Каким свойством не обладает фтор
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 ядовитым газом бледно-желтого цвета с формулой F2. 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. Плавиковая кислота 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 18F является источником позитронов для получения медицинских изображений методом позитронно-эмиссионной томографии, а гексафторид урана используется для разделения изотопов урана и получения обогащенного урана 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 (UF6), который, в свою очередь, применялся для отделения друг от друга двух изотопов 235U и 238U. Сегодня газообразный UF6 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 F2) 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, [FeF4]-, и H2F+.
Изотопы
Существует множество изотопов данного галогена, начиная от 14F и заканчивая 31F. Но изотопный состав фтора включает только один из них, 19F, который содержит 10 нейтронов, так как только он является стабильным. Радиоактивный изотоп 18F – 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 фтористоводородную кислоту, 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 температуры плавления металлов и руд и повышения их текучести. Фтор – это важный компонент производства гексафторида урана, который применяется для разделения его изотопов. 18F, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 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 1s22s22p5.
- Степень окисления -1.
- Плотность 1,7 г/л.
- Температура плавления 53,53 К.
- Температура кипения 85,03 К.
- Теплоемкость 31,34 Дж/(К·моль).
Из уроков химии нам известно, что фтор (как простое вещество) – это газ бледно-желтого цвета, с резким запахом, сильно токсичный. Как элемент Периодической Системы, фтор обладает наивысшей активностью. В ряду электроотрицательности неметаллов, фтор занимает крайне правое положение, а это означает, что его окислительная активность даже выше чем у кислорода. Это очень легко доказать. Например, если поместить бумагу или древесину в атмосферу фтора, они самовоспламенятся и быстро сгорят. Многие металлы так же воспламеняются в атмосфере фтора (например, алюминий и цинк).
Zn+F2 = ZnF2
2AL+ 3F2 = 2ALF3
Даже вода, которую поджечь казалось бы невозможно, в атмосфере фтора послушно загорается синим пламенем:
2F2 + 2H2O → 4HF + O2
История открытия фтора, берет свое начало в 1771 г., когда Карл Шееле впервые синтезировал плавиковую кислоту (HF). Как химический элемент, входящий в состав плавиковой кислоты, фтор был предсказан в 1810 г., а выделен лишь 76 лет спустя Анри Муассаном, при электролизе жидкого фтороводорода, содержащего примеси кислого фторида калия (KHF2).
До этого, из-за крайней агрессивности фтора, попытки многих химиков получить данное вещество в чистом виде, заканчивались неудачно и даже трагично. Первой жертвой Фтора был Гемфри Дэви. Затем умерли ирландские химики братья Нокс, повредили свое здоровье Тенар и Гей-Люссак из Франции, а так же погиб профессор Луйе из Бельгии.
Немудрено, что название данного элемента, Фтор, произошло от древнегреческого слова Ftoros – Разрушающий, Наносящий вред, Порча.
Однако, многие соединения фтора, были известны людям давно и нашли широкое применение в деятельности человека, например:
Флюорит (CaF2) – минерал, который может быть окрашен в различные цвета (голубой, синий, зеленый, желтый и др.). Его окраска зависит от дефектов кристаллической структуры, которая весьма чувствительна к различным внешним факторам. За способность данного вещества делать металлы более легкоплавкими, его называют так же плавиковый шпат.
Криолит (Na3[AlF6]) – редкий минерал из класса природных фторидов, обладающий свойствами схожими с плавиковым шпатом. Его и сегодня применяют во всем мире при выплавки алюминия.
Фторуксусная кислота (FCH2COOH) – фторорганическая карбоновая кислота, очень токсичная. Известно, что индейцы смачивали этим ядом наконечники копий и стрел. Спустя много лет химики установили, что этот яд очень похож на уксусную кислоту, но с атомом фтора вместо водорода. В природе, похожее соединение, фторацетат натрия (FCH2COONa) содержится в некоторых растениях семейства Дихапеталовые. В южной Африки, представители этого семейства растений ответственны за 8% смертности крупного рогатого скота.
