Химический элемент фтор: валентность, свойства, характеристика

Фтор (F) – наиболее реактивный химический элемент и самый легкий галоген группы 17 (VIIa) периодической таблицы. Данная характеристика фтора объясняется его способностью привлекать электроны (это самый электроотрицательный элемент) и небольшим размером его атомов.

История открытия

Фторсодержащий минерал плавиковый шпат был описан в 1529 году немецким врачом и минералогом Георгием Агриколой. Вероятно, что плавиковая кислота была впервые получена неизвестным английским стеклодувом в 1720 г. А в 1771 г. шведский химик Карл Вильгельм Шееле получил неочищенную плавиковую кислоту при нагревании плавикового шпата с концентрированной серной кислотой в стеклянной реторте, которая в значительной степени корродировала под действием полученного продукта. Поэтому в дальнейших экспериментах использовались сосуды из металла. Почти безводная кислота была получена в 1809 году, а спустя два года французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что это соединение водорода с неизвестным элементом, аналогичным хлору, для которого он предложил название фтор из греческого &phi-&theta- &rho-&iota-&omicron-&sigmaf-, «разрушающий». Плавиковый шпат оказался фторидом кальция.

Видео: Химия - просто. Урок 1 "ПСЭ"

Выделение фтора оставалось одной из главных нерешенных проблем неорганической химии до 1886 года, когда французский химик Анри Муассан получил элемент электролизом раствора гидрофторида калия во фтороводороде. За это в 1906 году он получил Нобелевскую премию. Трудность в обращении с этим элементом и токсические свойства фтора способствовали медленному прогрессу в области химии этого элемента. Вплоть до Второй мировой войны он был лабораторной диковинкой. Затем, однако, использование гексафторида урана при разделении изотопов урана наряду с ростом промышленного значения органических соединений данного элемента, сделало его химикатом, который приносит значительную пользу.

Распространенность

Фторсодержащий плавиковый шпат (флюорит, CaF₂) в течение многих столетий использовался в качестве флюса (очищающего средства) в металлургических процессах. Минерал впоследствии оказался источником элемента, который был также назван флуором. Бесцветные прозрачные кристаллы флюорита при освещении имеют синеватый оттенок. Это свойство известно под названием флуоресценции.

Фтор – элемент, который встречается в природе только в виде его химических соединений, за исключением чрезвычайно небольших количеств свободного элемента в плавиковом шпате, подвергшегося воздействию излучения радия. Содержание элемента в земной коре составляет около 0,065 %. Основными фторсодержащими минералами являются плавиковый шпат, криолит (Na₃AlF₆), фторапатит (Са₅[PO₄]₃ [F, Cl]), топаз (Al₂SiO₄[F, OH]₂) и лепидолит.

Физические и химические свойства фтора

При комнатной температуре фтор является газом бледно-желтого цвета с раздражающим запахом. Вдыхание его опасно. При охлаждении он становится желтой жидкостью. Существует только один стабильный изотоп этого химического элемента – фтор-19.

Видео: Фтор: свойства и применение

Первая энергия ионизации данного галогена очень высока (402 ккал/моль), что составляет стандартную теплоту образования катиона F⁺420 ккал/моль.

Небольшой размер атома элемента позволяет разместить их относительно большое количество вокруг центрального атома с образованием множества устойчивых комплексов, например, гексафторсиликата (SiF₆)^2- и гексафторалюмината (AlF₆)^3-. Фтор – элемент, который обладает наиболее сильными окисляющими свойствами. Ни одно другое вещество не способно окислить фторид-анион, чтобы он превратился в свободный элемент, и по этой причине элемент не находится в свободном состоянии в природе. Данная характеристика фтора на протяжении более 150 лет не позволяла получить его ни одним химическим методом. Это удалось только за счет использования электролиза. Тем не менее в 1986 г. американский химик Карл Крайст сообщил о первом «химическом» получении фтора. Он использовал K₂MnF₆ и пентафторид сурьмы (SbF₅), которые могут быть получены из растворов HF.

