Водень фтористий: характеристики і застосування

Серед сполук галогенів - елементів 7 групи головної підгрупи періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва - велике практичне значення має водень фтористий. Поряд з іншими галогеноводородами, він використовується в різних галузях народного господарства: для отримання фторсодержащих пластмас, плавикової кислоти і її солей. У даній роботі ми вивчимо будову молекули, фізичні та хімічні властивості цієї речовини і розглянемо області його застосування.

Історія відкриття

У 17 столітті К. Шванквард провів досвід з мінералом плавиковий шпат і сульфатною кислотою. Учений виявив, що в процесі реакції виділяється газ, який почав руйнувати платівку зі скла, що прикриває пробірку з сумішшю реагентів. Це газоподібна сполука отримало назву фтористий водень.

Плавикова кислота була отримана в 19 столітті Люссаком з того ж сировини: флюориту і сірчаної кислоти. Ампер своїми дослідами довів, що за будовою молекули HF аналогічний хлороводню. Це стосується також водних розчинів цих галогеноводородов. Відмінності стосуються сили кислот: плавикова - слабка, а хлоридная - сильна.

Фізичні властивості

Газ з хімічною формулою HF має різкий характерний запах, безбарвний, трохи легший за повітря. В ряду галогеноводородов HI- HBr- HCl- температури кипіння і плавлення змінюються плавно, а при переході до HF різко збільшуються. Пояснення цього явища наступне: молекулярний водень фтористий утворює асоціати (групи нейтральних частинок, між якими виникають водневі зв`язки). Щоб розірвати їх, потрібна додаткова енергія, тому температури кипіння і плавлення збільшуються. згідно з показниками щільності газу, в інтервалі, близькому до температури кипіння (+19,5), фтороводород складається з агрегатів із середнім складом HF_2. При нагріванні вище 25 ^проЗ ці комплекси поступово розкладаються, і при температурі близько 90 ^проЗ водень фтористий складається з молекул HF.

Як видобувають фторгідрід

Способи отримання речовини не в лабораторних умовах, про які ми вже згадували, а в промисловості, практично нічим між собою не відрізняються: реагентами є все той же плавиковий шпат (флюорит) і сульфатна кислота.

Відео: Хімічні властивості кисню

Мінерал, поклади якого розташовані в Примор`ї, Забайкаллі, Мексиці, США, спочатку збагачують методом флотації, а потім використовують в технологічному процесі отримання HF, який здійснюють у спеціальних сталевих печах. У них завантажують руду і змішують з сульфатною кислотою. Збагачена руда містить 55-60% флюориту_. Стінки печі викладені свинцевими листами, які ловлять фтористий водень. Його очищають в промивної колоні, охолоджують, а потім конденсують. Щоб отримати водень фтористий, використовують обертові печі, побічно обігрівати електрикою. Масова частка HF на виході становить приблизно 0,98, але процес має свої недоліки. Він досить тривалий і вимагає великої витрати сульфатної кислоти.

Відео: № 194. Неорганічна хімія. Тема 22. Неметали й водень. Частина 5. Властивості водню

Полярність молекул HF

Безводний фтористий водень складається з частинок, що мають здатність зв`язуватися між собою і утворювати агрегати. Пояснюється це внутрішньою будовою молекули. Між атомами водню і фтору виникає сильна хімічний зв`язок, звана полярним ковалентним. Вона представлена загальної електронної парою, зміщеною до більш електронегативного атома фтору. Внаслідок цього молекули фторгідріда стають полярними і мають вигляд диполів.

Між ними виникають сили електростатичного притягання, що і призводить до появи ассоциатов. Довжина хімічного зв`язку між атомами водню і фтору становить 92 нм, а її енергія дорівнює 42 кДж / моль. Як в газоподібному, так і в рідкому стані речовина складається з полімерної суміші виду H₂F₂, H₄F₄.

