Опубликовано 1 комментарий

Фтор как самый легкий галоген таблицы Менделеева

Фтор является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 9 и условным обозначением F. Фтор в нормальных условиях представляет собой бледный желтоватый двухатомный газ (F2) и является наиболее реакционноспособным из всех химических элементов.



Открытие

Анри Муассан — человек открывший фтор как химический элемент
Анри Муассан — человек открывший фтор как химический элемент

Фторсодержащие химические элементы были известны человечеству уже очень долгое время. Первой солью, которая была описана представителями научного сообщества являлся фторид кальция, который в 1529 году описал Георгиус Агрикола и назвал плавиковым шпатом. Его на протяжении многих веков использовали для плавки руды и шлаков.

Начиная с 1771 года Карл Вильгельм Шееле начал собственные исследования и более подробно рассмотрел плавиковый шпат и его свойства, а также плавиковую кислоту, которая образуется при кислотной обработке. Он исследовал реакции, когда стекло подвергалось воздействию плавиковой кислоты с образованием тетрафторида кремния и кремнефтористоводородной кислоты. Еще одним свойством плавикового шпата, которое он обнаружил, была флуоресценция, названная в честь данного минерала.

Впоследствии многие химики пытались выделить элемент, но это было сложно из-за его реакционной способности и токсичности. 26 июня 1886 года Анри Муассану впервые удалось получить и охарактеризовать элементарный фтор. Он получил его путем электролиза раствора гидрофторида калия в жидком фтористом водороде при низких температурах в специально разработанном аппарате (частично изготовленном из плавикового шпата). За это достижение Муассан получил Нобелевскую премию по химии в 1906 году. Долгое время этому химическому элементу не было найдено значимых применений, а крупномасштабное производство чистого фтора началось только в период Второй Мировой Войны.


Характеристики

Физические характеристики
Состояние при Н.У. Газ
Температура плавления -219,62 ° С
Точка кипения -188 °С
Плотность при Н.У. 1,696 г/см 3
Твердость по шкале Мооса
Критическая точка -128,74 °C, 5,1724 МПа
Мол. теплота плавления 0,2552 кДж/моль
Мол. теплота испарения 6,32 кДж/моль
Мол. теплоемкость 31 Дж/(моль·К)
Молярный объем 11,20 · 10 -6 м 3 ·моль -1
Химические характеристики
Атомный номер(Z) 9
Атомная масса 18,998
Электронная конфигурация [He] 2s2 2p5
Радиус атома 73 пм
Ковалентный радиус 72 пм
Степени окисления -1
Радиус иона 133 пм
Электроотрицательность 3.98 (шкала Полинга)
Энергия ионизации 1680 кДж/моль
Изотопы 17F; 18F; 19F; 20F, 21F

Добыча и производство

Исходным материалом для производства элементарного фтора и других соединений фтора является преимущественно флюорит (CaF2). Из него получают фтористый водород при взаимодействии с концентрированной серной кислотой.

CaF2 + H2SO4 → CaSO4 + 2HF

Реакция фторида кальция с серной кислотой.
Другим источником плавиковой кислоты является экстракция фосфатов , при которой плавиковая кислота образуется как побочный продукт при переработке фторапатита.

Большая часть производимой плавиковой кислоты используется для производства фторированных соединений. Там, где реакционная способность плавиковой кислоты недостаточна, применяют элементарный фтор, который получают из меньшей части производства HF.

Поскольку фтор является одним из сильнейших окислителей , получить его химическим путем очень сложно и неэкономно. Вместо этого используется электрохимический процесс. Грубая реакция протекает по схеме:

2HF → H2 + F2

Процедура названа в честь Анри Муассана. Для электролиза используется не чистый фтороводород, а смесь фторида калия и фтороводорода в соотношении от 1:2 до 1:2,2. Основная причина использования этой смеси заключается в том, что проводимость расплава значительно увеличивается по сравнению с чистым фтористым водородом, который проводит электричество очень слабо. Для электролиза важно, чтобы расплав был полностью безводным, иначе при электролизе вместо фтора будет образовываться кислород.

Технически применяется так называемый среднетемпературный процесс с температурой от 70 до 130 °С и смесью фторида калия и фторида водорода в соотношении 1:2. При большем содержании фтористого водорода возникло бы большее давление паров, а значит, работу пришлось бы проводить при низких температурах и сложном охлаждении. При более низком содержании (около 1:1) температура плавления выше (соотношение 1:1: 225 °C), что значительно затрудняет обращение и способствует коррозии. Электролиз происходит графитовыми электродами в ячейках из стали или монеля, содержащих дополнительные листы железа для разделения анодного и катодного отсеков во избежание смешивания образующихся газов. На электроды подается напряжение примерно 8 — 12 вольт. Фтороводород, используемый во время электролиза, постоянно заменяется.