Фтор: валентность и степень окисления

Внешняя оболочка галогенов содержит неспаренный электрон. Вот почему валентность фтора в соединениях равна единице. Однако атомы элементов группы VIIa могут увеличивать количество таких электронов до 7. Максимальная валентность фтора и его степень окисления равны -1. Элемент не способен расширить свою валентную оболочку, так как у его атома отсутствует d-орбиталь. Другие галогены благодаря ее наличию способны проявлять валентность вплоть до 7.

Видео: Химия 19. Элемент кальций — Академия занимательных наук

Высокая окислительная способность элемента позволяет достигать максимально возможной степени окисления в других элементах. Фтор (валентность I) может образовывать соединения, которых не существует ни у каких других галогенидов: дифторид серебра (AgF₂), трифторид кобальта (CoF₃), гептафторид рения (ReF₇), пентафторид брома (BrF₅) и гептафторид йода (IF₇).

Соединения

Формула фтора (F₂) составлена из двух атомов элемента. Он может вступать в соединения со всеми другими элементами, кроме гелия и неона, образуя ионные или ковалентные фториды. Некоторые металлы, такие как никель, быстро покрываются слоем этого галогена, что предотвращает дальнейшую связь металла с элементом. Некоторые сухие металлы, такие как мягкая сталь, медь, алюминий или монель (66 % никеля и 31,5 % сплава меди) при обычных температурах с фтором не реагируют. Для работы с элементом при температурах до 600 °C подходит монель- спеченный глинозем устойчив до 700 °C.

Фторуглеродные масла являются наиболее подходящими смазочными материалами. Элемент бурно реагирует с органическими веществами (например, резиной, деревом и тканями), поэтому контролируемое фторирование органических соединений элементарным фтором возможно только при принятии специальных мер предосторожности.

Производство

Плавиковый шпат является главным источником фтора. В производстве фтористого водорода (HF) порошкообразный флюорит перегоняют с концентрированной серной кислотой в свинцовом или чугунном аппарате. В ходе перегонки образуется сульфат кальция (CaSO₄), нерастворимый в HF. Фтористый водород получают в достаточно безводном состоянии путем фракционной перегонки в медных или стальных сосудах и хранят в стальных баллонах. Обычными примесями в промышленном фтороводороде являются сернистая и серная кислоты, а также кремнефтористоводородная кислота (H₂SiF₆), образующиеся из-за наличия в плавиковом шпате кремнезема. Следы влаги могут быть удалены путем электролиза с использованием платиновых электродов, обработкой элементарным фтором или хранением над более сильной кислотой Льюиса (MF₅, где М – металл), которая может образовывать соли (Н₃О)⁺ (MF₆)^-: Н₂О + SbF₅ + HF (Н₃О)⁺ (SbF₆)^-.

Фтористый водород используют в приготовлении множества промышленных неорганических и органических соединениях фтора, например, натрийфторидалюминия (Na₃AlF₆), используемого в качестве электролита при выплавке металлического алюминия. Раствор газообразного фтористого водорода в воде называется плавиковой кислотой, большое количество которой применяется при очистке металлов и для полировки, придания матовости стеклу или для его травления.

Получение свободного элемента осуществляется с помощью электролитических процедур в отсутствие воды. Как правило, они имеют форму электролиза расплава фторида калия фторидом водорода (в соотношении 1 к 2,5-5) при температурах 30–70, 80–120 или 250 °C. Во время процесса содержание фтороводорода в электролите уменьшается, и температура плавления повышается. Поэтому необходимо, чтобы его добавление происходило непрерывно. В высокотемпературной камере электролит заменяется, когда температура превысит 300 °C. Фтор можно безопасно хранить под давлением в баллонах из нержавеющей стали, если клапаны цилиндров свободны от следов органических веществ.

