История открытия фтора кратко

Обновлено: 04.07.2024

Девятый элемент таблицы Менделеева — фтор — наряду с хлором, бромом, йодом и астатом относится к галогенам. Все галогены — активные окислители. Фтор среди них самый агрессивный, поэтому встречается в природе только в виде соединений. Его взаимодействие с другими веществами часто сопровождается воспламенением и даже взрывом. Химики разных стран упорно пытались получить фтор в чистом виде, но это оказалось одной из самых трудных экспериментальных задач за всю историю химии.

Анри Муассан в своей лаборатории проводит эксперимент по получению фтора. В созданном им аппарате два электрода (катод и анод), выполненные из платины, находятся в U-образной трубке, куда залита смесь HF и KF. Прибор помещён в сосуд для охлаждения. При пропускании тока на аноде выделяется фтор, а на катоде водород.

При криогенных температурах (ниже 120К, или –153°С)фтор представляет собой жёлтую жидкость, а при нормальных условиях — бесцветный газ; в толстых слоях он становится зеленовато-жёлтым.

Выделить плавиковую кислоту в чистом виде удалось в 1810 году двум французским химикам, Жозефу Луи Гей-Люссаку (1778—1850) и Луи Жаку Тенару (1777—1857). Они сделали это путём перегонки плавикового шпата с серной кислотой в свинцовой или серебряной реторте. Во время эксперимента оба учёных получили серьёзные ожоги и отравления. О том, что плавиковая, или, что то же самое, фтороводородная, кислота содержит в своём составе доселе не известный химический элемент — фтор, ни они, ни тем более Шееле даже не догадывались. В свободном виде элемент фтор был получен лишь 76 лет спустя.

Первыми жертвами фтора стали два члена Ирландской академии наук, братья Томас и Георг Нокс (Томас погиб от отравления фтороводородом, а Георг стал инвалидом). Список пострадавших пополнили бельгийский химик Полин Лайет, первооткрыватель веселящего газа Гемфри Дэви, французские химики Джером Никлес, Эдмонд Фреми, Антуан Лавуазье, английский электрохимик Георг Гор и многие другие.

Памятуя о трагических событиях, связанных с открытием нового элемента, французский физик и математик Андре-Мари Ампер (1775—1836), сделавший массу выдающихся открытий, среди которых закон взаимодействия между электрическими токами — закон Ампера, предложил назвать его фтором (от греческого φθόΩος — разрушение, порча, вред). Однако закрепилось такое название только в среде русских химиков, во всех других странах прижилось другое — флюор.

Покорить своенравный элемент удалось выдающемуся экспериментатору, французскому химику Анри Муассану (1852—1907). Муассан родился в Тулузе. Семья была небогата, и Анри, с детства проявлявший склонность к наукам, довольно долгое время не занимался ими всерьёз, считая это дело неприбыльным. Он собирался работать в промышленности, мечтал открыть свою маленькую фабрику.

После этого случая Анри решил изучать химию. Он работал в лаборатории Эдмона Фреми, где и заинтересовался фтором. Выяснив, что элемент, который он пытается получить, мгновенно реагирует со всем, с чем вступает в контакт, Анри начал изучать свойства веществ, содержащих фтор. Однако вскоре его переманил профессор Высшей политехнической школы в Париже Пьер Поль Дихерен. К этому времени Муассан закончил Сорбонну. У Дихерена он занялся изучением физиологии растений. Только по
прошествии десяти лет, в середине 1880-х, Муассан вернулся к исследованию фтора, когда получил место в аналитической лаборатории в своём родном городе Мо.

В первой попытке получить фтор в чистом виде Муассан использовал следующую схему: он нагревал смесь фторида свинца (PbF2) и фосфида меди (Cu₃P), в результате чего, видимо, получал фторид фосфора (в настоящее время эта довольно редкая реакция получения фторида фосфора не применяется). Муассан считал, что при нагревании фторида фосфора в присутствии кислорода фосфор должен давать оксид, а фтор выделяться в свободном виде.

Для проведения эксперимента нужно было подобрать подходящие условия. Анри поместил в U-образную трубку губчатую платину и нагрел её. Через трубку он пропустил фторид фосфора. Трубка сильно разогрелась, но выделения фтора не произошло. Через некоторое время трубка лопнула — опыт не удался. Муассан провёл целую серию подобных экспериментов и пришёл к неутешительному выводу: если фтор и выделяется в свободном виде в ходе данных реакций, то при нагревании его и без того высокая реакционная способность повышается ещё больше. Тогда химик решил по-пробовать получить фтор без нагревания, а ещё лучше с охлаждением. Для этого вполне подходил электролиз — процесс, при котором через ячейку, содержащую растворённое вещество, пропускается электрический ток, в результате чего на электродах выделяются компоненты раствора.