Сырой фтор, выходящий из электролизера, загрязнен фтористым водородом, но также содержит кислород , тетрафторметан (CF4) и другие перфторуглероды, образующиеся в результате реакции фтора и материала электрода. Эти примеси можно удалить путем замораживания и адсорбции фторида водорода на фториде натрия.

О сенсационной реакции синтеза фтора в лабораторном масштабе, не требующей электрохимии, сообщил в 1986 году Карл О. Кристе. Для этого двухкалиевую соль гексафтормарганцевой (IV) кислоты — дикалия гексафторманганат (IV), K2MnF6 — смешивают с фторидом сурьмы (V) SbF5, в результате чего образуются молекулярный фтор и фторид марганца (III). Сначала образуется нестабильный синий фторид марганца(IV) MnF4. Он разлагается на F2 и MnF3 при температуре выше 150 °C.


Применение

Фтор в жидком состоянии
Фтор в жидком состоянии

Из-за высокой реакционной способности и сложности обращения с фтором, элементарный фтор можно использовать лишь в ограниченных применениях. Преимущественно его перерабатывают во фторированные соединения, которые невозможно получить другим способом. Большая часть производимого фтора требуется для производства гексафторида урана, который из-за своей летучести позволяет осуществлять обогащение 235U с помощью газовых центрифуг или методом газовой диффузии. Этот изотоп важен для ядерного деления, которое является важным аспектом атомной энергетики.

Вторым важным продуктом, который можно производить только с использованием элементарного фтора, является гексафторид серы. Он служит газообразным изолятором, к примеру в высоковольтных выключателях и элегазовых трубчатых проводниках.Кроме того, фтор используется для поверхностного фторирования пластмасс. Это действие применяется, в частности, в топливных баках автомобилей, при этом образуется фторированный барьерный слой, что, помимо прочего, приводит к снижению проницаемости бензина. Такое применение фторирования конкурирует с технологией соэкструзии и применение металлических резервуаров. Второй эффект фторирования заключается в том, что поверхностная энергия многих пластмасс может быть увеличена.

Фторсодержащие соединения находят применение гораздо шире, чем элементарный химический элемент. Около 30% от общего количества всех химических соединений агропромышленного комплекса содержат фтор. Кроме того, около 20% всех фармацевтических и фармакологических препаратов содержат соединения фтора в том или ином виде. Большинство паст для чистки зубов содержат фторид, который способен уменьшать кариес. Так же фтористые соединения используются в электролитах литиевых аккумуляторов для создания диэлектрического слоя между катодом и анодом. Общее количество ежегодно добываемой фторсодержащей руды составляет порядка 6 миллионов метрических тонн, с прямой выручкой не менее 20 млрд $ США.


Безопасность

Фтор и многие соединения фтора очень токсичны для человека и других живых существ, смертельная доза (ЛД 50 , час) элементарного фтора составляет 150 – 185 ppm. Элементарный фтор оказывает сильное жгучее и разъедающее воздействие на легкие, кожу и особенно глаза. Даже пять минут прямого контакта с 25 ppm фтора вызывают значительное раздражение глаз. При этом в результате реакции с водой (влажностью воздуха, поверхностью кожи) образуется фтороводород, который также является токсичным. Острое отравление фтором проявляется различными симптомами в зависимости от пути проникновения, соединения и дозы поступления фтора в организм.

Острое желудочно-кишечное отравление фторидами приводит к ожогам слизистых оболочек, тошноте, вначале слизистой, а затем кровавой рвоте, неутолимой жажде, сильным болям в животе и кровавому поносу. Некоторые из подвергшихся отравлению умирают. При всасывании фтористого водорода и пылевидных фторидов с дыханием следуют слезы, чихание, кашель, одышка, отек легких и даже смерть с судорогами. Отравление кожи фтористым водородом (в том числе и фторокислыми растворами) приводит к глубоким некрозам и плохо заживающим язвам.

1 комментарий к “Фтор как самый легкий галоген таблицы Менделеева

  1. Фтористые соединения очень токсичны и способны легко убить человека, так что необходимо быть внимательными.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *