Какво е флуорид? Свойства на химичния елемент
Флуорът е най-лекият член на халогенното семейство, елементи от група 17 (VIIA) на периодичната таблица. Тази група включва също хлор, бром, йод и астатин.
Кратко описание
9 флуорни електрона формират конфигурацията 1s 2 2s 2 2p 5 . В напълнената вътрешна обвивка има 2 електрона и 7 - на външната, което оставя 1 свободно пространство.
Структурата на флуора го прави най-активният химичен елемент, който реагира с почти всички вещества. При високи температури и налягания той дори реагира с благородни газове, въпреки че обикновено елементите от група 18 (VIIIA), известни също като инертни газове, не взаимодействат с други вещества.
Флуорът е открит през 1886 г. от френския химик Анри Муисан (1852-1907). Той събира газа, прекарвайки електрически ток през водородния флуорид (H2F2).
Потребителите знаят най-много за флуора заради неговите две съединения. Двуатомният газ се използва за производството на флуориди, съединения от 50-те години. част от пастите за зъби. Те са ефективни за предотвратяване на кариес, така че те дори се добавят към градските водни системи.
Друга група флуорни съединения са хлорфлуорвъглеводороди (CFCs). В продължение на много години те са изключително популярни като аерозолни горива. Въпреки това, CFCs в горните слоеве на атмосферата реагират с озон (O 3 ). Озонов слой филтри вредни ултравиолетова радиация Слънцето, което е електромагнитно излъчване с дължини на вълните по-къси от виолетовия спектър и следователно с по-висока енергия от тази на видимата светлина. Затова производството на CFC вече е забранено.
История на откриването
Химията винаги е била опасна наука. А ранната химия беше смъртоносна професия. Учените работеха с вещества, за които знаеха много малко. Откриването на нови съединения и елементи често имаше трагични последствия.
Флуорът е изключително опасно вещество. Опирайки се да изолират елемента, химиците получиха ужасни изгаряния и дори умряха. Флуорният газ уврежда меките тъкани на дихателните пътища.
В началото на 1500-те години немският учен Джордж Агрикола (1494-1555) описва флуорошпата, който той нарича "флуорит". Тази дума идва от латинския глагол fluere (“поток”). Агрикола твърди, че флуоритът, добавен към разтопените метални руди, ги прави по-течни, което улеснява работата с тях. Немският учен не знае, че този минерал съдържа флуорид под формата на калциев флуорид (CaF 2 ).
Флуоритът е бил обект на интензивно проучване. През 1670 г. германският стъклодув Хайнрих Шванхард открива, че смес от флуорошпат и киселина образува вещество, което може да се използва за ецване на стъкло, т.е. химическа реакция за образуване на матова повърхност. Този процес се използва за нанасяне на шаблони върху стъкло, както и за създаване на точни научни измервателни уреди.
През 1771 г. шведският химик Карл Вилхелм Шеле (1742-86) открива нова ецваща субстанция. Той подробно описа свойствата на флуороводородна киселина (HF). Работа Scheele допринесе за интензивното проучване на това съединение.
Химиците търсят начини за разлагане на флуороводородна киселина в нейните съставки. Те предположили, че трябва да се открие елемент, който никога преди не са виждали. Въпреки това, те не знаеха какво е флуорид и колко е опасно. Много изследователи на флуороводородна киселина са станали инвалиди чрез вдишване на газообразни HF. Един от тях, белгийският химик Паулин Луи (1818-1850), умира от въздействието на това вещество.
И накрая, през 1888 г. проблемът беше решен. Френският химик Хенри Муасан получава разтвор на флуороводородна киселина (HF) в калиев флуорид (KHF 2 ). След това го охлажда до -23 ° С и преминава през него електрически ток. На единия край на апарата се появи газ. Нов химически елемент се нарича флуор, получен от латинското наименование флуорошпат. Думата "флуор" през 1810 г. е предложена от Андре Ампер. Той е от гръцки произход и означава "унищожение".
Физични свойства
Флуорът е бледожълт газ с плътност от 1,695 g / l. Това го прави около 1,3 пъти по-плътен от въздуха. Флуорът влиза в течно състояние при -188.13 ° С и твърдо вещество при -219.61 ° С. Веществото има силна специфична миризма, подобна на миризмата на хлор и озон, забележима дори в много малки количества - до 20 части на милиард. Това свойство е много полезно за тези, които работят с флуор-газ могат да бъдат открити и избегнати вредни ефекти, когато влезе в стаята.