Муассан решил подвергнуть электролизу какой-нибудь жидкий фторид. Его выбор пал на фторид мышьяка (AsF₃). Но данное соединение не проводит электрический ток, что не даёт возможности осуществить электролиз. Тогда Анри попробовал добавить к фториду мышьяка фторид калия (KF) — эта смесь хорошо проводила электрический ток. Однако возникла новая проблема: катод очень быстро покрывался слоем выделяющегося мышьяка, и ток переставал идти через ячейку. Поняв это, Муассан решил работать с фтороводородом (HF), при охлаждении этот газ легко превращался в жидкость. Для улучшения проводимости к фтороводороду он добавил фторид калия.

26 июня 1886 года эксперимент начался. Муассан поместил смесь в платиновую U-образную трубку (в дальнейшем для удешевления процесса он использовал трубку из меди, так как поверхность трубки, покрытая слоем фторида меди, далее уже не реагировала с фтором и не требовала замены), охладил её до –50 о С и пропустил через неё электрический ток. На аноде по-прежнему ничего не выделялось. Однако когда учёный достал пробку, закрывавшую анодный отсек, и увидел на ней белый налёт, он понял, что пробка разъедена фтором! Наконец стало понятно, что фтор можно получить электролизом. Оставалось только подобрать материал анода, который фтор не мог бы окислить. Муассан решил использовать в качестве анода флюорит (CaF₂). Радости учёного не было предела, когда после очередного эксперимента на аноде начали выделяться пузырьки заветного газа.

После повторной и на этот раз успешной демонстрации своего опыта комиссии Французской академии наук (первая демонстрация окончилась неудачей, так как фтороводородная кислота, неоднократно используемая в предыдущих экспериментах, почти не содержала фторида калия и электрический ток в трубке не протекал) многоопытные эксперты признали выдающееся достижение Муассана. Он был удостоен высшей награды академии в виде премии в десять тысяч франков. В том же году он стал профессором токсикологии в Высшей фармацевтической школе. Дважды — в 1896 и 1902 годах — его избирали президентом Французского химического общества. В 1900 году Муассан стал кавалером ордена Почётного легиона, а вскоре и членом Французской академии наук, а также иностранным членом Петербургской академии наук, Лондонского королевского общества, Британского химического общества и многих других.

Вскоре после возвращения из Стокгольма, 20 февраля 1907 года, Анри Муассан скончался, как считают, из-за острого аппендицита. Хотя не исключена вероятность того, что причиной его смерти стали эксперименты с фтором, ради открытия которого учёные-химики шли на подвиг и даже на смерть.

Фтор представляет собой двухатомный газ (формула F₂) бледно-жёлтого цвета c резким запахом, напоминающим знакомый многим запах озона или хлора.

● Фтор входит в состав эмали зубов (в виде фторапатита Ca₅(PO₄)3_F), поэтому его соединения добавляют в состав зубной пасты.

● Соединения фтора входят в состав оптических стёкол и тефлоновых покрытий.

● Некоторые фториды неметаллов применяют в ракетно-космической отрасли в качестве окислителей ракетного топлива и в атомной промышленности для разделения изотопов урана.

● Соединения фтора служат газообразным изолятором в электротехнике.

● Фторсодержащие полимеры — фторопласты — прекрасные диэлектрики, обладают высокой механической прочностью, стойкостью к действию агрессивных сред и другими привлекательными свойствами. Из них делают трубы, шланги, теплообменники, контейнеры, лабораторную посуду, протезы и многое другое.

Комментарии к статье

* Плавиковый шпат (СаF₂) часто называют флюо-ритом — от латинского глагола fluo — течь. Объясняется это тем, что флюорит издавна использовали в качестве добавки к металлическим рудам, чтобы снизить их температуру плавления.

История открытия фтора полна трагизма. Никогда еще при попытках открыть новые элементы не было принесено столько жертв, как при экспериментах, имевших целью выделить свободный фтор. История эта в общих чертах такова.

В 1670 г. немецкий химик К.Шванквард заметил, что если взять какой-нибудь сосуд из плавикового шпата с серной кислотой и покрыть его стеклянной пластинкой, то она будет разъедаться выделяющимися газами.

В 1768 г. ученым А.Марграфом была описана фтористоводородная (фтороводородная) кислота, которая затем в 1771 г. была изучена К.Шееле.

Впоследствии К.Шееле и Дж.Пристли пришли к выводу, что плавиковый шпат является кальциевой солью неизвестной кислоты, которую Шееле предложил назвать плавиковой, и в 1779 г. описал способ получения ее в сосудах из металла. Тридцать лет спустя Ж.Гей-Люссак и Л.Тенар получили безводную плавиковую кислоту.

Латинское название fluor было произведено от латинского слова fluo – течь. Причиной этого названия было то обстоятельство, что плавиковая кислота получалась из минерала, известного еще Г.Агриколе под названием fluor lapis (флюорит – плавиковый шпат – СаF₂). Этот минерал долго употреблялся в виде плавня (флюса), т. к. при его прибавке к шихте точка плавления руд понижается.

Многочисленные попытки изоляции фтора оставались долгое время безрезультатными вследствие сильной активности элемента, вступавшего в момент его выделения во взаимодействие со стенками сосуда, водой и т.д.

