Хімічний елемент фтор: валентність, властивості, характеристика

Фтор (F) - найбільш реактивний хімічний елемент і найлегший галоген групи 17 (VIIa) періодичної таблиці. Дана характеристика фтору пояснюється його здатністю залучати електрони (це найбільш електронегативний елемент) і невеликим розміром його атомів.

Історія відкриття

фторсодержащий мінерал плавиковий шпат був описаний в 1529 році німецьким лікарем і мінералогом Георгієм Агріколой. Ймовірно, що плавикова кислота була вперше отримана невідомим англійським склодувом в 1720 р А в 1771 р шведський хімік Карл Вільгельм Шеєле отримав неочищену плавиковий кислоту при нагріванні плавиковогошпату з концентрованої сірчаної кислотою в скляній реторти, яка в значній мірі корродировать під дією отриманого продукту. Тому в подальших експериментах використовувалися судини з металу. Майже безводна кислота була отримана в 1809 році, а через два роки французький фізик Андре-Марі Ампер припустив, що це сполука водню з невідомим елементом, аналогічним хлору, для якого він запропонував назву фтор з грецького &phi-&theta- &rho-&iota-&omicron-&sigmaf-, «руйнує». Плавиковий шпат виявився фторидом кальцію.

Виділення фтору залишалося однією з головних невирішених проблем неорганічної хімії до 1886 року, коли французький хімік Анрі Муассан отримав елемент електролізомрозчину гідрофторид калію у Фтороводород. За це в 1906 році він отримав Нобелівську премію. Труднощі в поводженні з цим елементом і токсичні властивості фтору сприяли повільному прогресу в області хімії цього елемента. Аж до Другої світової війни він був лабораторної дивиною. Потім, однак, використання гексафториду урану при поділі ізотопів урану поряд з ростом промислового значення органічних сполук даного елемента, зробило його хімікатом, який приносить значну користь.

поширеність

Фторсодержащий плавиковий шпат (флюорит, CaF₂) Протягом багатьох століть використовувався в якості флюсу (засобу для чищення) в металургійних процесах. Мінерал згодом виявився джерелом елемента, який був також названий флуором. Безбарвні прозорі кристали флюориту при освітленні мають синюватий відтінок. Це властивість відомо під назвою флуоресценції.

Фтор - елемент, який зустрічається в природі тільки у вигляді його хімічних сполук, за винятком надзвичайно невеликих кількостей вільного елементу в плавикового шпату, що піддалося впливу випромінювання радію. Зміст елемента в земній корі становить близько 0,065%. Основними фторвмісними мінералами є плавиковий шпат, кріоліт (Na₃AlF₆), Фторапатит (Са₅[PO₄]₃ [F, Cl]), топаз (Al₂SiO₄[F, OH]₂) І лепідоліт.

Фізичні та хімічні властивості фтору

При кімнатній температурі фтор є газом блідо-жовтого кольору з запахом дратівливим. Вдихання його небезпечно. При охолодженні він стає жовтою рідиною. Існує тільки один стабільний ізотоп цього хімічного елемента - фтор-19.

Перша енергія іонізації даного галогену дуже висока (402 ккал / моль), що становить стандартну теплоту освіти катіона F⁺420 ккал / моль.

Невеликий розмір атома елемента дозволяє розмістити їх відносно велика кількість навколо центрального атома з утворенням безлічі стійких комплексів, наприклад, гексафторсіліката (SiF₆)² і гексафторалюміната (AlF₆)³. Фтор - елемент, який володіє найбільш сильними окислювальними властивостями. Жодне інше речовина не здатне окислити фторид-аніон, щоб він перетворився в вільний елемент, і з цієї причини елемент чи не знаходиться у вільному стані в природі. Дана характеристика фтору протягом більше 150 років не дозволяла отримати його жодним хімічним методом. Це вдалося тільки за рахунок використання електролізу. Проте в 1986 р американський хімік Карл Крайст повідомив про перший «хімічному» отриманні фтору. Він використовував K₂MnF₆ і пентафторид сурми (SbF₅), Які можуть бути отримані з розчинів HF.

