Фтор::Химические элементы

Атомный номер: 9

Символ: F

Относительная атомная масса:

16,9984032

Распределение электронов:

2s²2p⁵

Температура плавления: -219,62

Температура кипения: -186,11

Электроотрицательность по

Полингу / по Аллреду и Рохову:

3,98/4,10

Название: Фтор, Fluorine

Латинское название: Fluorum

Фтор (Кнунянц И. Л., академик, Фокин А. В., академик) Глава из Книги для чтения по неорганической химии.

Общие сведения и методы получения
Фтор (F) Д газ бледно-желтого цвета, относится к галогенам. Название «фтор» (по-гречески Д разрушительный) предложил Ампер, оно употребляется в настоящее время только в русской терминологии. Впервые в 1886 г. фтор выделил французский химик Муассан электролизом жидкого безводного фтороводорода, содержащего примесь кислого фторида калия KHF2.
Промышленное производство фтора началось с 30-х гг. 20-го столетия. Относится к числу наиболее распространенных в природе элементов. Среднее содержание его в земной коре составляет 6,25-10^-² %, в кислых - изверженных породах (гранитах)Д8,0-10^-²%, в основных Д 3,7-10^-2%, в ультраосновныхД1,0-10^-2% (по массе). Фтор содержится в вулканических газах, в термальных водах, в растительных и животных организмах, но главным образом входит в состав минералов. Всего известно 86 фторсодержащих минералов, важнейшими из которых являются: CaF₂Дплавикопый шпат (флюорит), содержащий 48,7% F; Na₃AlF₃ Дкриолит, содержащий 54,3% F; Ca₅F(PO₄)₃ Д фторапатит, содержащий 3,3 % F.
Главное промышленное значение имеет плавиковый шпат CaF₂, крупные месторождения которого находятся в СССР, США, Мексике, КНР, Италии, ФРГ, ГДР, Испании, Франции, Англии.
Перспективным источником получения фтора для производства минеральных удобрений являются фосфаты.
Современный промышленный метод получения фтора Д метод Муассана. Сырьем является плавиковый шпат CaF₂, из которого действием серной кислоты при 130 °С получают фтороводород HF. Готовят электролит: в расплав из бифторида калия KHF₂ вводят фтороводород до содержания 40Д41 % HF. Расплав (температура плавления 70 °С) подвергают электролизу по режиму: температура 95Д100 °С, напряжение на электродах 9Д11 В, выход по току 90Д95%. Фтор хранят как в газообразном состоянии под давлением, так и в жидком состоянии при охлаждении жидким азотом.
Токсичен, предельно допустимая концентрация в воздухе примерно 2-10^-⁴ мг/л. Воздействует на дыхательные пути, сердце, глаза, центральную нервную систему, при попадании на кожу вызывает трудно заживающие ожоги. Первая помощь при отравлении фтором заключается в кислородном дыхании; при поражении кожи Д обильные промывания водой, затем спиртом и употребление пасты из Mg(OH)₂.
Небольшие загрязнения аппаратуры (окалина, следы масла, влаги), предназначенной для работы со фтором, могут привести к воспламенению, следствием которого может быть горение материала во фторе. Поэтому все оборудование должно быть тщательно очищено и обработано газообразным фтором, для образования на поверхности защитной пленки фторида металла. Фторирование элементарным фтором следует проводить за защитными щитками, так как возможен взрыв.
Физические свойства
Атомные характеристики. Атомный номер 9, атомная масса 18,9984 а. е. м., атомный объем 14,61*10^-⁶ м³/моль, атомный радиус (ковалентный) 0,071 нм, ионный радиус F^-¹ 0,133 нм, F⁺⁷ 0,009 нм. Значение первых потенциалов ионизации (эВ): 17,418; 34,98; 62,65; сродство к электрону 3,58 эВ.
Имеет один стабильный изотоп ¹⁹F. Искусственно получено пять радиоактивных изотопов: ¹⁶F (период полураспада <1 мс); ¹⁷F (Т1/2 =70 с); ¹⁸F (Т1/2 = 111 мин); ²⁰F (Т1/2 =11,4 с); ^2IF (Т1/2 =5 с). Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов ¹⁹F<10^-³⁰ м². Среднее сечение захвата, полученное для максвелловского спектра нейтронов, составляет (3,9±2)*10^-²⁸ м². Энергия связи молекулы F₂ равна 159,6 кДж/моль. Ниже 55 К имеет кубическую решетку с периодом а=0,667 нм.
Плотность. Плотность газообразного фтора при 273 К и давлении 0,1013 МПа р=0,001б95 Мг/м³. В жидком состоянии при 86 К плотность р=1,11 Мг/м3, в конденсированном состоянии в твердой фазе при 68,9 К плотность составляет 1,300 Мг/м³. Плотность р сжиженного фтора в зависимости от температуры:

Т, К.............. 65 70 80 90 100
р, Мг/м3...... 1,640 1,610 1,540 1,470 1,390

Электрические и магнитные. Диэлектрическая постоянная е сжиженного фтора в зависимости от температуры:

Т,К.........54,7 60,51 64,41 75,01 83,21
е.......... 1,57 1,56 1,55 1,53 1,52

Тепловые и термодинамические. Температура плавления элементарного фтора Д219,б°С, температура кипения Д188,13 °С, при Д227,6 °С наблюдается фазовое превращение твердого фтора, имеющее теплоту 0,7281 ±0,0004 кДж/моль. При температуре Д188,13 °С и давлении 0,1013 МПа фтор конденсируется в жидкость желтого цвета.
Критические параметры: температура 144 К, давление 5,57 МПа. При 298 К удельная теплота плавления 13,443 кДж/кг, удельная теплота испарения 178,9 кДж/кг. Теплота испарения жидго фтора в зависимости от температуры:

Т,К .........125 95 85,03 70 53,54
ΔНисп ....107,1 155,0 165,9 186 198 кДж/кг

Удельная теплота сублимации фтора в зависимости от температуры:

Т,К............53,54 50 45,5 40 30 20
ΔНсубл......210,0 212,0 216,0 236,0 236,0 234,0

Удельная теплоемкость газообразного фтора (F₂) при 298 К и давлении 9,8*10⁴ Па Ср=828 Дж/(кг-К). Изменение удельной теплоемкости в зависимости от температуры при давлении 0,1013 МПа приведено ниже:

Т, К Ср, Дж/(кг-К)

20 683,75

40 1933,36

80 3037,69

400 868,77

600 925,89

1000 974,05

1500 998,53

Примечание. Значения Ср, приведенные слева, относятся к F, справа Д к F₂ (газ).

Температурный коэффициент объемного расширения жидкого фтора (F₂) при 73 К β=4,243*10^-3 К^-1, при температуре 55Д85 К β= 3,0*10^-3 К^-1. Теплопроводность λ в зависимости от температуры:

Т, К.................. 100       200        273         300         400         500        800       1000
λ,Вт/(м*K)...... 0,0086   0,0182    0,0248      0,0269    0,0344    0,0416    0,0628   0,0774

Газовая постоянная R=219 Дж/(кг-К), энергия диссоциации молекул F₂ при 298 К составляет 159 кДж/моль. Изменение атомной и молекулярной энтропии в зависимости от температуры:

Т, К...................................298      500          1000      1500       2000      2500      3000
Sмол F₂, Дж/(моль-К)....... 202,85   219,81     244,63    259,83    270,80    279,43   286,54
Sат(Fгaз), Дж/(моль-К).....158,76   170,36      185,39    193,97    200,00    204,65   208,45

Степень термической диссоциации молекул F₂ 0,043 при 1000 К и 0,99 при 2000 К. Поверхностное натяжение жидкого фтора при 80 К σ=14,81 мН/м. Поверхностное натяжение σ сжиженного фтора на границе с насыщенным паром в зависимости от температуры:

Т, К.............66 70 74 78
σ, мН/м...... 18,9 17,7 16,5 15,4

Динамическая вязкость η жидкого фтора в зависимости от температуры:

Т, К........ ........69,2 73,2 75,3 80,9 83,2
η, мПа*с ...... 41,40 34,90 32,80 27,50 25,50

Давление паров фтора р в зависимости от температуры:
Т, К. ................95 11О 120 130 140
р*10^-4, Па.....26,94 97,13 160,72 270,48 432,18
Оптические. Цвет твердого фтора светло-желтый. Показатель преломления F₂ n= 1,000195.
Поляризационная способность иона F^- 0,57, а поляризуемость 0,99.