Попытки получить свободный фтор окислением плавиковой кислоты не только окончились неудачей, но привели вследствие сильной ядовитости фтористого водорода к нескольким жертвам.

Но химики все же не теряли надежды на изолирование фтора. Дэви, например, был определенно убежден, что получение фтора может быть успешным, если только проводить процесс в сосудах из полевого шпата.

Попытка изолировать фтор была предпринята французским ученым Э.Фреми, учителем А.Муассана. Он приготовил безводную плавиковую кислоту и хотел электролизом получить фтор, но газ на аноде не выделился по причине его сильной активности.

В 1869 г. английскому электрохимику Г.Гору удалось получить немного свободного фтора, но он мгновенно соединялся с водородом (со взрывом). Этот ученый испробовал десятки веществ в качестве анода (уголь, платина, палладий, золото и т.п.), но смог лишь установить, что все они разрушаются фтором. Вместе с тем он пришел к выводу о необходимости понижать температуру электролизера, чтобы ослабить активность фтора.

Анри Муассан
(1852–1907)

Все эти попытки не пропали даром и были учтены при последующих систематических опытах Муассаном, известным французским химиком конца XIX и начала ХХ столетий. Муассан построил U-образный электролизер сначала из платины, но позднее выяснилось, что его можно делать и из меди, т.к. последняя покрывается тонким слоем фтористой меди, препятствующей дальнейшему воздействию фтора. В качестве электролита была взята безводная плавиковая кислота. Но поскольку это вещество в безводном состоянии не проводит электричества, к нему было прибавлено небольшое количество гидродифторида калия КНF₂. Для получения жидкого фтороводорода и уменьшения активности фтора весь аппарат погружался в охладительную смесь с хлористым этилом С₂Н₅Сl, кипящим при 12,5 °С. В результате было достигнуто охлаждение аппарата до –23 °С. Электроды были сделаны из платины или иридистой платины и изолировались пробками из плавикового шпата, который не мог реагировать с выделяющимся фтором. Для собирания фтора навинчивались другие медные трубки. В этом приборе в 1886 г. и был впервые получен фтор.

Аппарат Муассана
для получения фтора

Сохранился рассказ известного французского химика А.Л. Ле Шателье о том, как впервые Муассан производил в Парижской академии наук опыты по выделению фтора.

Когда комиссия удалилась, Муассан со своим ассистентом начал тщательно анализировать весь ход их работ и искать причину неудачи опыта. В итоге они пришли к выводу, что этой причиной послужила, как это ни казалось бы странным, слишком чисто вымытая посуда. Поэтому-то не осталось и следов фтористого калия. Достаточно было Муассану прибавить в прибор к жидкому фтористому водороду немного фтористого калия и пропустить электрический ток, как немедленно получился свободный фтор.

Общая установка для получения фтора

В 1925 г. был предложен более простой способ получения фтора. Электролитом здесь является гидродифторид калия. Сосуд для электролиза в этом случае делается из меди или никеля, а электроды из разных металлов: катод – из меди, а анод – из никеля. В несколько измененном виде этот способ применяется и в настоящее время.

Фтор (устар. флюор ; F, лат. fluorum ) — химический элемент 17-й группы, второго периода периодической системы (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе VII группы, или к группе VIIA) с атомным номером 9. Самый химически активный неметалл и сильнейший окислитель, самый лёгкий элемент из группы галогенов. Как простое вещество при нормальных условиях фтор представляет собой двухатомный газ (формула F₂) бледно-жёлтого цвета с резким запахом, напоминающим озон или хлор. Токсичен.

Содержание

• 1 История
  • 1.1 Происхождение названия
  • 3.1 Электронное строение
    • 3.1.1 Строение молекулы
    • 3.3.1 Ядерные свойства изотопов фтора
    • 3.3.2 Магнитные свойства ядер
    • 5.1 Лабораторный метод
    • 5.2 Промышленный метод
    • 7.1 Ракетная техника
    • 7.2 Применение в медицине

    
    
    

    История

    Как химический элемент, входящий в состав плавиковой кислоты, фтор был предсказан в 1810 году, а выделен в свободном виде лишь 76 лет спустя Анри Муассаном в 1886 году электролизом жидкого безводного фтористого водорода, содержащего примесь кислого фторида калия KHF₂.

    Происхождение названия

    Распространение в природе

    Содержание фтора в атомных процентах в природе показано в таблице:

    Объект	Содержание
    Почва	0,02
    Воды рек	0,00002
    Воды океана	0,0001
    Зубы человека	0,01

    В природе значительные скопления фтора содержатся, в основном, в минерале флюорите (CaF₂), содержащем по массе 51,2 % Ca и 48,8 % F. Кларк в земной коре 650 г/т.

    Из растений относительно богаты фтором чечевица и лук.

    В почве фтор накапливается в результате вулканической деятельности, в составе вулканических газов обычно содержится большое количество фтороводорода.

