркою супроводжується виділенням тепла та призводить до утворення численних фторидів сірки. Селен і телур утворюють вищі фториди SeF 6 і TeF 6 . Фтор з воднем реагують із займанням; при цьому утворюється фтористий водень. Це радикальна реакція із розгалуженням ланцюгів: HF* + Н 2 = HF + Н 2 *; Н 2 * + F 2 = HF + Н + F (де HF * і Н 2 * - молекули в коливально-збудженому стані); реакція використовується у хімічних лазерах. Фтор із азотом реагує лише в електричному розряді. Деревне вугілля при взаємодії з Фтором займається при звичайній температурі; графіт реагує з ним при сильному нагріванні, при цьому можливе утворення твердого графіту фтористого (CF) Х або газоподібних перфторвуглеців CF 4 , C 2 F 6 та інших. З бором, кремнієм, фосфором, миш'яком Фтор взаємодіє на холоді, утворюючи відповідні фториди.
Фтор активно з'єднується з більшістю металів; лужні та лужноземельні метали спалахують в атмосфері Фтору на холоді, Bi, Sn, Ti, Mo, W - при незначному нагріванні. Hg, Pb, U, V реагують з Фтором за кімнатної температури, Pt - за температури темночервоного гартування. При взаємодії металів з Фтор утворюються, як правило, вищі фториди, наприклад UF 6 MoF 6 HgF 2 . Деякі метали (Fe, Cu, Al, Ni, Mg, Zn) реагують з фтором з утворенням захисної плівки фторидів, що перешкоджає подальшій реакції.
При взаємодії Фтору з оксидами металів на холоді утворюються фториди металів та кисень; можливе також утворення оксифторидів металів (наприклад, MoO 2 F 2). Оксиди неметалів або приєднують Фтор, наприклад SO 2 + F 2 = SO 2 F 2 або кисень в них заміщається на Фтор, наприклад SiO 2 + 2F 2 = SiF 4 + О 2 . Скло дуже повільно реагує із Фтором; у присутності води реакція йде швидко. Вода взаємодіє з Фтором: 2Н 2 Про + 2F 2 = 4HF + Про 2; при цьому утворюється також OF 2 і пероксид водню Н 2 Про 2 . Оксиди азоту NO і NO 2 легко приєднують Фтор з утворенням фтористого нітрозилу FNO і фтористого нітрилу FNO 2 . Оксид вуглецю (II) приєднує Фтор при нагріванні з утворенням фтористого карбонілу: + F 2 = COF 2 .
Гідрооксиди металів реагують з Фтором, утворюючи фторид металу і кисень, наприклад 2В(ОН) 2 + 2F 2 = 2BaF 2 + 2Н 2 О + О 2 . Водні розчини NaOH та KOH реагують з Фтором при 0°З утворенням OF 2 .
Галогеніди металів або неметалів взаємодіють з Фтором на холоді, причому Фтор замінює всі галогени.
Легко фторуються сульфіди, нітриди та карбіди. Гідриди металів утворюють з Фтором на холоді фторид металу та HF; аміак (у парах) - N 2 та HF. Фтор заміщує водень у кислотах або металах у їх солях, наприклад НNО 3 (або NaNO 3) + F 2 = FNO 3 + HF (або NaF); у більш жорстких умовах Фтор витісняє кисень з цих сполук, утворюючи сульфурилфторид, наприклад, Na 2 SO 4 + 2F 2 = 2NaF +SO 2 F 2 + O 2 . Карбонати лужних та лужноземельних металів реагують з Фтором за нормальної температури; при цьому виходять відповідний фторид, 2 і 2 .
Фтор енергійно реагує з органічними речовинами.
Отримання Фтору.Джерелом для виробництва Фтору служить фтористий водень, що виходить в основному або при дії сірчаної кислоти H 2 SO 4 на флюорит CaF 2 або при переробці апатитів і фосфоритів. Виробництво фтору здійснюється електролізом розплаву кислого фториду калію KF-(1,8-2,0)HF, який утворюється при насиченні розплаву KF-HF фтористим воднем до вмісту 40-41% HF. Матеріалом для електролізера зазвичай є сталь; електроди - вугільний анод та сталевий катод. Електроліз ведеться при 95-100 ° С і напрузі 9-11; вихід Фтору струмом досягає 90-95%. Фтор, що виходить, містить до 5% HF, який видаляється виморожуванням з подальшим поглинанням фторидом натрію. Фтор зберігають у газоподібному стані (під тиском) та в рідкому вигляді (при охолодженні рідким азотом) в апаратах з нікелю та сплавів на його основі (монел-метал), з міді, алюмінію та його сплавів, латуні, нержавіючої сталі.
Застосування Фтору.Газоподібний Фтор служить для фторування UF 4 UF 6 , застосовуваного для ізотопів поділу урану, а також для отримання трифтористого хлору ClF 3 (фторуючий агент), шестифтористої сірки SF 6 (газоподібний ізолятор в електротехнічній промисловості), фторидів металів (наприклад, W і V ). Рідкий Фтор – окислювач ракетних палив.
