Химически елемент флуор: валентност, свойства, характеристики

Флуоринът (F) е най-реактивен химически елемент и най-лекия халоген от група 17 (VIIa) на периодичната таблица. Тази характеристика на флуор се обяснява с способността му да привлича електрони (това е най-елекрозареждащият елемент) и малкия размер на неговите атоми.

История на откритието

Флуор-съдържащ минерал флуорит е описано през 1529 г. от немски лекар и минералог Георги Агрикола. Възможно е флуороводородна киселина се първо получено в неизвестен английски glassmaker 1720 GA 1771 в шведски химик Карл Вилхелм Шееле полученият суров флуороводородна киселина при нагряване флуорит с концентрирана сярна киселина в стъклена колба, която до голяма степен кородирала под действието на получения продукт , Следователно, в следващите експерименти се използват метални съдове. Почти безводен киселина се получава през 1809 година след две години Френската физика André-Мари Ампер Предполага се, че тази водород съединение с неизвестен елемент, аналогичен хлор, за които е предложен името на флуоро гръцки phi-theta-οrho-iota-omicron-sigmaf- "унищожаване". Флуоридът беше калциев флуорид.

Освобождаването на флуор остава един от основните нерешени проблеми на неорганичната химия до 1886 г., когато френският химик Хенри Моисан придоби елемента чрез електролиза на разтвор на калиев хидрофлуорид във флуороводород. За това през 1906 г. получава Нобелова награда. Трудностите при боравенето с този елемент и токсичните свойства на флуор допринасят за бавния напредък в химията на този елемент. До Втората световна война това беше лабораторно чудо. След това използването на уранов хексафлуорид в отделянето на уранови изотопи, заедно с нарастването на индустриалната стойност органични съединения Този елемент го прави химикал, който носи значителни ползи.

преобладаване

Флуорид, съдържащ флуорид (флуорит, CaF₂) в продължение на много векове се използва като поток (почистващ агент) в металургичните процеси. Минералът впоследствие се оказа източникът на елемента, който също се нарича флуор. Безцветните прозрачни флуоритни кристали при осветяване имат синкав оттенък. Това свойство е известно като флуоресценция.

Флуорът е елемент, който се среща в природата само под формата на неговите химични съединения, с изключение на изключително малки количества свободен елемент в флуорошпат, изложен на радиума. Съдържанието на елемента в земната кора е около 0.065%. Основните флуор-съдържащи минерали са флуорошпат, криолит (Na₃Alf₆), флуорапатит (Са₅[РО₄]₃ [F, С1]), топаз (Al₂SiO₄[F, OH]₂) и лепидолит.

Физични и химични свойства на флуор

При стайна температура флуорът е бледо жълт газ с дразнещ мирис. Неговото вдишване е опасно. Когато се охлади, става жълта течност. Има само един стабилен изотоп на този химичен елемент - флуор-19.

Първата йонизираща енергия на този халоген е много висока (402 kcal / mol), което е стандартната топлина на образуване на катион F⁺420 kcal / mol.

Малкият размер на атома на елемента прави възможно да се поставят относително големи количества около централния атом с образуването на редица стабилни комплекси, например хексафлуоросиликат (SiF₆)^2- и хексафлуороалуминат (AlF₆)³. Флуоринът е елемент с най-силни окислителни свойства. Никое друго вещество не е способно да окисли флуоридния анион, за да се превърне в свободен елемент и затова елементът не е в свободно състояние. Тази характеристика на флуор за повече от 150 години не позволяваше да бъде получена по никакъв химичен метод. Това се постига само чрез използването на електролиза. Въпреки това, през 1986 г. един американски химик, Карл Христос, съобщава за първото "химическо" производство на флуор. Той използва K₂НОН₆ и антимонов пентафлуорид (SbF₅), които могат да бъдат получени от разтвори на HF.

Флуор: валентност и състояние на окисление

Външната обвивка на халогени съдържа неподвоен електронен. Ето защо валентността на флуор в съединенията е единство. Въпреки това, атомите на елементите от група VIIa могат да увеличат броя на тези електрони до 7. Максималната валентност на флуора и неговата степен на окисление са -1. Елементът не е в състояние да разшири своята валентна черупка, тъй като неговият атом няма d-орбитал. Други халогени, поради своето присъствие, могат да проявяват валентност до 7.

Високата окислителна способност на елемента позволява да се постигне максимална степен на окисление в други елементи. Флуоро (валентност I) може да образува съединения, които не съществуват в други халогениди: сребърен дифлуорид (AgF₂), кобалтов трифлуорид (CoF₃), рений хептафлуорид (ReF₇), бромен пентафлуорид (BrF₅) и йоден хептафлуорид (IF₇).

връзки

Флуорната формула (F₂) се състои от два елемента атома. Той може да влезе в връзки с всички други елементи, с изключение на хелий и неон, образуващи йонни или ковалентни флуориди. Някои метали, като никел, бързо се покриват със слой от този халоген, което предотвратява по-нататъшното свързване на метала към елемента. Някои сухи метали като мека стомана, мед, алуминий или монел (66% никел и 31,5% медна сплав) не реагират при нормални температури с флуор. За работа с елемента при температури до 600 ° С монолитният двуалуминиев триоксид е устойчив на 700 ° С.

Флуоровъглеродните масла са най-подходящите лубриканти. Елементът реагира бурно на органични вещества (например гума, дърво и тъкани), поради което контролираното флуориране на органичните съединения с елементарен флуор е възможно само с приемането на специални предпазни мерки.