    Физические свойства

    При нормальных условиях представляет собой бледно-жёлтый газ. В малых концентрациях в воздухе его запах напоминает одновременно озон и хлор. Очень агрессивен и ядовит.

    Фтор имеет аномально низкую температуру кипения (85,03 К, −188,12 °C) и плавления (53,53 К, −219,70 °C). Это связано с тем, что фтор не имеет d-подуровня и не способен образовывать полуторные связи, в отличие от остальных галогенов (кратность связи в остальных галогенах примерно 1,1).

    Ниже температуры плавления образует кристаллы бледно-жёлтого цвета.

    Электронное строение

    Электронная конфигурация атома фтора: 1s 2 2s 2 2p 5 .

    Атомы фтора в соединениях могут проявлять степень окисления, равную −1. Положительные степени окисления в соединениях неизвестны, так как фтор является самым электроотрицательным элементом.

    Квантовохимический терм атома фтора — 2 P_3/2.

    Строение молекулы

    
    

    С точки зрения теории молекулярных орбиталей, строение двухатомной молекулы фтора можно охарактеризовать следующей диаграммой. В молекуле присутствует 4 связывающих орбитали и 3 разрыхляющих. Порядок связи в молекуле равен 1.

    Кристаллы

    
    

    Фтор образует молекулярные кристаллы с двумя кристаллическими модификациями, стабильными при атмосферном давлении:

    Фазовый переход между этими кристаллическими фазами фтора более экзотермичен, чем затвердевание жидкого фтора. Фаза ромбической сингонии у твёрдого фтора не обнаружена, в отличие от всех прочих галогенов. Молекулы α -фтора разупорядочены по направлению. Длина связи F—F в молекулах составляет 0,1404(12) нм .

    Даже при столь низких температурах взаимодействие кристаллов фтора со многими веществами приводит к взрыву.

    Изотопный состав

    Фтор является моноизотопным элементом: в природе существует только один стабильный изотоп фтора 19 F. Известны ещё 17 радиоактивных изотопов фтора с массовым числом от 14 до 31, и один ядерный изомер — 18m F. Самым долгоживущим из радиоактивных изотопов фтора является 18 F с периодом полураспада 109,771 минуты, важный источник позитронов, использующийся в позитрон-эмиссионной томографии.

    Ядерные свойства изотопов фтора

    Изотоп	Относительная масса, а. е. м.	Период полураспада	Тип распада	Ядерный спин	Ядерный магнитный момент
    17 F	17,0020952	64,5 c	β + -распад в 17 O	5/2	4,722
    18 F	18,000938	1,83 часа	β + -распад в 18 O	1
    19 F	18,99840322	Стабилен	—	1/2	2,629
    20 F	19,9999813	11 c	β − -распад в 20 Ne	2	2,094
    21 F	20,999949	4,2 c	β − -распад в 21 Ne	5/2
    22 F	22,00300	4,23 c	β − -распад в 22 Ne	4
    23 F	23,00357	2,2 c	β − -распад в 23 Ne	5/2

    Магнитные свойства ядер

    Ядра изотопа 19 F имеют полуцелый спин, поэтому возможно применение этих ядер для ЯМР-исследований молекул. Спектры ЯМР- 19 F являются достаточно характеристичными для фторорганических соединений.

    Химические свойства

    Самый активный неметалл, бурно взаимодействует почти со всеми веществами (кроме фторидов в высших степенях окисления и редких исключений — фторопластов) и с большинством из них — с горением и взрывом. Образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона, аргона.

    К воздействию фтора при комнатной температуре устойчивы некоторые металлы за счёт образования на их поверхности плотной плёнки фторида, тормозящей реакцию со фтором, например, Al, Mg, Cu, Ni. Контакт фтора с водородом приводит к воспламенению и взрыву в кварцевых сосудах даже при очень низких температурах (до −252 °C), в магниевых сосудах для начала реакции нужен небольшой нагрев.

    В атмосфере фтора горят даже вода и платина.

    Продукты реакции фтора с водой, в зависимости от условий её протекания, могут различаться:

    К реакциям, в которых фтор формально является восстановителем, относятся реакции разложения высших фторидов, например:

    Фтор также способен окислять в электрическом разряде кислород, образуя дифторид кислорода OF₂ и диоксидифторид O₂F₂. Под давлением или при облучении ультрафиолетом реагирует с криптоном и ксеноном с образованием фторидов благородных газов.

    Во всех соединениях фтор проявляет степень окисления −1. Чтобы фтор проявлял положительную степень окисления, требуется создание эксимерных молекул или иные экстремальные условия. Это требует искусственной ионизации атомов фтора.

    Не реагирует с гелием, неоном, аргоном, азотом, кислородом, тетрафторметаном. При комнатной температуре не реагирует с сухим сульфатом калия, углекислым газом и закисью азота. Без примеси фтороводорода при комнатной температуре не действует на стекло.

    Получение

    
    

    Промышленный способ получения фтора включает добычу и обогащение флюоритовых руд, сернокислотное разложение их концентрата с образованием безводного HF и его электролитическое разложение.

