Virtual Laboratory Wiki
Advertisement
Фтор/Fluor (F)
Атомный номер 9
Внешний вид простого вещества
Файл:F,9.jpg

Фтор в сосуде

Жёлто-зелёный газ,
чрезвычайно химически активен.
Очень ядовит.
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
18,998403 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 71 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
1680,0 (17,41) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [He] 2s2 2p5
Химические свойства
Ковалентный радиус 72 пм
Радиус иона (-1e)133 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
3,98
Электродный потенциал 0
Степени окисления −1
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при −189 °C)1,108 г/см³
Удельная теплоёмкость (F-F) 0,824 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 0,028 Вт/(м·K)
Температура плавления 53,53 K
Теплота плавления (F-F) 0,51 кДж/моль
Температура кипения 85,01 K
Теплота испарения 6,54 (F-F) кДж/моль
Молярный объём 17,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки моноклинная
Период решётки n/a Å
Отношение c/a 1,32
Температура Дебая n/a K


F 9
18,9984
2s22p5
Фтор

Фтор (F) — химический элемент VII а-группы периодической системы Менделеева, относится к галогенам, атомный номер 9, при нормальных условиях элемент фтор находится в виде двухатомных молекул F2газ бледно-жёлтого цвета с резким запахом, напоминающим озон или хлор.

История

Файл:Electron shell 009 Fluorine.svg

Схема атома фтора

Первое соединение фтора — флюорит (плавиковый шпат) CaF2 — описано в конце XV века под названием «флюор». В 1771 году Карл Шееле получил плавиковую кислоту.

Как один из атомов плавиковой кислоты, элемент 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

Название «фтор» (от греч. φθόρος — разрушение), предложенное Андре Ампером в 1810 году, употребляется в русском и некоторых других языках; во многих странах приняты названия, производные от латинского «Fluor» (которое происходит, в свою очередь, от fluere — «течь», по свойству соединения фтора, флюорита (CaF2), понижать температуру плавления руды и увеличивать текучесть расплава).

Распространение в природе

Содержание фтора в атомных процентах в природе показано в таблице:

Объект Содержание, ат. %
Почва 0,02
Воды рек 0,00002
Воды океана 0,0001
Зубы человека[1] 0,01

В природе значимые скопления фтора содержаться разве что только в минерале флюорите.

В некоторой степени относительно богаты фтором растения чечевица и лук

Содержанием в почве фтор обязан вулканическим газам, за счет того, что в его состав обычно входит большое количество фтороводорода.

Изотопный состав

Фтор является «чистым элементом», то есть в природе содержится только изотоп фтора F19. Известны 17 радиоактивных изотопов фтора с массовым числом от 14 до 31. Самым долгоживущим из них является 18F с периодом полураспада 109,8 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
17F 17.0020952 64,5 c K-захват в 17O 5/2 4.722
18F 18.000938 1,83 часа K-захват в 18O 1
19F 18.99840322 Стабилен 1/2 2.629
20F 19.9999813 11 c β-распад в 20Ne 2 2.094
21F 20.999949 4,2 c β-распад в 21Ne 5/2
22F 22.00300 4,23 c β-распад в 22Ne 4
23F 23.0037 2,2 c β-распад в 23Ne 5/2

Магнитные свойства ядер

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

Электронное строение

Файл:Molekülorbital-Fluor.png

Применение метода МО для молекулы F2

Электронная конфигурация атома фтора следующая: 1s22s22p5. Атомы фтора в соединениях могут проявлять степень окисления равную -1. Положительные степени окисления в соединениях не реализуются, так как фтор является самым электроотрицательным элементом.

Квантовохимический терм атома фтора — 2P3/2

Строение молекулы

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

Кристаллическая решётка

Файл:Alpha-fluorine-unit-cell-B-3D-balls.png

Кристаллическая структура α-фтора (стабильная при атмосферном давлении)

Кристаллическая решётка фтора в твёрдом состоянии является моноклиной гранецентрированной со следующими параметрами решётки:

Параметр Значение
a 550 пм
b 328 пм
c 728 пм
α=β=γ 90°

Получение

Файл:Fluor laboratory method.png

Лабораторный метод получения фтора

Источником для производства фтора служит фтористый водород HF, получающийся в основном либо при действии серной кислоты H2SO4 на флюорит CaF2, либо при переработке апатитов и фосфоритов.

