Фтор
Фтор
Министерство образования и науки РФ
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ
«ФТОР»
Выполнил:
Проверил:
-2007-
ФТОР (лат. Fluorum), F, химический элемент с
атомным номером 9, атомная масса 18,998403. Природный фтор состоит из одного
стабильного нуклида 19F. Конфигурация внешнего электронного слоя 2s2p5. В
соединениях проявляет только степень окисления –1 (валентность I). Фтор
расположен во втором периоде в группе VIIА периодической системы элементов
Менделеева, относится к галогенам.
1.Общая характеристика.
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). По шкале Полинга электроотрицательность фтора 4 (самое высокое
значение среди всех элементов). Фтор — самый активный неметалл.
2.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. Во всех соединениях фтор проявляет только одну степень
окисления –1.
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 (H):
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 (Si) — фторид SiF4,
с бором — трифторид BF3. При взаимодействии фтора с серой (S)
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 (Br) и иод (I) воспламеняются в атмосфере фтора при обычной
температуре, а хлор (Cl) взаимодействует с фтором при нагревании до 200-250°С.
Не реагируют со фтором непосредственно, кроме
указанных инертных газов, также азот (N), кислород (O), алмаз, углекислый и
угарный газы.
Косвеным путем получен трифторид азота NF3
и фториды кислорода О2F2 и OF2, в которых
кислород имеет необычные степени окисления +1 и +2.
При взаимодействии фтора с углеводородами
происходит их деструкция, сопровождающаяся получением фторуглеводородов
различного состава.
При небольшом нагревании (100-250°C) фтор реагирует
с серебром (Ag), ванадием (V), рением (Re) и осмием (Os). С золотом (Au),
титаном (Ti), ниобием (Nb),хромом (Cr) и некоторыми другими металлами реакция с
участием фтора начинает протекать при температуре выше 300-350°C. С теми
металлами, фториды которых нелетучи (алюминий (Al)железо (Fe), медь (Cu) 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.
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 (Na), hкалий (K), кальций (Ca) 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 (Pt) и иридия (Ir). При этом каждый грамм полученного фтора «съедал»
до 6 г платины. Позднее Муассан стал использовать значительно более дешевый
медный электролизер. Фтор реагирует с медью (Cu), но при реакции образуется
тончайшая пленка фторида, которая препятствует дальнейшему разрушению металла.
3.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.
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 (Cl)). 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.
Применение: фтор широко применяют как фторирующий
агент при получении различных фторидов (SF6, BF3, WF6
и других), в том числе и соединений инертных газов >ксенона (Xe) и криптона
(Kr). Гексафторид урана UF6 применяется для разделения изотопов
урана (U). 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.
4.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.
|
|