№ 9 Фтор

История открытия:

Первое соединение фтора - флюорит (плавиковый шпат) CaF₂ - описано в конце XV века под названием "флюор" (от fluere - "течь", по свойству этого соединения понижать температуру плавления руды и увеличивать текучесть расплава). В 1771 году Карл Шееле получил плавиковую кислоту. Как один из элементов плавиковой кислоты, элемент фтор был предсказан в 1810 году, а выделен в свободном виде лишь 76 лет спустя Анри Муассаном в 1886 году электролизом жидкого безводного фтористого водорода, содержащего примесь кислого фторида калия KHF₂.
Название "фтор" (от греч. fqoroz - разрушение), предложенное Андре Ампером в 1810 году, употребляется в русском и некоторых других языках; во многих странах приняты названия, производные от латинского "Fluor".

Нахождение в природе, получение:

Фтор является "чистым элементом", то есть в природе содержится только изотоп фтора ¹⁹F. Известны 17 радиоактивных изотопов фтора с массовым числом от 14 до 31. Самым долгоживущим из них является ¹⁸F с периодом полураспада 109,8 минуты, важный источник позитронов, использующийся в позитрон-эмиссионной томографии.
В лабораторных условиях фтор можно получать с помощью электролиза. В медный сосуд 1, заполненный расплавом KF·3HF помещают медный сосуд 2, имеющий отверстия в дне. В сосуд 2 помещают толстый никелевый анод. Катод помещается в сосуд 1. Таким образом, в процессе электролиза, газообразный фтор выделяется из трубки 3, а водород из трубки 4. Важным требованием является обеспечение герметичности системы, для этого используют пробки из фторида кальция со смазкой из оксида свинца(II) и глицерина.
В 1986 году, во время подготовки к конференции по поводу празднования 100-летия открытия фтора, Карл Кристе открыл способ чисто химического получения фтора с использованием реакции во фтороводородном растворе K₂MnF₆ и SbF₅ при 150 °C: 2K₂MnF₆ + 4SbF₅ = 4KSbF₆ + 2MnF₃ + F₂
Хотя этот метод не имеет практического применения, он демонстрирует, что электролиз необязателен.
Промышленное производство фтора осуществляется электролизом расплава кислого фторида калия KF·3HF (часто с добавлениями фторида лития) при температуре около 100°С в стальных электролизёрах со стальным катодом и угольным анодом.

Физические свойства:

Слабо светло-оранжевый газ, в малых концентрациях запах напоминает одновременно озон и хлор, очень агрессивен и ядовит. Сжижается при 88 К, при 55 К переходит в твердое состояние с молекулярной кристаллической решёткой, которая может находиться в нескольких модификациях. Структура a-фтора (стабильная при атмосферном давлении) является моноклинной гранецентрированной.

Химические свойства:

Самый активный неметалл, бурно взаимодействует почти со всеми веществами (редкие исключения - фторопласты), и с большинством из них - с горением и взрывом. Контакт фтора с водородом приводит к воспламенению и взрыву даже при очень низких температурах (до -252°C). Фтор также способен окислять кислород образуя фторид кислорода OF₂.
С азотом фтор реагирует лишь в электрическом разряде, с платиной - при температуре красного каления. Некоторые металлы (Fe, Сu, Al, Ni, Mg, Zn) реагируют с фтором с образованием защитной плёнки фторидов, препятствующей дальнейшей реакции.
Фтор взаимодействует со многими сложными веществами. Он замещает все галогены в галогенидах, легко фторируются сульфиды, нитриды и карбиды. Гидриды металлов образуют с фтором на холоду фторид металла и HF; аммиак (в парах) - N₂ и HF. Фтор замещает водород в кислотах или металлы в их солях:
НNО₃(или NaNO₃) + F₂ => FNO₃ + HF (или NaF);
Карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов реагируют с фтором при обычной температуре; при этом получаются соответствующий фторид, СО₂ и О₂.
В атмосфере фтора горит даже вода: 2F₂ + 2H₂O = 4HF + O₂.
Фтор энергично реагирует с органическими веществами.

Важнейшие соединения:

Фтороводород - бесцветный газ с резким запахом, при комнатной температуре существует преимущественно в виде димера H₂F₂, ниже 19,9°C - бесцветная подвижная жидкость. Хорошо растворим в воде в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. Образует азеотропную смесь с концентрацией 35,4% HF, дымит на воздухе (вследствие образования с парами воды мелких капелек раствора) и сильно разъедает стенки дыхательных путей.
Фторид кислорода, OF₂ бесцветный ядовитый газ, малорастворим в воде. Получают реакцией фтора с разб. раствором щелочи: 2NaОH + 2F₂ => OF₂ + 2NaF + H₂O. Сильный окислитель.
Смесь паров воды и дифторида кислорода взрывоопасна: H₂O + OF₂ = 2HF + O₂.
Гексафторид серы, SF₆ (элегаз) - тяжелый газ, практически бесцветный, обладает высокими электроизолирующими свойствами, высоким напряжением пробоя, при этом практически инертен.
Фториды металлов - типичные соли, обычно менее растворимы, чем соответствующие хлориды, но AgF лучше растворим, чем другие галогениды серебра.

Применение:

Газообразный фтор используется для получения:
    - гексафторида урана UF₆ из UF₄, применяемого для разделения изотопов урана для ядерной промышленности,
    - OF₂, трёхфтористый хлор ClF₃ - фторирующие агенты и мощные окислители ракетного топлива,
    - шестифтористой серы SF₆ - газообразный изолятор в электротехнической промышленности,
    - фреонов - хороших хладагентов,
    - тефлонов - химически инертных полимеров,
    - гексафтороалюмината натрия - для последующего получения алюминия электролизом и т.д.

Осипов Антон Анатольевич
ХФ ТюмГУ, 561/2 группа