Фтор: валентність і ступінь окиснення

Зовнішня оболонка галогенів містить неспарених електронів. Ось чому валентність фтору в сполуках дорівнює одиниці. Однак атоми елементів групи VIIa можуть збільшувати кількість таких електронів до 7. Максимальна валентність фтору і його ступінь окислення рівні -1. Елемент не здатний розширити свою валентну оболонку, так як у його атома відсутня d-орбіталь. Інші галогени завдяки її наявності здатні виявляти валентність аж до 7.

Відео: Характеристика елементів за положенням в таблиці Менделєєва. Центр онлайн-навчання «Фоксфорд»

Висока окислювальна здатність елемента дозволяє досягати максимально можливій мірі окислення в інших елементах. Фтор (валентність I) може утворювати сполуки, яких не існує ні в яких інших галогенідів: дифторид срібла (AgF₂), Трифторид кобальту (CoF₃), Гептафторід ренію (ReF₇), Пентафторид брому (BrF₅) І гептафторід йоду (IF₇).

з`єднання

Формула фтору (F₂) Складена з двох атомів елемента. Він може вступати в з`єднання з усіма іншими елементами, крім гелію і неону, утворюючи іонні або ковалентні фториди. Деякі метали, такі як нікель, швидко покриваються шаром цього галогену, що запобігає подальшу зв`язок металу з елементом. Деякі сухі метали, такі як м`яка сталь, мідь, алюміній або монель (66% нікелю і 31,5% сплаву міді) при звичайних температурах з фтором не реагують. Для роботи з елементом при температурах до 600 ° C підходить монель- спечений глинозем стійкий до 700 ° C.

Фторуглеродние масла є найбільш підходящими мастильними матеріалами. Елемент бурхливо реагує з органічними речовинами (наприклад, гумою, деревом і тканинами), тому контрольоване фторування органічних сполук елементарним фтором можливо тільки при прийнятті спеціальних запобіжних заходів.

виробництво

Плавиковий шпат є головним джерелом фтору. У виробництві фтористого водню (HF) порошкоподібний флюорит переганяють з концентрованої сірчаної кислотою в свинцевому або чавунному апараті. В ході перегонки утвориться сульфат кальцію (CaSO₄), Нерозчинний в HF. Фтористий водень отримують в досить безводному стані шляхом фракційної перегонки в мідних або сталевих контейнерах і зберігають в сталевих балонах. Звичайними домішками в промисловому Фтороводород є сірчиста і сірчана кислоти, а також кремнефтористоводнева кислота (H₂SiF₆), Що утворюються через наявність в плавикового шпату кремнезему. Сліди вологи можуть бути вилучені шляхом електролізу з використанням платинових електродів, обробкою елементарним фтором або зберіганням над більш сильною кислотою Льюїса (MF₅, де М - метал), яка може утворювати солі (Н₃О)⁺ (MF₆)^-: Н₂Про + SbF₅ + HF (Н₃О)⁺ (SbF₆)^-.

Фтористий водень використовують в приготуванні безлічі промислових неорганічних і органічних сполуках фтору, наприклад, натрійфторідалюмінія (Na₃AlF₆), Що використовується в якості електроліту при виплавці металевого алюмінію. Розчин газоподібного фтористого водню у воді називається плавиковою кислотою, велика кількість якої застосовується при очищенні металів і для полірування, додання матовості склу або для його травлення.

Отримання вільного елементу здійснюється за допомогою електролітичних процедур під час відсутності води. Як правило, вони мають форму електролізу розплаву фториду калію фторидом водню (в співвідношенні 1 до 2,5-5) при температурах 30-70, 80-120 або 250 ° C. Під час процесу зміст фтороводорода в електроліті зменшується, і температура плавлення підвищується. Тому необхідно, щоб його додавання відбувалося безперервно. У високотемпературній камері електроліт замінюється, коли температура перевищить 300 ° C. Фтор можна безпечно зберігати під тиском у балонах з нержавіючої сталі, якщо клапани циліндрів вільні від слідів органічних речовин.