Видео: Химия 12. Химический элемент железо — Академия занимательных наук

Использование

Элемент используется для производства различных фторидов, таких как трифторид хлора (ClF₃), гексафторид серы (SF₆) или трифторид кобальта (CoF₃). Соединения хлора и кобальта являются важными фторирующими агентами органических соединений. (При наличии соответствующих мер предосторожности для этого может быть использован непосредственно фтор). Гексафторид серы используется в качестве газообразного диэлектрика.

Элементарный фтор, часто разбавленный азотом, вступает в реакцию с углеводородами с образованием соответствующих фторуглеродов, в которых часть или весь водород замещается галогеном. Полученные соединения, как правило, характеризуются высокой стабильностью, химической инертностью, высоким электрическим сопротивлением, а также другими ценными физико-химическими свойствами.

Фторирование можно произвести также путем обработки органических соединений трифторидом кобальта (CoF₃) или электролизом их растворов в безводном фтористом водороде. Полезные пластики с антипригарными свойствами, такие как политетрафторэтилен [(CF₂CF₂)_х], известные под коммерческим названием тефлон, получают из ненасыщенных фторированных углеводородов.

Органические соединения, содержащие хлор, бром или йод, фторируют для получения таких веществ, как дихлордифторметан (Cl₂CF₂), хладагент, который широко применялся в бытовых холодильниках и кондиционерах. Так как хлорфторуглероды, такие как дихлордифторметан, играют активную роль в истощении озонового слоя, их производство и применение было ограничено, и теперь предпочтение отдается хладагентам, содержащим гидрофторуглероды.

Элемент также используется для получения гексафторида урана (UF₆), используемого в газовом диффузионном процессе отделения урана-235 от урана-238 при производстве ядерного топлива. Фтороводород и трифторид бора (BF₃) производятся в промышленных масштабах, так как они являются хорошими катализаторами для реакций алкилирования, применяемых для получения многих органических соединений. Фторид натрия обычно добавляют в питьевую воду для того, чтобы снизить заболеваемость кариесом зубов у детей. В последние годы наиболее важное значение приобрело применение соединений фтора в фармацевтической и сельскохозяйственной областях. Селективное замещение фтора резко изменяет биологические свойства веществ.

Анализ

Сложно точно определить количество данного галогена в соединениях. Свободный фтор, валентность которого равна 1, можно выявить по его окислению ртути Hg + F₂ HgF₂, а также измеряя увеличения веса ртути и изменение объема газа. Основными качественными тестами на присутствие ионов элемента являются:

• выделение фтористого водорода под действием серной кислоты,
• образование осадка фторида кальция при добавлении раствора хлорида кальция,
• обесцвечивание желтого раствора тетраоксида титана (TiO₄) и пероксида водорода в серной кислоте.

Количественные методы анализа:

• осаждение фторида кальция в присутствии карбоната натрия и обработка осадка с помощью уксусной кислоты,
• осаждение хлорфторида свинца путем добавления хлорида натрия и нитрата свинца,
• титрование (определение концентрации растворенного вещества) с раствором нитрата тория (Th [NO₃]₄) с использованием ализаринсульфоната натрия в качестве индикатора: Th(NO₃)₄ + 4KF &harr- ThF₄ + 4KNO₃.

Ковалентно связанный фтор (валентность I), как, например, в фторуглеродах, анализировать сложнее. Это требует соединения с металлическим натрием с последующим анализом ионов F^-, как описано выше.

Свойства элемента

Напоследок приведем некоторые свойства фтора:

• Атомный номер: 9.
• Атомный вес: 18,9984.
• Возможные валентности фтора: 1.
• Температура плавления: -219,62 °C.
• Точка кипения: -188 °C.
• Плотность (1 атм, 0 °C): 1,696 г/л.
• Электронная формула фтора: 1s²2s²2p⁵_.