Cheminis elementas fluoras: valentingumas, savybės, charakteristikos

Fluoras (F) yra labiausiai reaguojantis cheminis elementas ir lengviausias periodinės lentelės grupės 17 (VIIa) halogenas. Šis fluoro savybes paaiškina jo gebėjimas pritraukti elektronus (tai yra labiausiai elektrodinį elementą) ir mažas jo atomų dydis.

Istorija atradimo

Fluorą turintis mineralinis fluoridas buvo aprašytas 1529 m. Vokietijos gydytojas ir mineralogistas Georgijus Agricola. Tikėtina, kad vandenilio fluorido rūgštį pirmą kartą gavo nežinomas britų stiklo pūstuvas 1720 m. Ir 1771 m. Švedijos chemikas Karlas Wilhelmas Scheele gavo neapdorotą vandenilio fluorido rūgštį, šildydamas fluorštą su koncentruotu sieros rūgštimi stiklinėje retortoje, kuri daugiausia buvo sugadinta su produktu . Todėl vėlesniuose eksperimentuose buvo naudojami metaliniai indai. 1809 metais buvo gautas beveik bevandenė rūgštis, o po dvejų metų prancūzų fizikas Andrėja-Marie Amperė pasiūlė tai, kad tai yra vandenilio junginys su nežinomu elementu, panašiu į chlorą, dėl kurio jis pavadino fluorą iš graikų φθόριος, kuris "sunaikina". Fluoridas buvo kalcio fluoridas.

Fluoro išleidimas išlieka viena iš pagrindinių neišspręstų neorganinės chemijos problemų iki 1886 m., Kai prancūzų chemikas Henris Moissanas šį elementą gavo naudojant elektrolizę kalio hidrofluorido tirpalą vandenilio fluoride. Už tai 1906 m. Jis gavo Nobelio premiją. Sunkumas tvarkant šį elementą ir toksiškos fluoro savybės prisidėjo prie lėto šio elemento chemijos pažangos. Iki Antrojo pasaulinio karo tai buvo laboratorinis stebuklas. Tuo tarpu urano heksafluorido naudojimas urano izotopų atskyrimo procese ir šio elemento organinių junginių pramoninės vertės augimas padėjo tai padaryti labai naudingą cheminę medžiagą.

Paplitimas

Fluorą turintis fluoritas (fluoritas, CaF ₂ ) daugelį amžių buvo naudojamas kaip srautas (valymo priemonė) metalurgijos procesuose. Vėliau paaiškėjo, kad mineralas yra elemento šaltinis, kuris taip pat vadinamas fluoru. Bespalviai permatomi fluorito kristalai po apšvietimu turi melsvos spalvos atspalvį. Ši savybė žinoma kaip fluorescencija.

Fluoras yra elementas, kuris gamtoje atsiranda tik jo cheminių junginių pavidalu, išskyrus labai mažus laisvojo elemento kiekius fluoridoriuje, veikiamuose radžio spinduliuote. Elemento kiekis žemės plutoje yra apie 0,065%. Pagrindinės fluorą turinčios mineralinės medžiagos yra fluoritas, kriolis (Na ₃ AlF ₆ ), fluorapatitas (Ca ₅ [PO ₄ ] ₃ [F, Cl]), topazas (Al ₂ SiO ₄ [F, OH] ₂ ) ir lepidolitas.

Fizinės ir cheminės fluoro savybės

Esant kambario temperatūrai, fluoras yra šviesiai geltonos spalvos dujos su erzinančiu kvapu. Jo įkvėpimas yra pavojingas. Atvėsus, jis tampa geltonu skysčiu. Šio cheminio elemento yra tik vienas stabilus izotopas - fluoras-19.

Pirmoji šio halogeno jonizacinė energija yra labai didelė (402 kcal / mol), kuri yra standartinė katijono F ⁺ 420 kcal / mol.

Mažas elemento atomo dydis leidžia jiems išdėstyti santykinai didelius kiekius aplink centrinį atomą, kad sudarytų stabilių kompleksų rinkinį, pavyzdžiui, heksafluorosilikatą (SiF ₆ ) ^2- ir heksafluoraluminatą (AlF6) ^3- . Fluoras yra stipriausias oksidacijos savybes turintis elementas. Jokia kita medžiaga negali oksiduoti fluorido anijono, kad taptų laisvu elementu, ir dėl šios priežasties elementas nėra laisvo pobūdžio. Ši fluoro charakteristika daugiau nei 150 metų neleido ją gauti jokiu cheminiu metodu. Tai pasiekta tik naudojant elektrolizę. Nepaisant to, 1986 m. Amerikiečių chemikas Carl Christas pranešė apie pirmąją "cheminę" fluorą gaminančią medžiagą. Jis panaudojo K ₂ MnF ₆ ir stibio pentafluorido (SbF ₅ ), kurį galima gauti iš HF tirpalų.

