Хімічны элемент фтор: валентнасць, ўласцівасці, характарыстыка

Фтор (F) - найбольш рэактыўны хімічны элемент і самы лёгкі галаген групы 17 (VIIa) перыядычным табліцы. Дадзеная характарыстыка фтору тлумачыцца яго здольнасцю прыцягваць электроны (гэта самы электраадмоўны элемент) і невялікім памерам яго атамаў.

Гісторыя адкрыцця

Фторзмяшчальныя мінерал плавікавай шпат быў апісаны ў 1529 годзе нямецкім лекарам і мінералогіі Георгіем Агриколой. Верагодна, што плавікавай кіслата была ўпершыню атрымана невядомым ангельскай шкловыдзімальнікі у 1720 г. А ў 1771 г. шведскі хімік Карл Вільгельм Шэель атрымаў неабчышчаную плавікавую кіслату пры награванні плавікавай шпата з канцэнтраванай сернай кіслатой ў шкляной реторты, якая ў значнай ступені корродировала пад дзеяннем атрыманага прадукту . Таму ў далейшых эксперыментах выкарыстоўваліся посуд з металу. Амаль бязводныя кіслата была атрымана ў 1809 годзе, а праз два гады французскі фізік Андрэ-Мары Ампер выказаў здагадку, што гэта злучэнне вадароду з невядомым элементам, аналагічным хлору, для якога ён прапанаваў назву фтор з грэцкага φθόριος, «разбуральны». Плавікавай шпат апынуўся фтарыдаў кальцыя.

Вылучэнне фтору заставалася адной з галоўных нявырашаных праблем неарганічнай хіміі да 1886 года, калі французскі хімік Анры Муассан атрымаў элемент электролізам раствора гидрофторида калія ць фтороводороде. За гэта ў 1906 годзе ён атрымаў Нобелеўскую прэмію. Цяжкасць у звароце з гэтым элементам і таксічныя ўласцівасці фтору спрыялі павольнага прагрэсу ў галіне хіміі гэтага элемента. Аж да Другой сусветнай вайны ён быў лабараторнай дзівоцтвам. Затым, аднак, выкарыстанне гексафторида ўрану пры падзеле ізатопаў ўрану нароўні з ростам прамысловага значэння арганічных злучэнняў дадзенага элемента, зрабіла яго хімікатаў, які прыносіць значную карысць.

распаўсюджанасць

Фторзмяшчальныя плавікавай шпат (флюорит, CaF ₂₎ на працягу многіх стагоддзяў выкарыстоўваўся ў якасці флюсу (ачышчальнага сродкі) у металургічных працэсах. Мінерал пасля апынуўся крыніцай элемента, які быў таксама названы флуором. Бясколерныя празрыстыя крышталі флюорита пры асвятленні маюць сіняватае адценне. Гэта ўласцівасць вядома пад назвай флуарэсцэнцыі.

Фтор - элемент, які сустракаецца ў прыродзе толькі ў выглядзе яго хімічных злучэнняў, за выключэннем надзвычай невялікіх колькасцяў вольнага элемента ў плавікавай шпат, які зазнаў ўздзеяння выпраменьвання радыя. Змест элемента ў зямной кары складае каля 0,065%. Асноўнымі фторзмяшчальныя мінераламі з'яўляюцца плавікавай шпат, криолит (Na ₃ AlF _6), фторапатит (Са ₅ [PO _{4] 3} [F, Cl]), тапаз (Al ₂ SiO ₄ [F, OH] ₂₎ і лепидолит.

Фізічныя і хімічныя ўласцівасці фтору

Пры пакаёвай тэмпературы фтор з'яўляецца газам бледна-жоўтага колеру з раздражняльным пахам. Ўдыханне яго небяспечна. Пры астуджэнні ён становіцца жоўтай вадкасцю. Існуе толькі адзін стабільны ізатоп гэтага хімічнага элемента - фтор-19.

Першая энергія іянізацыі дадзенага галаген вельмі высокая (402 ккал / моль), што складае стандартную цеплыню адукацыі катыёну F ⁺ 420 ккал / моль.

Невялікі памер атама элемента дазваляе размясціць іх адносна вялікая колькасць вакол цэнтральнага атама з адукацыяй мноства ўстойлівых комплексаў, напрыклад, гексафторсиликата (SiF ₆₎ ^2- і гексафторалюмината (AlF ₆₎ ^3-. Фтор - элемент, які валодае найбольш моцнымі акісляецца ўласцівасцямі. Ні адно іншае рэчыва не здольна акісліць фтарыд-аніёны, каб ён ператварыўся ў свабодны элемент, і па гэтай прычыне элемент не знаходзіцца ў вольным стане ў прыродзе. Дадзеная характарыстыка фтору на працягу больш за 150 гадоў не дазваляла атрымаць яго ніводным хімічным метадам. Гэта ўдалося толькі за кошт выкарыстання электролізу. Тым не менш у 1986 годзе амерыканскі хімік Карл Крайст паведаміў аб першым «хімічным» атрыманні фтору. Ён выкарыстаў K ₂ MnF ₆ і пентафторид сурмы (SbF _5), якія могуць быць атрыманы з раствораў HF.

