Химический элемент таблицы Менделеева, неметалл, галоген

 

Общие сведения

 Химический элемент  таблицы Менделеева, неметалл, галоген. 

Символ элемента: F.

Атомный номер: 9.

Положение в таблице: 2-й  период, группа - VIIA (1)

Относительная атомная масса: 18.9984032

Степень окисления : -1.

Валентность: I.

Электроотрицательность: 4.10

Электронная конфигурация: 1s12s22p5

 Природный фтор состоит  из одного стабильного нуклида  19F. Фтор — самый активный неметалл. В свободном виде фтор —  бесцветный газ с резким удушливым  запахом. 

Строение атома

Число электронов: 9.

Число протонов: 9.

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).

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).

 В 1771 году обработкой  флюорита серной кислотой шведский  химик К.Шееле приготовил кислоту,  которую он назвал «плавиковой». Французский ученый А. Лавуазье  предположил, что в состав этой  кислоты входит новый химический  элемент, который он предложил  назвать «флуорем» (Лавуазье считал, что плавиковая кислота — это  соединение флуория с кислородом, ведь, по мнению Лавуазье, все  кислоты должны содержать кислород). Однако выделить новый элемент  он не смог.

 За новым элементом  укрепилось название «флюор»,  которое отражено и в его  латинском названии. Но длительные  попытки выделить этот элемент  в свободном виде успеха не  имели. Многие ученые, пытавшиеся получить его в свободном виде, погибли при проведении таких опытов или стали инвалидами. Это и английские химики братья Т. и Г. Ноксы, и французы Ж.-Л. Гей-Люссак и Л. Ж. Тенар, и многие другие. Сам Г. Дэви, первым получивший в свободном виде натрий, калий, кальций и другие элементы, в результате экспериментов по получению фтора электролизом отравился и тяжело заболел. Вероятно, под впечатлением всех этих неудач в 1816 году для нового элемента было предложено хотя и сходное по звучанию, но совершенно другое по смыслу название — фтор (от греч. phtoros — разрушение, гибель). Это название элемента принято только в русском языке, французы и немцы продолжают называть фтор fluor, англичане — fluorine.

 Получить фтор в  свободном виде не смог и  такой выдающийся ученый, как  М. Фарадей. Только в 1886 году  французский химик А. Муассан,  используя электролиз жидкого  фтороводорода HF, охлажденного до  температуры –23°C (в жидкости  должно содержаться немного фторида  калия KF, который обеспечивает  ее электропроводимость), смог на  аноде получить первую порцию  нового, чрезвычайно реакционноспособного  газа. В первых опытах для получения  фтора Муассан использовал очень  дорогой электролизер, изготовленный  из платины и иридия. При этом  каждый грамм полученного фтора  «съедал» до 6 г платины. Позднее  Муассан стал использовать значительно  более дешевый медный электролизер. Фтор реагирует с медью, но  при реакции образуется тончайшая  пленка фторида, которая препятствует  дальнейшему разрушению металла. 

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:

2K2MnF6 + 4SbF5 = 4KSbF6 + 2MnF3 + F2.

Физические и химические свойства

 При обычных условиях  фтор — газ (плотность 1,693 кг/м3) с резким запахом. Температура  кипения –188,14°C, температура плавления  –219,62°C. В твердом состоянии образует  две модификации: a-форму, существующую от температуры плавления до –227,60°C, и b-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.

 Со многими простыми  и сложными веществами фтор  реагирует напрямую. Так, при контакте  с водой фтор реагирует с  ней (часто говорят, что «вода  горит во фторе»):

2F2+ 2H2O = 4HF + O2.

 Фтор реагирует со  взрывом при простом контакте  с водородом:

H2 + F2 = 2HF.

 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 CFx, при реакции  фтора с кремнием — фторид SiF4, с бором — трифторид BF3. При взаимодействии фтора с  серой образуются соединения SF6 и  SF4 и т. д.

 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.

 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:

UF4 + F2= UF6

 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. 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 микроэлемента  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 0,03 мг/м3. Роль  фтора в растениях неясна.