Фтор є найлегшим членом сімейства галогенів, елементів групи 17 (VIIA) періодичної таблиці. До цієї групи також належать хлор, бром, йод і астат.
Коротка характеристика
9 електронів фтора утворюють конфігурацію 1s22s22p5. У заповненій внутрішній оболонці знаходяться 2 електрони і 7 - на зовнішній, що залишає 1 вільне місце.
Будова фтора робить його найбільш активним хімічним елементом, що реагує практично з усіма речовинами. При високих температурах і тисках він навіть вступає в реакцію з благородними газами, хоча зазвичай елементи групи 18 (VIIIA), також відомі як інертні гази, не взаємодіють з іншими речовинами.
Фтор був відкритий в 1886 році французьким хіміком Анрі Муассаном (1852-1907). Він зібрав газ, пропускаючи електричний струм через фтористий водень (H2F2).
Про те, що таке фтор, споживачі найбільше знають за двома його з 'єднаннями. Двохатомний газ використовується для отримання фторидів, сполук, які з 1950-х рр. входять до складу зубних паст. Вони ефективні в запобіганні карієсу, тому їх навіть додають у міські системи водопостачання.
Інша група з "єднань фтору - це хлорфторвуглеці (ХФУ). Протягом багатьох років вони були надзвичайно популярні як аерозольні пропеленти. Однак ХФУ у верхніх шарах атмосфери реагують з озоном (О3). Озоновий шар фільтрує шкідливе ультрафіолетове випромінювання Сонця, яке являє собою електромагнітну радіацію з довжинами хвиль, меншими довжини фіолетового спектру і, отже, з більш високою енергією, ніж у видимого світла. Тому виробництво ХФУ тепер заборонено.
Історія відкриття
Хімія завжди була небезпечною наукою. А рання хімія була смертельно небезпечним заняттям. Вчені працювали з речовинами, про які вони знали дуже мало. Відкриття нових сполук і елементів часто мало трагічні наслідки.
Фтор є надзвичайно небезпечною речовиною. Намагаючись ізолювати елемент, хіміки отримували жахливі опіки і навіть помирали. Газ фтор пошкоджує м 'які тканини дихальних шляхів.
На початку 1500-х років німецький вчений Георгій Агрікола (1494-1555) описав плавиковий шпат, який назвав "флюоритом". Це слово походить від латинського дієслова fluere ("теча"). Агрікола стверджував, що плавиковий шпат, доданий до розплавлених металевих рудів, робив їх більш рідкими, що полегшувало роботу з ними. Німецький вчений не знав, що даний мінерал містить фтор у вигляді фториду кальцію (CaF2).
Флюорит став предметом інтенсивного вивчення. У 1670 р. німецький склодув Генріх Шванхард виявив, що суміш плавикового шпата і кислоти утворює речовину, яку можна використовувати для травлення скла, тобто хімічної реакції утворення матової поверхні. Цей процес використовується для нанесення на скло візерунків, а також для створення точних наукових вимірювальних приладів.
У 1771 р. шведським хіміком Карлом Вільгельмом Шееле (1742-86) було знайдено нову речовину для цькування. Він детально описав властивості фтористоводневої кислоти (HF). Робота Шееле сприяла інтенсивному вивченню цього з 'єднання.
Хіміки шукали способи розкласти фтористоводневу кислоту на складові. Вони припускали, що повинен бути виявлений елемент, якого вони ніколи не бачили раніше. Однак вони не знали, що таке фтор і яким небезпечним він є. Багато дослідників фтористоводневої кислоти стали інвалідами, вдихнувши газоподібний HF. Один з них, бельгійський хімік Paulin Louyet (1818-1850), помер від впливу цієї речовини.
Нарешті, в 1888 р. проблема була вирішена. Французький хімік Анрі Муассан отримав розчин фтористоводневої (HF) кислоти у фториді калію (KHF2). Потім він охолодив його до -23 ° C і пропустив через нього електричний струм. На одному кінці апарату з 'явився газ. Новий хімічний елемент отримав назву fluorine, похідне від латинського найменування плавикового шпата. Слово "фтор" в 1810 р. запропонував Андре Ампер. Воно має грецьке походження і означає "знищення".
Фізичні властивості
Фтор являє собою блідо-жовтий газ з щільністю 1,695 р/л. Це робить його приблизно в 1,3 разів щільніше повітря. Фтор переходить в рідкий стан при температурі -188,13 ° C і в тверде - при -219,61 ° C. Речовина має сильний специфічний запах, схожий на запах хлору і озону, відчутним навіть у дуже малих кількостях - до 20 частин на мільярд. Ця властивість дуже корисна для тих, хто працює з фтором - газ можна виявити і уникнути шкідливого впливу при його потраплянні в приміщення.