Фтор: валентнасць і ступень акіслення

Знешняя абалонка галагенаў ўтрымлівае неспаренного электрон. Вось чаму валентнасць фтору ў злучэннях роўная адзінцы. Аднак атамы элементаў групы VIIa могуць павялічваць колькасць такіх электронаў да 7. Максімальная валентнасць фтору і яго ступень акіслення роўныя -1. Элемент не здольны пашырыць сваю валентную абалонку, так як у яго атама адсутнічае d-арбіталей. Іншыя галагены дзякуючы яе наяўнасці здольныя праяўляць валентнасць аж да 7.

Высокая Акісляльная здольнасць элемента дазваляе дасягаць максімальна магчымай ступені акіслення ў іншых элементах. Фтор (валентнасць I) можа ўтвараць злучэння, якіх не існуе ні ў якіх іншых галагенідаў: дифторид срэбра (AgF _2), трифторид кобальту (CoF _3), гептафторид рения (ReF _7), пентафторид брому (BrF ₅₎ і гептафторид ёду (IF _7).

злучэння

Формула фтору (F ₂₎ складзена з двух атамаў элемента. Ён можа ўступаць у злучэнні з усімі іншымі элементамі, акрамя гелія і неону, утвараючы іённыя або кавалентным фтарыды. Некаторыя металы, такія як нікель, хутка пакрываюцца пластом гэтага галаген, што прадухіляе далейшую сувязь металу з элементам. Некаторыя сухія металы, такія як мяккая сталь, медзь, алюміній або монель (66% нікеля і 31,5% сплаву медзі) пры звычайных тэмпературах з фторам не рэагуюць. Для працы з элементам пры тэмпературах да 600 ° C падыходзіць монель; спеченный глинозем устойлівы да 700 ° C.

Фторуглеродных алею з'яўляюцца найбольш прыдатнымі змазачнымі матэрыяламі. Элемент бурна рэагуе з арганічнымі рэчывамі (напрыклад, гумай, дрэвам і тканінамі), таму кантраляванае фтараванне арганічных злучэнняў элементарным фторам магчыма толькі пры прыняццi спецыяльных мер засцярогі.

вытворчасць

Плавікавай шпат з'яўляецца галоўнай крыніцай фтору. У вытворчасці фторыстага вадароду (HF) Порошкообразный флюорит пераганяюць з канцэнтраванай сернай кіслатой ў свінцовым або чыгунным апараце. У ходзе перагонкі утворыцца сульфат кальцыя (CaSO _4), нерастваральны ў HF. Фторысты вадарод атрымліваюць у досыць бязводнай стане шляхам фракцыйнай перагонкі ў медных або сталёвых посудзе і захоўваюць у сталёвых балонах. Звычайнымі прымешкамі ў прамысловым фтороводороде з'яўляюцца сярністая і серная кіслаты, а таксама кремнефтористоводородная кіслата (H ₂ SiF _6), якія ўтвараюцца з-за наяўнасці ў плавікавай шпат кремнезема. Сляды вільгаці могуць быць выдаленыя шляхам электролізу з выкарыстаннем плацінавых электродаў, апрацоўкай элементарным фторам або захоўваннем над больш моцнай кіслатой Люіса (MF _5, дзе М - метал), якая можа ўтвараць солі (Н ₃ О) ⁺ (MF ₆₎ ^-: Н ₂ Аб + SbF ₅ + HF → (Н ₃ О) ⁺ (SbF ₆₎ ^-.

Фторысты вадарод выкарыстоўваюць у падрыхтоўцы мноства прамысловых неарганічных і арганічных злучэннях фтору, напрыклад, натрийфторидалюминия (Na ₃ AlF _6), які выкарыстоўваецца ў якасці электраліта пры выплаўленні металічнага алюмінія. Раствор газападобнага фторыстага вадароду ў вадзе называецца плавікавай кіслатой, вялікая колькасць якой прымяняецца пры ачыстцы металаў і для паліроўкі, надання матавасці шкле або для яго тручэння.

Атрыманне вольнага элемента ажыццяўляецца з дапамогай электралітычныя працэдур у адсутнасць вады. Як правіла, яны маюць форму электролізу расплаву фтарыду калію фтарыдаў вадароду (у суадносінах 1 да 2,5-5) пры тэмпературах 30-70, 80-120 або 250 ° C. Падчас працэсу ўтрыманне фтороводорода ў электраліце памяншаецца, і тэмпература плаўлення павышаецца. Таму неабходна, каб яго даданне адбывалася бесперапынна. У высокатэмпературнай камеры электраліт замяняецца, калі тэмпература перавысіць 300 ° C. Фтор можна бяспечна захоўваць пад ціскам у балонах з нержавеючай сталі, калі клапаны цыліндраў вольныя ад слядоў арганічных рэчываў.