Широке застосування отримали численні сполуки Фтору - фтористий водень, алюміній фторид, кремнефториди, фторсульфонова кислота (розчинник, каталізатор, реагент для отримання органічних сполук, що містять групу - SO 2 F), BF 3 (каталізатор), фторорганічні сполуки та інші.
Техніка безпеки. Фтор токсичний, гранично допустима концентрація його в повітрі приблизно 2 10 -4 мг/л, а гранично допустима концентрація при експозиції не більше 1 год становить 1,5 10 -3 мг/л.
Фтор у організмі.Фтор постійно входить до складу тварин та рослинних тканин; мікроелемент. У вигляді неорганічних сполук міститься головним чином кістках тварин і людини -100-300 мг/кг; особливо багато фтору в зубах. Кістки морських тварин багатші за Фтор порівняно з кістками наземних. Надходить до організму тварин і людини переважно з питною водою, оптимальний вміст Фтору в якій 1-1,5 мг/л. При нестачі Фтору у людини розвивається карієс зубів, при підвищеному надходженні – флюороз. Високі концентрації іонів Фтору небезпечні через їхню здатність до інгібування ряду ферментативних реакцій, а також до зв'язування важливих у біологічному відношенні елементів. (Р, Са, Mg та інших), що порушує їх баланс в організмі. Органічні похідні Фтору виявлені лише в деяких рослинах (наприклад, у південноафриканському Dichapetalum cymosum). Основні з них - похідні фтороцтової кислоти, токсичні як інших рослин, так тварин. Встановлено зв'язок обміну Фтору з утворенням кісткової тканини скелета та особливо зубів.
Отруєння Фтором можливі у працюючих у хімічні промисловості, при синтезі фторвмісних сполук та виробництві фосфорних добрив. Фтор подразнює дихальні шляхи, спричиняє опіки шкіри. При гострому отруєнні виникають подразнення слизових оболонок гортані та бронхів, очей, слинотеча, носові кровотечі; у важких випадках – набряк легень, ураження центральної нервової системи та інших; при хронічному – кон'юнктивіт, бронхіт, пневмонія, пневмосклероз, флюороз. Характерно ураження шкіри типу екземи. Перша допомога: промивання очей водою, при опіках шкіри - зрошення 70%-ним спиртом; при інгаляційному отруєнні – вдихання кисню. Профілактика: дотримання правил техніки безпеки, носіння спеціального одягу, регулярні медичні огляди, включення до харчового раціону кальцію, вітамінів.
Руйнування та загибель. Так з грецької перекладається назва фтору. Ім'я пов'язане з історією його відкриття. Десятки вчених покалічилися або померли, намагаючись виділити елемент, про існування якого першим припустив Шееле. Він отримав плавикову кислоту, але не зміг видобути з неї нову речовину – флюорій.
Назва пов'язана з мінералом – основою плавикової кислоти та головним джерелом фтору. Отримати його методом електролізу намагалися і брати Нокси з Англії, Гей-Люссак та Тенар із Франції. У ході експериментів загинули.
Деві, який відкрив натрій, калій та кальцій, зв'язавшись із флюорієм, отруївся та став інвалідом. Після цього, наукове співтовариство перейменувало елемент. Але чи так він небезпечний поза хімічними лабораторіями і навіщо потрібен? На ці запитання дамо відповідь далі.
Хімічні та фізичні властивості фтору
Фторзаймає 9-ту позицію в . У природі елемент складається із одного стабільного нукліду. Так називають атоми, життєвий цикл яких достатній для спостережень та наукових досліджень. Маса атома фтору- 18,998. У молекулі атомів 2.
Фтор – елементз найбільшою електронегативністю. Явище пов'язані з здатністю атома з'єднуватися коїться з іншими і притягувати себе електрони. Показник фтору за шкалою Полінга – 4. Це сприяє славі 9-го елемента як найактивнішого неметалу. У звичайному стані це жовтуватий газ. Він токсичний, має різкий запах - щось середнє між ароматами озону та хлору.
Фтор – речовиназ аномально низькою для газів температурою кипіння – лише 188 градусів Цельсія. Інші галогени, тобто, типові неметали з 7-ої групи таблиці Менделєєва, киплять при високих показниках. Це з тим, що вони мають d-подуровень, відповідальний за полуторные зв'язку. Молекула фторутакого немає.
Активність фтору виявляється у числі характері можливих реакцій коїться з іншими елементами. З'єднання з більшістю їх супроводжується горінням і вибухами. У контакті з воднем полум'я народжується навіть за знижених температур. У атмосфері фтору горить навіть вода. Більше того, в камері з жовтуватим газом спалахує найбільш інертний і цінний елемент.
З'єднання фторунеможливі лише з неоном, аргоном та гелієм. Всі 3 гази легкі та інертні. Не з газів, фтору не піддається. Є ряд елементів, реакції з якими можливі лише за підвищеної температури. Так, пара хлор-фторвзаємодіє лише за 200-250 градусів Цельсія.