В наши дни, соединения фтора так же широко используются в производстве, к примеру:
Фреоны — техническое название группы фторсодержащих производных насыщенных углеводородов (CH3F – фторметан, CH2F2 – дифторметан, CHF3 – трифторметан, CF4 – тетрафторметан и др.). Это хладагенты, находящие широкое применение в холодильной технике и при производстве кондиционеров. Фреоны так же образуют аэрозоли в миллионах баллончиков с дезодорантами, лаками и им подобными косметическими средствами. Однако, фреоны вырвавшиеся наружу устремляются в верхние слои атмосферы и разрушают озоновый слой.
Фтор повинен в создание атомной бомбы, так как летучие фториды урана единственное вещество пригодное для разделения его изотопов. Однако, это значит, что при помощи фтора производится и топливо для атомных электростанций, играющих ключевую роль в мировой энергетики.
Конечно же, ни для кого не секрет, что фтор, а точнее его соединения, входят в состав зубных паст и придают зубам завидную прочность.
Поэтому, несомненно, фтор можно считать одним из самых противоречивых элементов, который с одной стороны причиняет много вреда, а с другой, несет неоценимую пользу. Когда то Парацельс сказал: «Всё есть яд и всё есть лекарство. Только доза делает лекарство ядом и яд лекарством». Так же и с Фтором, все зависит от того, кто и как его использует.
Гидрид фтора и… вода.
Что общего может быть у все разрушающего 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 Н20 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, НВг и НСl 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, кислоте 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.
Фтор и металлургия
Алюминий — наиболее распространенный металл земной коры, запасы его огромны, однако производство алюминия начало развиваться лишь в конце прошлого века. Кислородные соединения алюминия очень прочны, и восстановление их углем не дает чистого металла. А для получения алюминия методом электролиза требуются его галоидные соединения и прежде всего криолит, содержащий и алюминий и фтор. Но криолита в природе мало, кроме того, в нем низко содержание «крылатого металла»—всего 13%. Это почти в три раза меньше, чем в бокситах. Переработка бокситов затруднена, но, к счастью, они способны растворяться в криолите. При этом получается низкоплавкий и богатый алюминием расплав. Его электролиз — единственный промышленный способ получения алюминия. Нехватка природного криолита компенсируется искусственным, который в огромных количествах
получают при помощи фтористого водорода.
Таким образом, наши достижения в развитии алюминиевой промышленности и в самолетостроении в значительной степени — следствие успехов химии фтора и его соединений.
Фторорганика
В 30-х годах нашего века были синтезированы первые соединения фтора с углеродом. В природе подобные вещества встречаются исключительно редко, и никаких особых достоинств за ними не замечалось.
Однако развитие многих отраслей современной техники и их потребности в новых материалах привели к тому, что в наши дни существуют уже тысячи органических соединений, в состав которых входит фтор. Достаточно вспомнить о фреонах — важнейших материалах холодильной техники, о фторопласте-4, который по праву называют пластмассовой платиной.
Фтор и жизнь
Казалось бы, такое словосочетание не совсем правомерно. «Характер» у элемента № 9 весьма агрессивный; его история напоминает детективный роман, где что ни страница, то отравление или убийство. К тому же и сам фтор, и многие его соединения использовались для производства оружия массового уничтожения: во второй мировой войне трифторид хлора немцы применяли как зажигательное средство; нескрлько фторсодержащих соединений рассматривались в США, Англии и Германии как секретные отравляющие вещества и производились в полузаводских масштабах. Не секрет, что без фтора вряд ли удалось бы получить атомное оружие.
Работа с фтором опасна: малейшая неосторожность — и у человека разрушаются зубы, обезображиваются ногти, повышается хрупкость костей, кровеносные сосуды теряют эластичность и становятся ломкими. В результате — тяжелая болезнь или смерть, И все-таки заголовок «Фтор и жизнь» оправдан. Впервые это доказал… слон. Да, да — слон. Обычный, правда ископаемый, слон, найденный в окрестностях Рима. В его зубах случайно был обнаружен фтор. Это открытие побудило ученых провести систематическое изучение химического состава зубов человека и животных. Выло установлено, что в состав зубов входит до 0,02% фтора, который поступает в организм с питьевой водой. Обычно в тонне воды содержится до 0,2 мг фтора. Нехватка фтора приводит к гниению зубов — кариесу.
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 фтор органические препараты — надежные обезболивающие средства.
Вы читаете, статья на тему фтор свойства