Химични свойства
Енергията на свързване на F2 е много по-ниска от тази на С1 или Br2 и е идентична с водородния пероксид. Високата електронегативност причинява дисоциация, висока реактивност и силни химически връзки между флуор и други атоми. Лесно влиза в контакт с всеки друг елемент, с изключение на хелий, неон и аргон. Флуорът реагира с повечето съединения, често много активно. Например, когато се смеси с вода, възниква експлозия. Поради тези причини трябва да се обърне специално внимание в лабораторията.
Да бъдеш в природата
В свободното състояние елементът флуор не е намерен. Най-често срещаните флуор-съдържащи минерали са флуорошпат, флуорапатит и криолит. Апатитът е комплексен минерал, съдържащ предимно калций, фосфор и кислород, обикновено в комбинация с флуор. Криолитът е известен още като Гренландия, тъй като Гренландия е единственият търговски източник на този минерал. Състои се главно от натриев алуминиев флуорид Na 3 ALF 6 .
Основните световни производители на суровини за производството на флуор са Китай, Мексико, Монголия и Южна Африка. САЩ веднъж добиваха малко количество флуорошпат, но последната мина беше затворена през 1995 г. и страната започна да внася флуоридни руди.
Флуорът е изобилен в земната кора. Неговият дял се оценява на около 0,06%. Това го прави около 13-тия най-често срещан елемент в земната кора, който приблизително съответства на съдържанието на манган или барий.
Какво е флуор-19?
Химичният елемент има само един естествен изотоп - 19 F. Изотопите представляват друга форма на елемента, различаваща се по масово число, което съответства на броя на протоните и неутроните в ядрото на атома. Броят на протоните определя елемента, но броят на нейните неутрони може да бъде различен. Освен това, всяка промяна е изотоп. Флуор-19 има голямо гиромагнитно съотношение и изключителна чувствителност към магнитни полета. Тъй като това е единственият стабилен изотоп, той се използва при магнитен резонанс.
Известни са 17 радиоактивни изотопа флуор. От тях най-стабилната е 18 F. Нейните ядра са разделени с полуживот от 109.77 минути. 18 F понякога се използва за медицински изследвания. Веднъж попаднали в тялото, флуоридът се движи главно до костите. Нейното присъствие може да бъде открито чрез излъчването, което излъчва. Радиационният модел позволява да се определи състоянието на костната тъкан. Флуор-18 понякога се използва подобно на изследването на мозъчната функция.
Получаване, определяне, използване
Промишленото производство на флуорид се основава на метода Moissan. Електрически ток от 8-12 V преминава през смес от HF и KF, за да се образуват Н2 и F2.
Флуорът се определя в разтвори чрез потенциометрия, т.е. чрез измерване на електродния потенциал. Електродната мембрана е направена от монокристален LaF 3, легиран с дифлуориди от благородни метали.
В елементарното състояние, флуорът се използва сравнително малко. Той е твърде активен за това. Използва се в ракетно гориво, осигуряващо горене, подобно на кислород. Най-търсени в обвързано състояние. Флуоридите са съединения на флуор и метал. Примери за това са натриев флуорид (NaF), калций (CaF2) и калай (SnF2).
Защита на зъбите
Флуоридът е част от пастите за зъби. Проучванията показват, че малко количество флуорид може да помогне за намаляване на случаите на кариес. Те се отлагат като образуване на нов зъбен материал, което го прави силен и устойчив на разрушаване.
В някои градове флуоридът се добавя към водоснабдителната система. По този начин властите се надяват да подобрят зъбното здраве на гражданите. Преди всичко младите хора, чиито зъби все още се развиват, се възползват от това. Процесът на добавяне на флуорид към водната система се нарича флуориране. Твърде много флуорид във водата води до потъмняване на зъбите и поява на постоянни петна.
Добро или лошо?
Някои се тревожат за дългосрочното въздействие на флуорида в обществените водоснабдявания за общественото здраве. Те показват, че флуорът е смъртоносна отрова и че неговите съединения също могат да бъдат токсични. Това е вярно, че F 2 е много опасно, но свойствата на съединенията са различни от съставните им елементи. Така че безпокойството е неоснователно.
Силният характерен мирис на флуор позволява да се открие неговото изтичане и да се избегне контакт с него.
Флуоридите обикновено са опасни само в големи дози. Концентрацията им във вода обикновено е много малка, само няколко ppm. Повечето експерти в областта на стоматологията и здравеопазването считат, че този флуорид е полезен и не представлява заплаха за човешкото здраве.