    Для лабораторного получения фтора используют разложение некоторых соединений, но все они не встречаются в природе в достаточном количестве, и их получают с помощью свободного фтора.

    Лабораторный метод

    • В лабораторных условиях фтор можно получать с помощью показанной установки. В медный сосуд 1, заполненный расплавом KF·3HF, помещают медный сосуд 2, имеющий отверстия в дне. В сосуд 2 помещают толстый никелевый анод. Катод помещается в сосуд 1. Таким образом, в процессе электролиза газообразный фтор выделяется из трубки 3, а водород — из трубки 4. Важным требованием является обеспечение герметичности системы, для этого используют пробки из фторида кальция со смазкой из оксида свинца(II) и глицерина.
    • В 1986 году, во время подготовки к конференции по поводу празднования 100-летия открытия фтора, Карл Кристе открыл способ чисто химического получения фтора с использованием реакции во фтороводородном растворе K₂MnF₆ и SbF₅ при 150 °C:

    Хотя этот метод не имеет практического применения, он демонстрирует, что электролиз необязателен; кроме того, все компоненты для данных реакций могут быть получены без использования газообразного фтора.

    Также для лабораторного получения фтора можно использовать нагрев фторида кобальта(III) до 300 °C, разложение фторидов серебра и некоторые другие способы.

    Промышленный метод

    Промышленное производство фтора осуществляется электролизом расплава кислого фторида калия KF·2HF (часто с добавлениями фторида лития), который образуется при насыщении расплава KF фтористым водородом до содержания 40—41 % HF. Процесс электролиза проводят при температурах около 100 °C в стальных электролизёрах со стальным катодом и угольным анодом.

    Хранение

    Фтор хранят в газообразном состоянии (под давлением) и в жидком виде (при охлаждении жидким азотом) в аппаратах из никеля и сплавов на его основе (монель-металл), из меди, алюминия и его сплавов, латуни, нержавеющей стали (это возможно потому, что эти металлы и сплавы покрываются плёнкой фторидов, которая защищает от дальнейшей реакции с фтором).

    Применение

    Фтор используется для получения:

    • фреонов — широко распространённых хладагентов;
    • фторопластов — химически инертных полимеров;
    • элегаза SF₆ — газообразного изолятора, применяемого в высоковольтной электротехнике;
    • гексафторида урана UF₆, применяемого для разделения изотопов урана в ядерной промышленности;
    • гексафтороалюмината натрия — электролита для получения алюминия электролизом;
    • фторидов металлов (например, W и V), которые обладают некоторыми полезными свойствами;

    
    
    

    Ракетная техника

    Фтор и некоторые его соединения являются сильными окислителями, поэтому могут применяться в качестве окислителя в ракетных топливах. Очень высокая эффективность фтора вызывала значительный интерес к нему и его соединениям. На заре космической эры в СССР и других странах существовали программы исследования фторсодержащих ракетных топлив. Однако продукты горения с фторсодержащими окислителями токсичны. Поэтому топлива на основе фтора не получили распространения в современной ракетной технике.

    Применение в медицине

    Фторированные углеводороды (например перфтордекалин) применяются в медицине как кровезаменители. Существует множество лекарств, содержащих фтор в структуре (фторотан, фторурацил, флуоксетин, галоперидол и др.). Фториды натрия, калия и др. применяются для профилактики кариеса (см. ниже).

    Биологическая и физиологическая роль

    Фтор является жизненно необходимым для организма элементом. В организме человека фтор в основном содержится в эмали зубов в составе фторапатита — Ca₅F(PO₄)₃ — и в костях. Общее содержание составляет 2,6 г, в том числе в костях 2,5 г. Нормальное суточное поступление фтора в организм человека равно 2,5—3,5 мг. При недостаточном (менее 0,5 мг/литр питьевой воды) или избыточном (более 1 мг/литр) потреблении фтора организмом могут развиваться заболевания зубов: кариес и флюороз (крапчатость эмали) и остеосаркома, соответственно.

    Малое содержание фтора разрушает эмаль за счёт вымывания фтора из фторапатита с образованием гидроксоапатита, и наоборот.

    Для профилактики кариеса рекомендуется использовать зубные пасты с добавками фторидов (натрия и/или олова) или употреблять фторированную воду (до концентрации 1 мг/л), или применять местные аппликации 1—2 % раствором фторида натрия или фторида олова. Такие действия могут сократить вероятность появления кариеса на 30—50 %.

    Предельно допустимая концентрация связанного фтора (в виде фторидов и фторорганических соединений) в воздухе промышленных помещений равна 0,0005 мг/литр воздуха.

    Токсикология

    Фтор представляет собой чрезвычайно агрессивное ядовитое вещество. Является сильным окислителем. Раздражающие свойства в несколько раз сильнее, чем у фтороводорода. Резорбтивное действие объясняется возможностью фтора вступать в свободнорадикальные реакции с тканями организма. Контакт кожи с газом в течение 2 секунд вызывает термический ожог II степени; воздействие в концентрации 0,15-0,30 мг/л приводит к раздражению открытых участков кожи. При обследовании 252 человек, подвергающихся воздействию фтора, у 57 обнаружены конъюнктивиты или экзема век.