Хімічні властивості
Енергія зв 'язку F2 набагато нижчою, ніж у Cl2 або Br2 та ідентична перекису водню. Висока електроотрицьовість є причиною дисоціації, високої реактивності і сильних хімічних зв 'язків фтора з іншими атомами. Він легко вступає у зв 'язок з будь-яким іншим елементом, крім гелію, неона і аргону. Фтор реагує з більшістю з 'єднань, часто дуже активно. Наприклад, при змішуванні з водою відбувається вибух. З цих причин у лабораторії необхідно виявляти особливу обережність.
Перебування в природі
У вільному стані елемент фтор не зустрічається. Найбільш поширеними фторвмісними мінералами є плавиковий шпат, фторапатит і кріоліт. Апатит - це складний мінерал, що містить насамперед кальцій, фосфор і кисень, як правило, у з 'єднанні з фтором. Кріоліт також відомий як гренландський шпат, оскільки острів Гренландія є єдиним комерційним джерелом цього мінералу. В основному він складається з натрійалюмінійфториду Na3ALF6.
Головними світовими виробниками сировини для отримання фтору є Китай, Мексика, Монголія і Південна Африка. Сполучені Штати колись видобували невелику кількість плавикового шпата, але остання шахта була закрита в 1995 р., і країна стала імпортувати фторвмісні руди.
У земній корі фтор міститься в достатку. Його частка оцінюється приблизно в 0,06%. Це робить його приблизно 13-м найбільш поширеним елементом у земній корі, що приблизно відповідає вмісту марганцю або барію.
Що таке фтор-19?
Хімічний елемент має тільки один природний ізотоп - 19F. Ізотопи представляють собою іншу форму елемента, що відрізняється за масовим числом, яке відповідає кількості протонів і нейтронів в ядрі атома. Кількість протонів визначає елемент, але число його нейтронів може бути різним. При цьому кожна варіація являє собою ізотоп. У фтора-19 велике гіромагнітне ставлення і виняткова чутливість до магнітних полів. Оскільки це єдиний стабільний ізотоп, він використовується в магнітно-резонансній томографії.
Відомі 17 радіоактивних ізотопів фтору. З них найбільш стабільним є 18F. Його ядра діляться з періодом напіврозпаду 109,77 хвилини. 18F іноді використовується для медичних досліджень. Потрапляючи в організм, фтор переміщується в основному в кістки. Його присутність може бути виявлена випромінюванням. Радіаційна картина дозволяє визначити стан кісткової тканини. Фтор-18 іноді використовується аналогічно вивченню функції мозку.
Отримання, визначення, використання
Промислове виробництво фтора засноване на методі Муассана. Електричний струм напругою 8-12 В пропускають через суміш HF і KF з утворенням H2 і F2.
Визначення фтора в розчинах проводиться методом потенціометрії, тобто вимірювання електродного потенціалу. Мембрана електрода виготовляється з монокристалічного LaF3, легованого дифторидами дорогоцінних металів.
У елементарному стані фтор застосовується відносно мало. Він занадто активний для цього. Використовується в ракетному паливі, забезпечуючи горіння, подібно кисню. Найбільше затребуваний у пов 'язаному стані. Фториди являють собою сполуки фтора з металом. Прикладами є фторид натрію (NaF), кальцію (CaF2) і олова (SnF2).
Захист для зубів
Фтор входить до складу зубних паст. Дослідження показали, що невелика кількість фторидів може допомогти знизити захворюваність на карієс. Вони осаджуються в міру утворення нового матеріалу зуба, що робить його сильним і стійким до руйнування.
У деяких містах фториди додаються в систему водопостачання. Чинячи таким чином, влада сподівається поліпшити стоматологічне здоров 'я городян. Найбільше від цього виграє молодь, чиї зуби все ще розвиваються. Процес додавання фторидів у систему водопостачання називається фторуванням. Занадто великий вміст фтору у воді призводить до потемнення зубів і появи постійних плям.
Користь чи шкода?
Деякі турбуються про довгостроковий вплив фторидів у громадському водопостачанні на здоров 'я населення. Вони вказують на те, що фтор є смертельною отрутою, і що його сполуки також можуть бути токсичними. Це правда, F2 дуже небезпечний, але властивості з 'єднань відрізняються від складових їх елементів. Тож занепокоєння є безпідставним.
Сильний характерний запах фтору дозволяє виявити його витік і уникнути контакту з ним.
Фториди, як правило, небезпечні тільки у великих дозах. Їх концентрація у воді зазвичай дуже мала, всього кілька частин на мільйон. Більшість експертів у галузі стоматології та охорони здоров 'я вважають, що такий фтор є корисним і не несе загрозу здоров' ю людей.