выкарыстанне

Элемент выкарыстоўваецца для вытворчасці розных фтарыдаў, такіх як трифторид хлору (ClF _3), гексафторид серы (SF ₆₎ або трифторид кобальту (CoF _3). Злучэння хлору і кобальту з'яўляюцца важнымі фторирующими агентамі арганічных злучэнняў. (Пры наяўнасці адпаведных мер засцярогі для гэтага можа быць выкарыстаны непасрэдна фтор). Гексафторид серы выкарыстоўваецца ў якасці газападобнага дыэлектрыка.

Элементарны фтор, часта разведзены азотам, уступае ў рэакцыю з вуглевадародамі з адукацыяй адпаведных фторуглеродов, у якіх частку або ўвесь вадарод замяшчаецца галагенавыя. Атрыманыя злучэння, як правіла, характарызуюцца высокай стабільнасцю, хімічнай інэртнасцю, высокім электрычным супрацівам, а таксама іншымі каштоўнымі фізіка-хімічнымі ўласцівасцямі.

Фтараванне можна вырабіць таксама шляхам апрацоўкі арганічных злучэнняў трифторидом кобальту (CoF ₃₎ ці электролізам іх раствораў у бязводнай фторыстага вадародзе. Карысныя пластыкі з антіпрігарная ўласцівасцямі, такія як политетрафторэтилен [(CF ₂ CF _{2) х],} вядомыя пад камерцыйным назвай тефлон, атрымліваюць з ненасычаных фтарыраваны вуглевадародаў.

Арганічныя злучэнні, якія змяшчаюць хлор, бром або ёд, фторируют для атрымання такіх рэчываў, як дихлордифторметан (Cl ₂ CF _2), хладагент, які шырока ўжываўся ў бытавых халадзільніках і кандыцыянерах. Так як хлёрфторвугляроды, такія як дихлордифторметан, гуляюць актыўную ролю ў знясіленні азонавага пласта, іх вытворчасць і прымяненне было абмежавана, і цяпер перавага аддаецца холадагенту, якія змяшчаюць Гідрафторвугляроды.

Элемент таксама выкарыстоўваецца для атрымання гексафторида ўрану (UF _6), які выкарыстоўваецца ў газавым дыфузійных працэсаў аддзялення ўрану-235 ад ўрану-238 пры вытворчасці ядзернага паліва. Фтороводород і трифторид бору (BF ₃₎ вырабляюцца ў прамысловых маштабах, так як яны з'яўляюцца добрымі каталізатарамі для рэакцый алкілавання, якія ўжываюцца для атрымання многіх арганічных злучэнняў. Фтарыд натрыю звычайна дадаюць у пітную ваду для таго, каб знізіць захворванне карыесам зубоў у дзяцей. У апошнія гады найбольш важнае значэнне набыло прымяненне злучэнняў фтору ў фармацэўтычнай і сельскагаспадарчай галінах. Селектыўнае замяшчэнне фтору рэзка змяняе біялагічныя ўласцівасці рэчываў.

аналіз

Складана дакладна вызначыць колькасць дадзенага галаген ў злучэннях. Свабодны фтор, валентнасць якога роўная 1, можна выявіць паводле яго акісленню ртуці Hg + F ₂ → HgF _2, а таксама вымераючы павелічэння вагі ртуці і змяненне аб'ёму газу. Асноўнымі якаснымі тэстамі на прысутнасць іёнаў элемента з'яўляюцца:

• вылучэнне фторыстага вадароду пад дзеяннем сернай кіслаты,
• адукацыя асадка фтарыду кальцыя пры даданні раствора хларыду кальцыя,
• абескаляроўванне жоўтага раствора тетраоксида тытана (TiO ₄₎ і пераксіду вадароду ў сернай кіслаце.

Колькасныя метады аналізу:

• асаджэнне фтарыду кальцыя ў прысутнасці карбанату натрыю і апрацоўка асадка з дапамогай воцатнай кіслаты,
• асаджэнне хлорфторида свінцу шляхам дадання хларыду натрыю і нітрату свінцу,
• тытраванне (вызначэнне канцэнтрацыі растворанага рэчыва) з растворам нітрату торыя (Th [NO _{3] 4)} з выкарыстаннем ализаринсульфоната натрыю ў якасці індыкатара: Th (NO _{3) 4} + 4KF ↔ ThF ₄ + 4KNO _3.

Кавалентна звязаны фтор (валентнасць I), як, напрыклад, у фторуглеродах, аналізаваць складаней. Гэта патрабуе злучэння з металічным натрыем з наступным аналізам іёнаў F ^-, як апісана вышэй.

ўласцівасці элемента

Напрыканцы прывядзем некаторыя ўласцівасці фтору:

• Атамны нумар: 9.
• Атамны вага: 18,9984.
• Магчымыя валентнасці фтору: 1.
• Тэмпература плаўленьня: -219,62 ° C.
• Кропка кіпення: -188 ° C.
• Шчыльнасць (1 атм, 0 ° C): 1,696 г / л.
• Электронная формула фтору: 1s ² 2s ² 2p _^5.