Хімічні властивості

Безводний фтористий водень має здатність до взаємодії з солями карбонатної, силікатної, нитритной і сульфідної кислот. Виявляючи окислювальні властивості, HF відновлює вищеперелічені з`єднання до вуглекислого газу, четирехфторістого кремнію, сірководню та оксидів азоту. Водний 40% розчин фтороводорода руйнує бетон, скло, шкіру, каучук, а також взаємодіє з деякими оксидами, наприклад з Cu₂O. В продуктах виявляється вільна мідь, фторид міді та вода. Є група речовин, з якими HF не реагує, наприклад, важкі метали, а також магній, залізо, алюміній, нікель.

Водний розчин фтороводорода

Він має назву плавикова кислота і використовується у вигляді 40% і 72% розчинів. Водень фтористий, характеристика хімічних властивостей якого залежить від його концентрації, необмежено розчиняється у воді. При цьому виділяється тепло, що характеризує цей процес як екзотермічний. Будучи кислотою середньої сили, водний розчин HF взаємодіє з металами (Реакція заміщення). Утворюються солі - фториди - і виділяється водень. Чи не реагують з плавиковою кислотою пасивні метали - платина і золото, а також свинець. Кислота пасивує його, тобто утворює на поверхні металу захисну плівку, що складається з нерозчинного фториду свинцю. Водний розчин HF може містити домішки заліза, миш`яку, діоксиду сірки, в цьому випадку він називається технічною кислотою. Концентрований 60% розчин HF має важливе значення в хімії органічного синтезу. Він зберігається в поліетиленових або тефлоновим ємностях, а великотоннажних плавикова кислота перевозиться в сталевих цистернах.

Роль плавикової кислоти в народному господарстві

Розчин фтороводорода застосовують для виробництва борфторіда амонію, що є компонентом флюсів у чорній і кольоровій металургії. Також його використовують в процесі електролізу для отримання чистого бору. Плавикова кислота застосовується у виробництві кремнефторід, наприклад, такого як Na₂SiF₆. Його використовують для отримання цементів та емалей, стійких до дії мінеральних кислот.

Флюати надають будівельним матеріалам водонепроникні властивості. У процесі їх застосування потрібно дотримуватися обережності, так як все кремнефторіди токсичні. Водний розчин HF використовують також і у виробництві синтетичних мастил. На відміну від мінеральних, вони зберігають в`язкість і утворюють захисну плівку на поверхні робочих частин: компресорів, редукторів, підшипників як при високих, так і при низьких температурах. Велике значення має водний фтористий водень в травленні (матуванні) скла, а також в напівпровідникової промисловості, де він використовується для травлення кремнію.

Відео: № 193. Неорганічна хімія. Тема 22. Неметали й водень. Частина 4. Отримання водню

фторсодержащие пластмаси

Найбільш затребуваним з них є тефлон (фторопласт - 4). Він був відкритий зовсім випадково. Хімік-органік Рой Планкетт, який займався синтезом фреонів, виявив в балонах з газоподібним четериххлорістим етиленом, що зберігаються при аномально низької температури, не газ, а білий порошок, жирний на дотик. Виявилося, що при високому тиску і низькій температурі тетрафторетилен полимеризоваться.

Це реакція привела до утворення нової пластичної маси. Згодом її назвали тефлоном. Він має виняткову тепло- і морозостійкістю. Тефлонові покриття з успіхом застосовують в харчовій, хімічній промисловості, при виробництві посуду з антипригарним властивостями. Навіть при 70 ^проЗ вироби з фторопласту - 4 не втрачають свої властивості. Винятковою є висока хімічна інертність тефлону. Він не руйнується при контакті з агресивними речовинами - лугами та кислотами. Це дуже важливо для обладнання, що використовується в технологічних процесах отримання нітратної і сульфатної кислот, гідроксиду амонію, їдкого натру. Фторопласти можуть містити додаткові компоненти - модифікатори, такі як скловолокно або метали, внаслідок чого вони змінюють свої властивості, наприклад, підвищують термостійкість і зносостійкість.