Застосування фтору
Без фторуне обходяться тефлонові покриття. Їхня наукова назва – тетрафторетилени. З'єднання відносяться до органічної групи і мають антипригарні властивості. По суті тефлон є пластмасою, але нестандартно важкою. У 2 рази перевищено щільність води, - ось причина зайвої ваги покриття та посуду з ним.
У ядерній промисловості фтормає зв'язокіз процесом поділу ізотопів урану. Вчені кажуть, що якби не було 9-го елемента, не було б і атомних станцій. Пальним для них служить не будь-який уран, а лише кілька його ізотопів, зокрема 235-й. Методи поділу розраховані на гази та леткі рідини.
Проте, уран кипить за 3500 градусів Цельсія. Незрозуміло, які матеріали для колон та центрифуг витримають такий жар. Благо, є леткий гексафторид урану, що кипить лише при 57 градусах. З нього і виділяють металеву фракцію.
Окислення фтору, Точніше, окислення ним ракетного палива - важливий елемент авіаційної промисловості. У ній потрібна не газоподібний елемент, а рідина. У цьому стані фтор стає яскраво-жовтим та найбільш реакційним.
У металургії використовують стандартний газ. Формула фторуперетворюється. Елемент включають у з'єднання, необхідне отримання алюмінію. Його виробляють шляхом електролізу. У ньому і бере участь гексафторалюмінат.
В оптиці підходить з'єднання магній-фтортобто фторид . У діапазоні світлових хвиль від вакуумного ультрафіолету до інфрачервоного випромінювання він прозорий. Ось і йде з'єднання на лінзи та призми для спеціалізованих оптичних приладів.
9-ий елемент помічений і медиками, зокрема, стоматологами. Вони виявили 0,02% фтору у складі зубів. Потім, з'ясувалося, що в регіонах, де речовини не вистачає, вища захворюваність на карієс.
Міститься фтор у воді, звідки і надходить у організм. У дефіцитних місцевостях стали штучно додавати елемент у воду. Ситуація виправилася. Тому, створена паста з фтором.
Фтор у зубнийЕмалі може викликати флюороз - потемніння, плямистість тканин. Це наслідок надлишку елемента. Тому в регіонах із нормальним складом води краще вибирати зубну пасту без фтору. Потрібно також відстежувати його вміст у продуктах харчування. Є навіть фтороване молоко. Морепродукти збагачувати не треба, у них і так багато 9-го елемента.
Паста без фтору- Вибір, пов'язаний зі станом зубів. Але в медицині елемент потрібний не лише у сфері стоматології. Препарати фтору виписують при проблемах із щитовидною залозою, наприклад, базедової хвороби. У боротьбі з нею провідну роль відіграє пара фтор-йод.
Ліки з 9-им елементом потрібні тим, хто має хронічний діабет. Глаукома та рак теж у списку недуг, які лікують за участю фтору. Як кисеньречовина, часом, потрібна при хворобах бронх та ревматичних діагнозах.
Видобуток фтору
Видобувають фторвсе тим же шляхом, що допомогло відкрити елемент. Після низки смертей, одному з учених вдалося не тільки вижити, але й виділити невелику кількість жовтуватого газу. Лаври дісталися Анрі Муассану. За своє відкриття француз отримав Нобелівську премію. Її видали 1906-го року.
Муассан скористався методом електролізу. Щоб не отруїтися парами, хімік проводив реакцію у сталевому електризері. Цей апарат застосовується й досі. У нього міститься кислий фторид калію.
Процес відбувається при температурі 100 градусів Цельсія. Катод використовують сталевий. Анод в установці вугільний. Важливим є дотримання герметичності системи, адже пари фторуотруйні.
У лабораторіях для герметичності закуповують спеціальні пробки. Їх склад: кальцій-фтор. Лабораторна установка – це дві мідні судини. Перший заповнюють розплавом, занурюючи в нього другий. У внутрішньої судини є отвір у дні. Через нього проходить нікелевий анод.
Катод розташовують у першій посудині. Від апарата відходять трубки. З одного виділяється водень, з другого – фтор. Щоб зберегти гермітичність, недостатньо одних пробок та фториду кальцію. Потрібна ще й мастило. У її ролі виступає гліцерин або оксид.
Лабораторний метод отримання 9-го елемента використовують лише навчальних демонстрацій. Практичного застосування технологія немає. Проте, її існування доводить, що можна обійтися без електролізу. Однак потреби в цьому немає.
Ціна фтору
Вартість фтору, як такого, немає. Ціни встановлюються вже на продукти із вмістом 9-го елемента таблиці Менделєєва. Зубні пасти, наприклад, коштують, як правило, від 40 до 350 рублів. Ліки, так само, є копійчані та дорогі. Все залежить від виробника, наявності ринку аналогічного товару інших фірм.
Щодо ціни фторудля здоров'я, вона, очевидно, може бути високою. Елемент токсичний. Поводження з ним вимагає обережності. Фтор може принести користь і навіть вилікувати.
Але для цього потрібно багато знати про речовину, передбачати її поведінку і, звичайно, радитися з фахівцями. За поширеністю Землі фтор займає 13-е місце. Саме число, зване чортовою дюжиною, змушує бути обережніше з елементом.