Тефлон
Випадкові відкриття відіграють велику роль у наукових дослідженнях. Прикладом вдалої і дуже прибуткової випадковості може служити матеріал тефлон - пластик, що виготовляється компанією DuPont Chemical Company. Він став важливим комерційним продуктом, тому що до нього практично майже нічого не прилипає. Сьогодні у кожного є сковороди, внутрішня поверхня яких покрита цим матеріалом, оскільки під час готування їжа не пригорає. Крім того, тефлонові сковороди не потребують рослинної або тваринної олії.
Тефлон був випадково виявлений в 1938 р. хіміком компанії "Дюпон" Роєм Планкеттом (1911-1994), який займався розробкою хлорфторвуглеців (ХФУ). Він хотів дізнатися, що станеться, якщо змішати тетрафторетилен (ТФЕ) C2F4 з хлорною кислотою. Для проведення експерименту він встановив обладнання таким чином, щоб газоподібний ТФЕ повинен був надходити в ємність з HCl. Але коли він відкрив вентиль, нічого не сталося. Планкетт міг викинути посудину, але він цього не зробив. Замість цього хімік розпиляв його і виявив, що ТФЕ полімеризувався в одну масу, тобто тисячі окремих молекул ТФЕ об 'єдналися в одну, звану політетрафторетиленом (ПТФЕ).
Планкетт вискріб утворився білий порошок і відправив його вченим "Дюпона", які займалися розробкою штучних волокон. Вони вивчили новий матеріал і виявили його антипригарні властивості. Незабаром для нового матеріалу почалася розробка низки застосувань.
Компанія DuPont зареєструвала торгову марку Teflon в 1945 р. і через рік випустила свої перші продукти. Відтоді антипригарне покриття стало звичайним на кухонному посуді, тефлон з 'явився в спреях для випічки і в якості захисту від плям для тканин і текстилю.
Хлорфторвуглеці
Елемент фтор також використовувався у виробництві фреонів. Хлорфторвуглеці виявили наприкінці 1920 року американського інженера-хіміка Томаса Мідглі-молодшого (1889-1944). Ці з 'єднання мають низку цікавих властивостей. Вони дуже стабільні і не руйнуються при використанні в промисловості. Фреон широко застосовувався в системах кондиціонування і в холодильниках, як чистячі засоби, в аерозолях і в складі спеціалізованих полімерів. Виробництво ХФУ зросло з 1 тис. т в 1935 р. до більш ніж 300 тис. т в 1965 р. і 700 тис. т в 1985 р.
Однак до середини 1980-х рр. дослідження показали, що ці сполуки завдають шкоди озоновому шару, який знаходиться на висоті від 20 до 50 км над поверхнею Землі і важливий для життя на нашій планеті, тому що захищає її від шкідливого ультрафіолетового випромінювання Сонця. Це призвело до поступового припинення виробництва і використання в більшості країн світу. З 'явилися нові, безпечні для Землі матеріали, що замінили ХФУ.
Захист всього живого
ХФУ раніше були популярними промисловими хімікатами, тому що їх важко зруйнувати. Довгий час ці речовини використовувалися в кондиціонерах і холодильниках як агент, що переносить тепло в зовнішній простір. Але вчені зрозуміли, що ХФУ становлять загрозу для озонового шару, тому що вони руйнуються. Як це можливо? Завжди є ймовірність витоку холодоагенту з кондиціонерів і холодильників. ХФУ являють собою гази або рідини, які легко випаровуються і піднімаються вгору в атмосферу. Зрештою вони досягають озонового шару.
На цій висоті під дією інтенсивного сонячного випромінювання ХФУ руйнуються. Стабільна молекула на великій висоті втрачає цю якість. При її руйнуванні виділяється атом хлору, який може вступати в реакцію з O3. Озон фільтрує шкідливе випромінювання Сонця, що викликає сильні сонячні опіки і рак шкіри. Кисень на це не здатний. Чим більше ХФУ в атмосфері, тим більше атомів хлору. Чим більше атомів хлору, тим менше молекул озону і більше ультрафіолету досягає поверхні Землі, негативно впливаючи на здоров 'я людини.
До середини 1980 років були отримані докази того, що ХФУ завдають шкоди озоновому шару. Саме це переконало політиків заборонити подальше виробництво і використання хлорфторвуглеців.
Вплив на здоров "я людини
Фтор - хімічний елемент, який може бути дуже небезпечним. При вдиханні в невеликих кількостях він викликає сильне подразнення дихальної системи (носа, горла і легенів). У великих кількостях це може призвести до смерті. Найбільша допустима доза фтору становить 1 частину на мільйон частин повітря протягом 8 годин.