Використання

Елемент використовується для виробництва різних фторидів, таких як трифторид хлору (ClF₃), Гексафторид сірки (SF₆) Або трифторид кобальту (CoF₃). Сполуки хлору і кобальту є важливими фторирующим агентами органічних сполук. (При наявності відповідних запобіжних заходів для цього може бути використаний безпосередньо фтор). Гексафторид сірки використовується в якості газоподібного діелектрика.

Елементарний фтор, часто розбавлений азотом, вступає в реакцію з вуглеводнями з утворенням відповідних фторуглеродов, в яких частина або весь водень заміщається галогеном. Отримані сполуки, як правило, характеризуються високою стабільністю, хімічної інертністю, високим електричним опором, а також іншими цінними фізико-хімічними властивостями.

Фторування можна зробити також шляхом обробки органічних сполук трифторид кобальту (CoF₃) Або електролізом їх розчинів в безводному фтористому водні. Корисні пластики з антипригарні властивості, такі як політетрафторетилен [(CF₂CF₂)_х], Відомі під комерційною назвою тефлон, отримують з ненасичених фторованих вуглеводнів.

Органічні сполуки, що містять хлор, бром або йод, фторують для отримання таких речовин, як дихлордифторметан (Cl₂CF₂), Холодоагент, який широко застосовувався в побутових холодильниках і кондиціонерах. Так як хлорфторвуглеці, такі як дихлордифторметан, відіграють активну роль у виснаженні озонового шару, їх виробництво і застосування було обмежено, і тепер перевага віддається холодоагент, що містить гідрофторвуглеці.

Елемент також використовується для отримання гексафториду урану (UF₆), Що використовується в газовому дифузійному процесі відділення урану-235 від урану-238 при виробництві ядерного палива. Фтороводород і трифторид бору (BF₃) Виробляються в промислових масштабах, так як вони є хорошими каталізаторами для реакцій алкілування, що застосовуються для отримання багатьох органічних сполук. Фторид натрію зазвичай додають в питну воду для того, щоб знизити захворюваність карієсом зубів у дітей. В останні роки найбільш важливе значення набуло застосування сполук фтору у фармацевтичній і сільськогосподарської областях. Селективне заміщення фтору різко змінює біологічні властивості речовин.

аналіз

Складно точно визначити кількість даного галогену в з`єднаннях. Вільний фтор, валентність якого дорівнює 1, можна виявити за його окисленню ртуті Hg + F₂ HgF₂, а також вимірюючи збільшення ваги ртуті і зміна обсягу газу. Основними якісними тестами на присутність іонів елемента є:

Відео: Хімічні властивості речовин. Загальні уявлення.

виділення фтористого водню під дією сірчаної кислоти,
утворення осаду фториду кальцію при додаванні розчину хлориду кальцію,
знебарвлення жовтого розчину Тетраоксид титану (TiO₄) І пероксиду водню в сірчаної кислоти.

Кількісні методи аналізу:

Відео: Опис елемента за положенням в Періодичній системі

осадження фториду кальцію в присутності карбонату натрію і обробка осаду за допомогою оцтової кислоти,
осадження хлорфторіда свинцю шляхом додавання хлориду натрію і нітрату свинцю,
титрування (визначення концентрації розчиненого речовини) з розчином нітрату торію (Th [NO₃]₄) З використанням алізарінсульфоната натрію в якості індикатора: Th (NO₃)₄ + 4KF &harr- ThF₄ + 4KNO₃.

Ковалентно зв`язаний фтор (валентність I), як, наприклад, в фторуглеродах, аналізувати складніше. Це вимагає з`єднання з металевим натрієм з подальшим аналізом іонів F^-, як описано вище.