Лабораторный метод

  • В лабораторных условиях фтор можно получать с помощью показанной установки. В медный сосуд 1, заполненный расплавом КF·3НF помещают медный сосуд 2, имеющий отверстия в дне. В сосуд 2 помещают толстый никелевый анод. Катод помещается в сосуд 1. Таким образом, впроцессе электролиза, газообразный фтор выделяется из трубки 3, а водород из трубки 4. Важным требованием является обеспечение герметичности системы для этого исполизуют 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:[источник?]
K2MnF6 + 2SbF5 → 2KSbF6 + MnF3 + ½F2
Хотя этот метод не имеет практического применения, он демонстрирует, что электролиз необязателен.

Промышленный метод

Промышленное производство фтора осуществляется электролизом расплава кислого фторида калия КF·3НF (часто с добавлениями фторида лития), который образуется при насыщении расплава КF фтористым водородом до содержания 40—41 % HF. Процесс электролиза проводят при температурах около 100°С в стальных электролизёрах со стальным катодом и угольным анодом.

Физические свойства

Слабо светло-оранжевый газ, в малых концентрациях запах напоминает одновременно озон и хлор, очень агрессивен и ядовит.

Химические свойства

Самый активный неметалл, бурно взаимодействует почти со всеми веществами (редкие исключения — фторопласты), и с большинством из них — с горением и взрывом. Контакт фтора с водородом приводит к воспламенению и взрыву даже при очень низких температурах (до −252°C). В атмосфере фтора горят даже вода и платина:

2F2 + 2H2O → 4HF + O2

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

XeF8 → XeF6 + F2
MnF4 → MnF3 + 1/2 F2

Фтор так же способен окислять кислород образуя фторид кислорода OF2

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.

Применение

Применение в химии

Газообразный фтор используется для получения:

  • гексафторида урана UF6 из UF4, применяемого для разделения изотопов урана для ядерной промышленности.
  • трёхфтористого хлора ClF3 — фторирующий агент и мощный окислитель ракетного топлива
  • шестифтористой серы SF6 — газообразный изолятор в электротехнической промышленности
  • фторидов металлов (например, W и V), которые обладают некоторыми полезными свойствами
  • фреонов — хороших хладагентов
  • тефлонов - химически инертных полимеров
  • гексафтороалюмината натрия — для последующего получения алюминия электролизом
  • различных соединений фтора

Ракетная техника

Основная статья: Соединения фтора в ракетной технике

Соединения фтора широко применяются в ракетной технике как окислитель ракетного топлива.

Применение в медицине

Основная статья: Соединения фтора в медицине

Соединения фтора широко применяются в медицине как кровезаменители.

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. При недостаточном (менее 0,5 мг/литр питьевой воды) или избыточном (более 1 мг/литр) потреблении фтора организмом могут развиваться заболевания зубов: кариеса и флюорозу (крапчатости эмали) и остеосаркомы, соответственно[2].

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

Для профилактики кариеса рекомендуется использовать зубные пасты с добавками фтора 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[3] в воздухе промышленных помещениях равен 0,0005 мг/литр.

Примечания

  1. Главным образом в эмали зубов
  2. По данным National Toxicology Program
  3. В виде фторидов и фторорганических соединений

См. также

  • Фториды
  • Соединения фтора в ракетной технике
  • Соединения фтора в медицине
  • Категория:Соединения фтора

Ссылки

Литература

  • Рысс И.Г. Химия фтора и его неорганических соединений. М. Госхимиздат, 1966 г. — 718 с.
  • Некрасов Б.В. Основы общей химии. (издание третье, том 1) М. Химия, 1973 г. — 656 с.
  • L. Pauling, I. Keaveny, and A.B. Robinson, J. Solid State Chem., 1970, 2, p. 225. англ. — Подробней о кристаллической структуре фтора





Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Фтор. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


Advertisement