производство

Флуоридът е основният източник на флуорид. При производството на флуороводород (HF) прахообразният флуорит се дестилира с концентрирана сярна киселина в алуминиева или чугунна апаратура. По време на дестилацията, калциев сулфат (CaSO₄), неразтворим в HF. Водороден флуорид се получават в достатъчно безводно състояние чрез фракционна дестилация в медни или стоманени съдове и се съхраняват в стоманени цилиндри. Типични примеси в индустриалния водороден флуорид са сярна и сярна киселина, както и флуоросилициева киселина (Н.₂СИФ₆), образуван поради наличието на силициев диоксид в флуорошара. Следи от влага могат да бъдат отстранени чрез електролиза с използване на платинени електроди, третиране с елементарен флуор или съхранение върху по-силна киселина на Люис (MF₅, където М е метал), които могат да образуват соли (Н.₃О)⁺ (MF₆)^-: H₂O + SbF₅ + HF → (H₃О)⁺ (SBF₆)^-.

Флуоридът на водорода се използва при получаването на различни промишлени неорганични и органични флуорни съединения, например натриев флуорид алуминий (Na₃Alf₆), използван като електролит при топенето на метален алуминий. Разтвор на газообразен флуорид във вода се нарича флуороводородна киселина, голяма част от която се използва за почистване на метали и за полиране, което прави стъклото тъп или за оформяне.

Свободният елемент се получава чрез електролитни процедури при отсъствие на вода. Като правило, те имат формата на електролиза на стопилка на калиев флуорид с флуороводород (в съотношение 1 до 2.5-5) при температури 30-70, 80-120 или 250 ° C. По време на процеса съдържанието на флуороводород в електролита намалява и температурата на топене се повишава. Ето защо е необходимо добавянето му да се извършва непрекъснато. При високотемпературна камера електролитът се заменя, когато температурата надвишава 300 ° С. Флуоридът може безопасно да се съхранява под налягане в цилиндри от неръждаема стомана, ако цилиндърните клапани нямат следи от органични вещества.

използването на

Елементът се използва за получаване на различни флуориди, като хлорен трифлуорид (ClF₃), серен хексафлуорид (SF₆) или кобалтов трифлуорид (CoF₃). Съединенията на хлора и кобалта са важни флуориращи агенти на органичните съединения. (Ако са налице подходящи предпазни мерки, флуорът може да се използва директно за това). Сяров хексафлуорид Използва се като газообразен диелектрик.

Елементният флуор, често разреден с азот, реагира с въглеводороди, за да образува съответните флуорвъглеводороди, в които част или целият водород е заменен с халоген. Получените съединения обикновено се характеризират с висока стабилност, химична инертност, високо електрическо съпротивление, както и с други ценни физикохимични свойства.

Флуорирането може да се извърши и чрез третиране на органични съединения с кобалтов трифлуорид (CoF₃) или електролиза на техните разтвори в безводен флуороводород. Полезни пластмаси с незалепващи свойства, като политетрафлуороетилен [(CF₂CF₂)_х], известен под търговското наименование Teflon, са получени от ненаситени флуорирани въглеводороди.

Органичните съединения, съдържащи хлор, бром или йод, са флуорирани, за да се получат вещества като дихлородифлуорометан (Cl₂CF₂), хладилен агент, който е широко използван в домашни хладилници и климатици. Тъй като хлорофлуоровъглероди като дихлородифлуорометан, играе активна роля в изчерпването на озоновия слой и тяхното производство и употреба е ограничена, а сега се предпочита охладител съдържащ хидрофлуоровъглероди.

Елементът се използва и за производството на уранов хексафлуорид (UF₆), използвана в процеса на дифузия на газ за отделяне на уран-235 от уран-238 в производството на ядрено гориво. Водород флуорид и борен трифлуорид (BF₃) се произвеждат от търговска гледна точка, тъй като те са добри катализатори за реакциите на алкилиране, използвани за получаване на много органични съединения. Натриевият флуорид обикновено се добавя към питейната вода, за да се намали честотата на зъбния гниене при децата. През последните години употребата на флуоридни съединения във фармацевтичната и селскостопанската област стана най-важна. Селективното заместване на флуорида драматично променя биологичните свойства на веществата.

анализ на

Трудно е точно да се определи количеството на този халоген в съединенията. Свободният флуор, чиято валентност е равна на 1, може да бъде открит чрез окисляването му на живак Hg + F₂ → HgF₂, както и чрез измерване на увеличаването на теглото на живака и промяната в обема на газа. Основните качествени тестове за наличието на елементни йони са:

• еволюцията на флуороводород под влияние на сярна киселина,
• образуването на утайка от калциев флуорид с добавяне на разтвор на калциев хлорид,
• обезцветяване на жълт разтвор на титанов тетраоксид (TiO₄) и водороден прекис в сярна киселина.

Количествени методи за анализ:

• утаяване на калциев флуорид в присъствието на натриев карбонат и третиране на утайката с оцетна киселина,
• утаяване на оловен хлорофлуорид чрез добавяне на натриев хлорид и оловен нитрат,
• титруване (определяне на концентрацията на разтвореното вещество) с разтвор на ториев нитрат (Th [NO₃]₄) като се използва натриев ализирин сулфонат като индикатор: Th (NO₃)₄ + 4KF harr- ТХФ₄ + 4KNO₃.

Ковалентно свързан флуор (валентност I), например във флуоровъглероди, е по-трудно да се анализира. Това изисква съединение с метален натрий, последвано от анализ на F^-, както е описано по-горе.

Елементни свойства

И накрая, ние даваме някои свойства на флуор:

• Атомен номер: 9.
• Атомно тегло: 18,9984.
• Възможни флуорни валенции: 1.
• Точка на топене: -219.62 ° С.
• Точка на кипене: -188 ° С.
• Плътност (1 atm, 0 ° С): 1,696 g / l.
• Електронна формула на флуор: 1s²2s²2P⁵_.