Fluoras: valentingumo ir oksidacijos būklė

Išorinis halogenų apvalkalas turi nesandarų elektroną. Štai kodėl fluoro junginys yra vientisumas. Tačiau VIIa grupės elementų atomai gali padidinti tokių elektronų skaičių iki 7. Maksimalus fluoro valentingumas ir jo oksidacijos laipsnis yra -1. Elementas negali išplėsti savo valentinės apvalkalo, nes jo atomas neturi d-orbitos. Kiti halogenai, dėl savo buvimo, gali eksponuoti valentingumą iki 7.

Elemento didelis oksidacinis savybes leidžia pasiekti maksimalų galimą oksidacijos laipsnį kituose elementuose. Fluoras (valentas I) gali sudaryti junginius, kurių nėra kitų halogenidų: sidabro difluorido (AgF ₂ ), kobalto trifluorido (CoF ₃ ), renio heptafluorido (ReF ₇ ), bromo pentafluorido (BrF ₅ ) ir jodo heptafluorido (IF ₇ ).

Jungtys

Fluoro formulė (F ₂ ) susideda iš dviejų elementų atomų. Jis gali jungtis su visais kitais elementais, išskyrus helio ir neoną, susidarant joniniams arba kovalentiniams fluoridams. Kai kurie metalai, tokie kaip nikelis, greitai padengiami šio halogeno sluoksniu, kuris užkerta kelią tolesniam metalo sujungimui su elementu. Kai kurie sausieji metalai, tokie kaip lengvasis plienas, varis, aliuminis arba monel (66% nikelio ir 31,5% vario lydinio) normaliomis temperatūromis neveikia su fluoro. Norėdami dirbti su elementu esant temperatūrai iki 600 ° C, tinkamas monelas; Sukepintas aliuminio oksidas yra stabilus iki 700 ° C.

Fluorangliavandeniliai yra tinkamiausi tepalai. Elementas smarkiai reaguoja su organinėmis medžiagomis (pavyzdžiui, guma, mediena ir audiniai), todėl kontroliuojamas organinių junginių fluorinimas elementiniu fluoru yra įmanomas tik taikant specialias atsargumo priemones.

Gamyba

Fluoras yra pagrindinis fluorido šaltinis. Vandenilio fluorido (HF) gamybos metu miltelių fluoritas distiliuojamas su koncentruotu sieros rūgštimi švino arba ketaus aparatu. Distiliacijos metu susidaro kalcio sulfatas (CaSO ₄ ), kuris netirpsta HF. Vandenilio fluoridas yra gaminamas pakankamai bevandeniu būdu, frakciniu distiliavimu vario arba plieno induose ir laikomas plieno balionuose. Įprastomis pramoninio vandenilio fluorido priemaišomis yra sieros ir sieros rūgštys, taip pat fluorosilicio rūgštis (H ₂ SiF ₆ ), susidariusios dėl silicio dioksido buvimo fluorito dugne. Drėgmės pėdsakai gali būti pašalinami elektrolize naudojant platinos elektrodus, apdorojant elementiniu fluoriu arba saugant stipresnę Lewiso rūgštį (MF ₅ , kur M yra metalas), kuris gali sudaryti druskas (H ₃ O) ⁺ (MF ₆ ) ^- : H ₂ O + SbF ₅ + HF → (H ₃ O) ⁺ (SbF ₆ ) ^- .

Vandenilio fluoridas naudojamas gaminant įvairius pramoninius neorganinius ir organinius fluoro junginius, pavyzdžiui, aliuminio fluoridą (Na ₃ AlF ₆ ), naudojamą kaip elektrolitą metalo aliuminio lydymui. Dujinio vandenilio fluorido tirpalas vandenyje vadinamas vandenilio fluoro rūgštimi, didelė jo dalis naudojama metalų valymui ir poliravimui, stiklo susidėrimui arba jo išgravirimui.

Laisvasis elementas gaunamas elektrolitinėmis procedūromis be vandens. Paprastai jie kalio fluorido elektrolizės forma ištirpsta vandeniliu fluoridu (santykiu nuo 1 iki 2,5-5) esant 30-70, 80-120 arba 250 ° C temperatūrai. Proceso metu vandenilio fluorido kiekis elektrolitu mažėja ir lydymosi temperatūra pakyla. Todėl būtina, kad jo papildymas vyktų nuolat. Aukštos temperatūros kameroje elektrolitas pakeičiamas, kai temperatūra viršija 300 ° C. Fluoridą galima saugiai laikyti esant slėgiui nerūdijančio plieno balionuose, jei balionų vožtuvuose nėra organinių medžiagų pėdsakų.