    Радиус нейтрального атома фтора 0, 064 нм, радиус иона F – 0, 115 (2), 0, 116 (3), 0, 117 (4) и 0, 119 (6) нм (в скобках указано значение координационного числа). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома фтора равны, соответственно, 17, 422, 34, 987, 62, 66, 87, 2 и 114, 2 эВ. Сродство к электрону 3, 448 эВ (самое большое среди атомов всех элементов). По шкале Полинга электроотрицательность фтора 4 (самое высокое значение среди всех элементов). Фтор — самый активный неметалл.

    В свободном виде фтор — бесцветный газ с резким удушливым запахом. В больших концентрациях является высокотоксичным веществом.

    История открытия

    История открытия фтора связана с минералом флюоритом, или плавиковым шпатом. Состав этого минерала, как сейчас известно, отвечает формуле CaF₂, и он представляет собой первое содержащее фтор вещество, которое начал использовать человек. В давние времена было отмечено, что если флюорит добавить при выплавке металла к руде, то температура плавления руды и шлаков понижается, что значительно облегчает проведение процесса (отсюда название минерала — от лат. fluo — теку).

    Нахождение в природе

    Содержание фтора в земной коре довольно велико и составляет 0, 095% по массе (значительно больше, чем ближайшего аналога фтора по группе — хлора). Из-за высокой химической активности фтор в свободном виде, разумеется, не встречается. Важнейшие минералы фтора — это флюорит (плавиковый шпат), а также фторапатит 3Са₃(РО₄)₂·СaF₂ и криолит Na₃AlF₆. Фтор как примесь входит в состав многих минералов, содержится в подземных водах; в морской воде 1, 3·10 -4 % фтора.

    Получение

    На первой стадии получения фтора выделяют фтороводород HF. Приготовление фтороводорода и фтористоводородной (плавиковой) кислоты происходит, как правило, попутно с переработкой фторапатита на фосфорные удобрения. Образующийся при сернокислотной обработке фторапатита газообразный фтороводород далее собирают, сжижают и используют для проведения электролиза. Электролизу можно подвергать как жидкую смесь HF и KF (процесс осуществляется при температуре 15-20°C), так и расплав KH₂F₃ (при температуре 70-120°C) или расплав КНF₂ (при температуре 245-310°C).

    В лаборатории для приготовления небольших количеств свободного фтора можно использовать или нагревание MnF₄, при котором происходит отщепление фтора, или нагревание смеси K₂MnF₆ и SbF₅:

    Физические и химические свойства

    При обычных условиях фтор — газ (плотность 1, 693 кг/м 3 ) с резким запахом. Температура кипения –188, 14°C, температура плавления –219, 62°C. В твердом состоянии образует две модификации: α-форму, существующую от температуры плавления до –227, 60°C, и β-форму, устойчивую при температурах, более низких, чем –227, 60°C.

    Как и другие галогены, фтор существует в виде двухатомных молекул F₂. Межъядерное расстояние в молекуле 0, 14165 нм. Молекулу F₂ характеризует аномально низкая энергия диссоциации на атомы (158 кДж/моль), что, в частности, обусловливает высокую реакционную способность фтора.

    Химическая активность фтора чрезвычайно велика. Из всех элементов со фтором не образуют фторидов только три легких инертных газа — гелий, неон и аргон. Во всех соединениях фтор проявляет только одну степень окисления –1.

    При этом образуется газ фтороводород HF, неограниченно растворимый в воде с образованием сравнительно слабой плавиковой кислоты.

    Фтор вступает во взаимодействие с большинством неметаллов. Так, при реакции фтора с графитом образуются соединения общей формулы CF_x, при реакции фтора с кремнием — фторид SiF₄, с бором — трифторид BF₃. При взаимодействии фтора с серой образуются соединения SF₆ и SF₄ и т. д. (см. Фториды).

    Известно большое число соединений фтора с другими галогенами, например, BrF₃, IF₇, ClF, ClF₃ и другие, причем бром и иод воспламеняются в атмосфере фтора при обычной температуре, а хлор взаимодействует с фтором при нагревании до 200-250°С.Не реагируют со фтором непосредственно, кроме указанных инертных газов, также азот, кислород, алмаз, углекислый и угарный газы.

    Косвенным путем получен трифторид азота NF₃ и фториды кислорода О₂F₂ и OF₂, в которых кислород имеет необычные степени окисления +1 и +2.

    При взаимодействии фтора с углеводородами происходит их деструкция, сопровождающаяся получением фторуглеводородов различного состава.

    При небольшом нагревании (100-250°C) фтор реагирует с серебром, ванадием, рением и осмием. С золотом, титаном, ниобием, хромом и некоторыми другими металлами реакция с участием фтора начинает протекать при температуре выше 300-350°C. С теми металлами, фториды которых нелетучи (алюминий, железо, медь и др.), фтор с заметной скоростью реагирует при температуре выше 400-500°C.