Химические свойства
Нормальный электродный потенциал реакции 2F^-Д2e=F2 (газ) ф =2,85 В. Имеет высокую химическую активность, наиболее активен из всех неметаллов, обладает очень высокой реакционной способностью, в соединениях проявляет степень окисленияД 1. При низких температурах в электрическом разряде образуются фториды кислорода O₃F₄, O₃F₂, O₂F₂.
При взаимодействии фтора с разбавленным раствором NaOH образуется OF₂Дсильный фторирующий агент и окислитель.
Реакция с азотом протекает в электрическом разряде с образованием бесцветного газа трехфтористого азота NF₃, который плавится при Д208,5 °С, кипит при Д129 °С. При действии фтора на HN₃ в среде азота образуется желто-зеленый газ FN₃ с температурой плавления Д154 °С и температурой кипения Д192 °С.
С водородом взаимодействует с воспламенением (при комнатной температуре со взрывом), образуя газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде,Д фтороводород HF.
С серой взаимодействует на холоду с выделением тепла, образуя газообразные соединения S₂F₂, SF₂, SF₄ и SF₆ и жидкость S₂F₁₀. С древесным углем взаимодействует при комнатной температуре с воспламенением, с графитом Д при нагревании образуя газы CF₄, C₂F₆ к др., а также твердые соединения (CF)_n , C₄F₆. С алмазом фтор непосредственно не реагирует.
Реакции с галогенами экзотермичны. При 200Д250 °С хлор образует монофтористый хлор ClF и трехфтористый хлор CIF₃ при высокой температуре и давлении образуется пентафтористый хлор ClF₅. Bpoм и иод воспламеняются в атмосфере фтора при обычной температуре, образуя фториды галогенов BrF, BrF₃, BrF₅, IF₅, IF₇.
Получены фториды инертных газов: ксенона Д XeF₂, XeF₄, XeF₆, криптона Д KrF₂, KrF₄ и фторид радона, состав которого не установлен. Фториды ксенона Д бесцветные кристаллы, термодинамически устойчивые окислители. Фтор энергично соединяется с большинством металлов, образуя фториды. При взаимодействии со фтором щелочные и щелочноземельные металлы воспламеняются на холоду, Sn,Ti, Bi, Mo, W Д при незначительном нагревании, Hg, Pb, U, V Д при комнатной температуре, Pt Д при температуре красного каления, Fe, Сu, Al, Ni, Zn Д на холоду со фтором не взаимодействуют, так как на их поверхности образуется защитный слой фторида. При взаимодействии фтора на холоду с основными оксидами образуются, как правило, фториды и кислород. Кислотные оксиды либо присоединяют фтор, либо замещают кислород на фтор. При нагревании оксид углерода (II) СО присоединяет фтор, оксиды азота NO и NO₂ присоединяют фтор при комнатной температуре. Стекло реагирует со фтором очень медленно, в присутствии воды быстро. Вода взаимодействует со фтором по реакции 2H₂O+2F₂=4HF+O₂. Гидроксиды металлов реагируют с образованием фторида металла и кислорода. Водные растворы щелочей NaOH и КОН реагируют при 0 °С с образованием OF₂. При взаимодействии с кислотами фтор замещает водород, в солях металловД металлы; в более жестких условиях фтор вытесняет кислород из этих соединений, образуя сульфурилфторид. Фтор энергично реагирует с органическими соединениями, вступая в реакции присоединения и замещения, образуя фторорганические соединения. Электрохимический эквивалент фтора составляет 0,19689 мг/Кл. Области применения
Газообразный фтор впервые был использован для получения UF₆, с помощью которого удалось разделить изотопы урана.
Элементарный фтор применяют в жидком виде как окислитель жидких ракетных топлив. Его используют для получения: CIF₃ Д окислителя жидких ракетных топлив; SF₆Д диэлектрика; фторидов металлов Со, Ag, Mn, Sb Д фторирующих реагентов.
Фтористый водород широко используют для получения синтетического криолита (сырье для получения А1), в производстве урана, для синтеза фторуглеродов, в качестве катализатора синтеза бензина и при производстве синтетических горючих веществ, для травления стекла. Фториды азота применяют в производстве тетрафторгидразина для сварки металлов, как окислители жидких ракетных топлив. Фториды кислорода Д как сильный фторирующий и окисляющий агент.
Фтористоводородную (плавиковую) кислоту применяют как растворитель, для травления стекла, а также реагент для получения фторидов. Фторкаучуки используют для изготовления емкостей для хранения горючего, уплотнителей, колец, диафрагм, клапанов и других изделий, работающих в контакте с маслами, окислителями и другими агрессивными средами при 200 °С и выше. Фторпласты применяют в электро- и радиотехнике, авиации и ракетной технике, машиностроении, химической и атомной промышленности, в криогенной технике, в пищевой промышленности и медицине. Интересными по свойствам оказались смешанные фторхлорпроизводные метана и этана. Большая теплота испарения наряду с отсутствием токсичности позволили использовать эти соединения «фреоны» в качестве хладагентов холодильных машин. Препараты, содержащие фтор, применяют в медицинской практике в качестве противоопухолевых, антидепрессивных, наркотических и других средств.