Naudok

Elementas naudojamas gaminant įvairius fluoridus, tokius kaip chloro trifluoridas (ClF ₃ ), sieros heksafluoridas (SF ₆ ) arba kobalto trifluoridas (CoF ₃ ). Chloro ir kobalto junginiai yra svarbios organinių junginių fluorinančios medžiagos. (Jei yra tinkamos atsargumo priemonės, tiesiogiai galima naudoti fluorą). Sieros heksafluoridas naudojamas kaip dujinis dielektrikas.

Elementinis fluoras, dažnai atskiestas azotu, reaguoja su angliavandeniliais, kad sudarytų atitinkamus fluorangliavandenilius, kuriuose vandenilio dalis ar visas jo dalis yra pakeista halogenais. Gauti junginiai, kaip taisyklė, pasižymi dideliu stabilumu, cheminiu inertinumu, didžiu elektriniu pasipriešinimu, taip pat kitomis vertingomis fizikocheminėmis savybėmis.

Fluorinaciją galima atlikti ir apdorojant organinius junginius kobalto trifluoridu (CoF ₃ ) arba elektrolizuojant jų tirpalus bevandenėje vandenilio fluoridoje. Naudingi plastikai, kurių savybės neliečia, pvz., Politetrafluoretilenas [(CF ₂ CF ₂ ) _x ], žinomi komerciniu pavadinimu Teflonas, yra gaunami iš nesočiųjų fluorintų angliavandenių.

Organiniai junginiai, kurių sudėtyje yra chloro, bromo arba jodo, yra fluoruotos, kad susidarytų tokios medžiagos kaip dichlordifluormetanas (Cl ₂ CF ₂ ), šaldiklis, kuris buvo plačiai naudojamas buitiniuose šaldytuvuose ir oro kondicionieriuose. Kadangi chlorfluorangliavandeniliai, tokie kaip dichlordifluormetanas, aktyviai veikia ozono sluoksnio išeikvojimą, jų gamyba ir naudojimas yra riboti, o dabar pageidaujama naudoti šaltnešius, kurių sudėtyje yra hidrofluorangliavandenilių.

Šis elementas taip pat naudojamas gaminant urano heksafluoridą (UF6), naudojamą dujų difuzijos procese, kai uranas-235 išskiriamas iš urano-238, gaminant branduolinį kurą. Hidrofluorido rūgštis ir boro trifluoridas (BF ₃ ) gaminami pramoniniu mastu, nes jie yra geri alkilinimo reakcijų katalizatoriai, naudojami gaminant daug organinių junginių. Natrio fluoridas paprastai įpilamas į geriamąjį vandenį, siekiant sumažinti dantų sunaikinimo dažnį vaikams. Pastaraisiais metais fluoridų junginių naudojimas farmacijos ir žemės ūkio srityse tapo svarbiausias. Pasirinktinis fluorido pakeitimas dramatiškai keičia medžiagų biologines savybes.

Analizė

Sunku tiksliai nustatyti šio halogeno kiekį junginiuose. Laisvojo fluoro, kurio valentingumas yra lygus 1, gali būti aptiktas gyvsidabrio Hg + F ₂ → HgF ₂ oksidacija, taip pat matuojant gyvsidabrio svorio padidėjimą ir dujų kiekio pokyčius. Pagrindiniai elemento jonų kokybiniai tyrimai yra šie:

• Vandenilio fluorido evoliucija esant sieros rūgščiai,
• Kalcio fluorido nuosėdų susidarymas, pridėjus kalcio chlorido tirpalą,
• Geltonojo titano tetraoksido (TiO ₄ ) ir vandenilio peroksido tirpalas sieros rūgštyje.

Kiekybiniai analizės metodai:

• Kalcio fluorido nusodinimas esant natrio karbonatui ir nuosėdų apdorojimas acto rūgštimi
• Švino chlorfluorido nusodinimas įpilant natrio chlorido ir švino nitrato,
• Titravimas (tirpalo koncentracijos nustatymas) su torio nitrato tirpalu (Th [NO ₃ ] ₄ ), naudojant indikatorių kaip natrio alizarino sulfonatą: Th (NO ₃ ) ₄ + ₄ KF ↔ ThF ₄ + 4KNO ₃ .

Kovalentiniu būdu sujungtas fluoras (I valentinas), kaip, pavyzdžiui, fluorūgštyje, yra sunkiau ištirti. Tam reikalingas junginys su metaliniu natriu, o po to - F ^- jonų analizė, kaip aprašyta aukščiau.

Elemento savybės

Galiausiai mes suteikiame fluoro savybes:

• Atominis numeris: 9.
• Atominis svoris: 18,9984.
• Galimos fluoros valencijos: 1.
• Lydymosi temperatūra: -219,62 ° C
• Virimo temperatūra: -188 ° C
• Tankis (1 atm, 0 ° C): 1,696 g / l.
• Elektroninė fluoro formulė: 1s ² 2s ² 2p ⁵ _.