    Некоторые высшие фториды металлов, например, гексафторид урана UF₆, получают действуя фтором или таким фторирующим агентом, как BrF₃, на низшие галогениды, например:

    Следует отметить, что уже упоминавшейся плавиковой кислоте HF соответствуют не только средние фториды типа NaF или СаF₂, но и кислые фториды — гидрофториды типа NaHF₂ и КНF₂.

    Синтезировано также большое число различных фторорганических соединений, в том числе и знаменитый тефлон — материал, представляющий собой полимер тетрафторэтилена .

    Применение

    Фтор широко применяют как фторирующий агент при получении различных фторидов (SF₆, BF₃, WF₆ и других), в том числе и соединений инертных газов ксенона и криптона (см. Фторирование). Гексафторид урана UF₆ применяется для разделения изотопов урана. Фтор используют в производстве тефлона, других фторопластов, фторкаучуков, фторсодержащих органических веществ и материалов, которые широко применяют в технике, особенно в тех случаях, когда требуется устойчивость к агрессивным средам, высокой температуре и т. п.

    Биологическая роль

    В качестве микронутриента фтор входит в состав всех организмов. У животных и человека фтор присутствует в костной ткани (у человека — 0, 2-1, 2%) и, особенно, в дентине и эмали зубов. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится ≈ 2,6 г фтора; суточная потребность составляет 2-3 мг и удовлетворяется, главным образом, с питьевой водой. Недостаток фтора приводит к кариесу зубов. Поэтому соединения фтора добавляют в зубные пасты, иногда вводят в состав питьевой воды. Избыток фтора в воде, однако, тоже вреден для здоровья. Он приводит к флюорозу — изменению структуры эмали и костной ткани, деформации костей. ПДК для содержания в воде фторид-ионов составляет 0, 7 мг/л. ПДК газообразного фтора в воздухе 0,15 мг/м 3 . Роль фтора в растениях неясна.

    Фтор (группа галогенов) – химически активный неметалл, который при нормальный условиях представляет собой двухатомный газ. Присутствует в морской и речной воде, в грунте, в флюорите (камне, светящемся при нагревании). Двухатомный химический элемент плавится при низкой температуре, но отличается повышенной окислительной активностью.

    История открытия

    Продолжительное время старания выделить химический элемент приводили к трагедии. Агрессивный галоген забрал здоровье у французских исследователей Гей-Люссака и Луи Тенара, лишил жизни британского изобретателя Дэви Гемфри, бельгийского ученого Лайета. Пытаясь получить из соединений чистый фтор, погибли Томас и Джордж Нокс.

    Плавиковую кислоту в конце XVIII столетия удалось синтезировать шведскому фармацевту Шееле, открывшему кислород. Спустя век Джордж Горн сумел выделить небольшое количество фтора, но вещество мгновенного взорвалось. Химик определил, что элемент разрушает и металлы, и уголь, но уменьшить его активность помогает снижение температуры.

    
    

    Взяв за основу открытия предшественников, Анри Муассан создал V-образное электролизное устройство из платины. Хотя делать аппарат нужно было из меди, поскольку недорогой металл уменьшает воздействие агрессивного вещества. Плавиковую кислоту французский химик соединил с кристаллами гидродифторида калия, и использовал смесь в качества электролита.

    Муассон погрузил аппарат в хлористый этил и снизил температуру в устройстве до -23°С. Фтор собирался в медные трубки. Пробки из плавикового шпата, которыми изолировались электроды, предотвращали возникновение реакции токсического элемента с другими веществами.

    После заявления химика о получении фтора, Академия наук направила ученых на проверку изобретения, но аппарат при них начал барахлить. Не привела к успеху вторая попытку запустить электролиз.

    Лишь на третий раз Муассон понял причину неудачи. Добавив в устройство фтористый калий и пропустив ток, химик получил свободный элемент, который до 1886 г. не удалось выделить никому. Спустя 20 лет за свое открытие он был награжден Нобелевской премией, а через 2 месяца покинул мир.

    В 1925 году процесс электролиза усовершенствовали, поменяли металлы, используемые в качестве анода и катода.

    Фтор в таблице Менделеева

    Галогены, включая фтор, выполняют функции окислителей. Активность элементов, представляющих группу, повышается с увеличением порядкового числа. Этот показатель самый высокий у фтора, под действием которого при 20-30°С воспламеняются металлы, сгорает водяной пар.

    При нагревании газ, что в природе доступен в форме солей, разрушает медь и никель. При низких температурах фтор, вступая в реакцию с йодом, бором, углеродом и другими химическими элементами, которые не относятся к металлам, образует соединения, выделяющие тепло и вызывающие воспламенение или взрыв.

    Строение атома фтора

    Хотя история открытия вещества, выделенного в чистом виде Анри Муассаном, начиналась с XVI столетия, а плавиковая кислота продолжительное время применялась при протравливании стекла, строение фтора еще долго оставалось неизвестным.