Дисоціація фтористого водню

Раніше ми згадували, що в молекулах HF утворюється міцна ковалентний зв`язок, крім того, самі вони здатні об`єднуватися в агрегати, утворюючи водневі зв`язки. Саме тому фтороводород має низький ступінь дисоціації і погано розщеплюється в водному розчині на іони. Плавикова кислота є більш слабкою, ніж хлоридная або бромідная. Ці особливості її дисоціації пояснюють існування стійких, кислих солей, тоді як ні хлоридная, ні йодна їх не утворює. Константа дисоціації водного розчину фтороводорода становить 7х10^-4, що підтверджує той факт, що в її розчині знаходиться велика кількість недіссоціірованних молекул і відзначається низький вміст іонів водню і фтору.

Чим небезпечний фторгідрід

Потрібно відзначити, що токсичним є як газоподібний, так і рідкий фтористий водень. Код речовини - 0342. Плавикова кислота володіє також і наркотичними властивостями. На її вплив на організм людини ми зупинимося трохи пізніше. У класифікаторі ця речовина, так само як і безводний фторгідрід, знаходиться в другому класі небезпеки. Це пояснюється, перш за все, здатністю сполук фтору легко займатися. Зокрема, це властивість особливо проявляється у такого з`єднання, як газоподібний водень фтористий, вогнестійкість якого особливо велика.

Відео: № 192. Неорганічна хімія. Тема 22. Неметали й водень. Частина 3. Водень

Навіщо визначають рівень фтороводорода в повітрі

У промисловому виробництві HF, одержуваного з плавиковогошпату і сірчаної кислоти, можливі втрати газоподібного продукту, пари якого потрапляють в атмосферу. Нагадаємо, що фтористий водень (клас небезпеки якого - другий) - речовина високотоксична та вимагає постійного вимірювання його концентрації. У промислових викидах міститься велика кількість шкідливих і потенційно небезпечних хімічних речовин, перш за все оксидів азоту і сірки, сульфідів важких металів, а також газоподібних галогеноводородов. Серед них велика частка припадає на фтористий водень, ГДК якого в атмосферному повітрі становить 0,005 мг / м³ в перерахунку на фтор в добу. Для заводських ділянок, де знаходяться барабанні печі, гранично допустима концентрація (ГДК) повинна становити 0, 1 мг / м³.

Газоаналізатори фтористого водню

Щоб з`ясувати, які шкідливі гази і в якій кількості потрапили в атмосферу, існують спеціальні вимірювальні прилади. Для виявлення парів HF використовують фотоколориметричні газоаналізатори, в яких застосовують як лампи розжарювання, так і напівпровідникові світлодіоди в якості джерел випромінювання, а фотодіоди і фототранзистори грають роль фотоприймачів. Визначення фтористого водню в атмосферному повітрі проводиться ще й інфрачервоними газоаналізаторами. Вони досить чутливі. Молекули HF поглинають довгохвильові випромінювання в інтервалі 1-15 мкм. Прилади, використовувані для визначення токсичних відходів в атмосферному повітрі і в робочій зоні промислових підприємств, фіксують коливання концентрації HF як в межах допустимої норми, так і в одиничних екстремальних випадках (техногенні катастрофи, порушення технологічних циклів внаслідок пошкоджень електропостачання і т. Д.). Ці функції виконують термокондуктометрические газоаналізатори фтористого водню. Пром. викиди вони диференціюють на основі залежності теплопровідності HF від складу газоподібної суміші.

Шкідливий вплив фторгідріда на організм людини

Як безводний фтороводород, так і плавикова кислота, яка є його розчином в воді, відносяться до другого класу небезпеки. Особливо негативно ці сполуки впливають на життєво важливі системи: серцево-судинну, видільну, дихальну, а також шкіру та слизові оболонки. Проникнення речовини через шкіру проходить непомітно і безсимптомно. Явища токсикозу можуть проявитися на наступну добу, причому вони діагностуються лавиноподібно, а саме: шкіра покривається виразками, на поверхні слизової очей утворюються опікові ділянки. Тканини легенів руйнуються внаслідок некротичного ураження альвеол. Іони фтору, що потрапили в міжклітинну рідину, далі проникають в клітини і пов`язують в них частки магнію і кальцію, що входять до складу нервової тканини, крові, а також ниркових канальців - структур нефронів. Тому особливо актуальним є ретельний контроль за вмістом газоподібного фтороводорода і парів плавикової кислоти в атмосфері.