тефлон
Случайните открития играят голяма роля в научните изследвания. Пример за успешна и много печеливша авария може да послужи като материал тефлон - пластмаса, произведена от DuPont Chemical Company. Тя се превърна във важен търговски продукт, защото почти нищо не се придържа към него. Днес всеки има тиган, чиято вътрешна повърхност е покрита с този материал, защото храната не се залепва по време на готвене. Освен това тефлоновите тигани не се нуждаят от растително или животинско масло.
Тефлон е случайно открит през 1938 г. от химик в DuPont, Roy Plunkett (1911–1994), който разработва хлорофлуоровъглероди (CFCs). Той искаше да знае какво ще стане, ако смеси тетрафлуоретилен (TFE) C 2 F 4 с хлорна киселина. За експеримента той инсталира оборудването така, че газообразният TPV да се влива в HCl резервоара. Но когато отвори клапана, нищо не се случи. Плънет можеше да изхвърли кораба, но не го направи. Вместо това, химикът го е разрязал и е установил, че TFE полимеризира в една маса, т.е. хиляди отделни молекули TFE, обединени в един, наречен политетрафлуоретилен (PTFE).
Plunkett остъргва получения бял прах и го изпраща на учени от DuPont, които развиват изкуствени влакна. Те проучиха новия материал и откриха неговите антиприлепни свойства. Скоро започна разработването на редица приложения за новия материал.
DuPont регистрира търговската марка Teflon през 1945 г. и година по-късно пуска първите си продукти. Оттогава неприлепващото покритие се е превърнало в обичайно за кухненските прибори, тефлонът се появява в спрейове за печене и като защита на петна за текстил и текстил.
хлорфлуорвъглеводороди
Елементът флуор също се използва при производството на фреон. Хлорофлуоровъглероди са открити в края на 20-те години на 20 век от американския инженер по химикали Томас Мидгли младши (1889-1944). Тези съединения притежават редица интересни свойства. Те са много стабилни и не се сриват, когато се използват в промишлеността. Фреонът се използва широко в климатични системи и хладилници, като почистващи средства, в аерозоли и като част от специализирани полимери. Производството на CFC нараства от 1 хил. Тона през 1935 г. до над 300 хил. Тона през 1965 г. и 700 хил. Тона през 1985 г.
Въпреки това, до средата на 80-те години. Проучванията показват, че тези съединения причиняват щети на озоновия слой, който е на височина от 20 до 50 км над земната повърхност и е важен за живота на нашата планета, защото го предпазва от вредното ултравиолетово излъчване от слънцето. Това доведе до постепенно прекратяване на производството и употребата в повечето страни по света. Появиха се нови, безопасни за Земята материали, които заменят CFC.
Защита на всички живи същества
CFCs са били популярни промишлени химикали, защото са трудни за унищожаване. Дълго време тези вещества се използват в климатици и хладилници като агент, който пренася топлината навън. Но учените осъзнаха, че ХФУ представляват заплаха за озоновия слой, защото се унищожават. Как е възможно това? Винаги има възможност за изтичане на хладилен агент от климатици и хладилници. CFCs са газове или течности, които се изпаряват лесно и се издигат в атмосферата. В крайна сметка достигат до озоновия слой.
На тази височина, под въздействието на силна слънчева радиация, ХФУ се унищожават. Молекула, която е стабилна на земята, губи това качество на голяма надморска височина. Когато се унищожи, се освобождава хлорен атом, който може да реагира с О3. Озонът филтрира вредното лъчение на слънцето, причинявайки тежки слънчеви изгаряния и рак на кожата. Кислородът не е способен на това. Колкото повече CFC в атмосферата, толкова повече хлорни атоми. Колкото повече са хлорните атоми, толкова по-малки са озоновите молекули и повече ултравиолетови лъчи достигат земната повърхност, оказвайки отрицателно въздействие върху човешкото здраве.
До средата на 80-те години на миналия век са получени доказателства, че ХФУ увреждат озоновия слой. Това е, което убеждава политиците да забранят по-нататъшното производство и използване на хлорфлуорвъглеводороди.
Въздействие върху човешкото здраве
Флуорът е химичен елемент, който може да бъде много опасен. Вдишването в малки количества причинява силно дразнене на дихателната система (носа, гърлото и белите дробове). В големи количества това може да доведе до смърт. Най-високата допустима доза флуорид е 1 част на милион части въздух за 8 часа.