    У атома электроотрицательного химического элемента F, имеющего, как и другие галогены 2 оболочки, во внешнем энергетическом уровне присутствует один неспаренный электрон и 6 спаренных. Схема образования фтора изображается формулой F (+9) = 1s22s22p5.

    При взаимодействии галогена, валентность которого равна единице, а степень окисления (-1), атом преобразуется в ион, заряженный отрицательно.

    
    

    Физические свойства

    В незначительной концентрации фтор присутствует в воздухе в форме газа. Отличается специфическим резким запахом. Химический элемент:

    • закипает при -188°С;
    • начинает плавиться при -219°С;
    • при уменьшении температуры до -220°С и ниже превращается в бледно-желтые кристаллы.

    В отличие от других представителей группы, у фтора отсутствуют полуторные связи.

    При атмосферном давлении химический элемент образует 2 вида молекулярных модификаций. При температуре менее 45,6° по Кельвину формируются мутноватые кристаллы α-фтора с решеткой моноклинной сингонии.

    В промежутке от 45,6°К до начала плавления образуется твердый β-фтор, который отличается от первой модификации меньшей плотностью, примитивной решеткой прозрачных кристаллов.

    
    

    Химические свойства

    Легкий и агрессивный галоген не реагирует с фторидами и многими фторопластами. Взаимодействует с большинством элементов из таблицы Менделеева. Обычно этот процесс сопровождается возгоранием или взрывом.

    Химическое вещество не образует соединений с:

    • аргоном;
    • неоном;
    • гелием;
    • тетрафторметаном.

    Проявляют устойчивость к окислителю металлы, на поверхности которых формируется пленка, блокирующая реакцию с галогеном. Взаимодействие фтора и водорода в емкости из кварца заканчивается взрывом даже при минус 253°С.

    При комнатной температуре агрессивный элемент из 17 группы не оказывает влияния на:

    • диоксид азота;
    • сухой сернокислый калий;
    • углекислоту.

    Только при получении атомов искусственным путем фтор способен изменить отрицательную степень окисления на положительный показатель.

    
    

    Фтор в природе

    В космическом пространстве ядовитый газ присутствует в концентрации, что намного меньше, чем у других представителей группы, в которую элемент входит. В виде соединений галоген есть в воде, почве, где образовался при извержении вулканов.

    Содержание фтора было обнаружено в:

    • топазе;
    • криолите;
    • плавиковом шпате.

    Добывают химический элемент из флюорита. Количество месторождений камня, из которого в античном периоде вытачивали вазы, делали талисманы, исчисляются тысячами, но больше всего запасов светящегося минерала обнаружено в Центральной Америке и Китае.

    Выявлен фтор также в:

    • дикорастущих травах;
    • бобовых культурах;
    • головках и листьях лука;
    • организме человека.

    Получают химический элемент, как и прежде, путем электролиза, но вместо драгоценных самоцветов, проводящих ток, используют медь, графит, сталь. Замена платины распространенными металлами способствовала удешевлению производственного процесса.

    Применение

    С помощью фтора создают на стекле уникальные узоры. Наносить рисунки из смеси плавикового шпата и серной кислоты художник из Нюрнберга начал 350 лет назад, даже не догадываясь, что краска получается в результате реакции обоих компонентов.

    Фтор, добываемый из руды, содержащей флюорит, применяется в:

    • металлургии;
    • ядерной промышленности;
    • энергетике.

    
    

    Используя химический элемент:

    • добывают уран;
    • создают ракетное топливо;
    • получают чугун;
    • выпускают препараты для лечения эндокринных болезней, рака, ревматизма, бактериальных инфекций.

    Дефицит фтора в организме дает о себе знать:

    • разрушением зубов;
    • выпадением волос;
    • ослаблением костей.

    Химический элемент выводит токсины, препятствует развитию кариеса и остеопороза, но избыток вещества еще опаснее, чем нехватка. В организм галоген попадает с водой, продуктами питания, зубной пастой.

    Фтор не всегда применялся на благо человечества. Химический элемент и его соединения использовались в качестве зажигательных средств, отравляющих веществ, в производстве ядерного оружия.

    
    

    При разложении продуктов, содержащих фтор, ионы вещества попадают в атмосферу, разрушая тем самым озоновый слой. Это спровоцировало глобальное потепление, что теперь чревато экологической катастрофой.

    Исследование фтора и работа с ним часто приводила к тяжелым болезням, смерти. Но без открытия этого элемента человечество не достигло бы успехов в развитии разных отраслей промышленности. Что вам еще известно о применении галогена, попытки получить который продолжительное время заканчивались трагедией? Напишите в комментариях. Поделитесь статьей в социальных сетях и сохраните ее в закладках, чтобы не потерять полезную информацию.

    Читайте также:

      
    • Сравните строение днк и рнк назовите различия кратко
      
    • Опишите устройство гидравлических толкателей кратко
      
    • Энергия фотосинтеза и дыхания кратко
      
    • Изменчивость и стабильность кратко
      
    • Санитарно технические устройства парикмахерских кратко