Chemický prvek fluor: valence, vlastnosti, vlastnosti

Fluorin (F) je nejvíce reaktivní chemický prvek a nejsvětlejší halogen ze skupiny 17 (VIIa) periodické tabulky. Tato charakteristika fluoru se vysvětluje jeho schopností přitahovat elektrony (to je nejvíce elektro-negativní prvek) a malá velikost jeho atomů.

Historie objevu

Minerál obsahující fluor křemelina byl popsán v roce 1529 německým lékařem a mineralogistou Georgy Agricola. Je pravděpodobné, že kyseliny fluorovodíkové se nejprve získá v neznámém anglickém skláře 1720 GA 1771 ve švédském chemik Carl Wilhelm Scheele získané surové kyseliny fluorovodíkové při zahřívání fluoritu s koncentrovanou kyselinou sírovou ve skleněné retortě, která do značné míry zkorodovaný působením výsledného produktu . Proto v následujících experimentech byly použity kovové nádoby. Téměř Kyselina se získá 1809 rok, dva roky později francouzský fyzik André-Marie Ampère Předpokládá se, že tento vodík sloučenina s neznámým elementem, analogický chloru, pro kterou byl navržen název fluor Greek phi-theta-οrho-iota-omicron-sigmaf-, "zničení". Fluorid byl fluorid vápenatý.

Fluorid vydání bylo jedním z hlavních nevyřešených problémů anorganické chemie až do roku 1886, kdy francouzský chemik Henri Moissan byl prvek elektrolýzou roztoku hydrofluoridu draselného v fluorovodíku. Za to v roce 1906 získal Nobelovu cenu. Obtížnost manipulace s tímto prvkem a toxické vlastnosti fluoru přispěly k pomalému pokroku v chemii tohoto prvku. Do druhé světové války to bylo laboratorní zázrak. Použití hexafluoridu uranu při separaci izotopů uranu spolu s růstem průmyslové hodnoty organických sloučenin Tento prvek to dělal to chemikálie, která přináší významné výhody.

Prevalence

Fluorspar obsahující fluor (fluorit, CaF₂) po mnoho staletí byl používán jako tavidlo (čisticí prostředek) v metalurgických procesech. Minerál se následně ukázal být zdrojem prvku, který byl také nazýván fluor. Bezbarvé transparentní krystaly fluoritu pod osvětlením mají modrý nádech. Tato vlastnost je známá jako fluorescence.

Fluor je element, který se vyskytuje v přírodě pouze ve formě jeho chemických sloučenin, s výjimkou extrémně malých množství volného prvku v kazivce, vystaveného radiačnímu záření. Obsah prvku v zemské kůře je asi 0,065%. Hlavními minerály obsahujícími fluor jsou křemen, kryolit (Na₃AlF_6.), fluorapatit (Ca.₅[PO₄]₃ [F, Cl]), topaz (Al₂SiO₄[F, OH]₂) a lepidolitu.

Fyzikální a chemické vlastnosti fluoru

Při pokojové teplotě je fluorem bleděžlutý plyn s dráždivým zápachem. Její vdechnutí je nebezpečné. Po ochlazení se stává žlutá kapalina. Existuje pouze jeden stabilní izotop tohoto chemického prvku - fluor-19.

První ionizační energie tohoto halogenu je velmi vysoká (402 kcal / mol), což je standardní teplo tvorby kationtu F⁺420 kcal / mol.

Malá velikost prvku atomu pojme své relativně velké množství kolem centrálního atomu pro vytvoření množství stabilních komplexů, například, hexafluorkřemičitan (SIF_6.).^2- a hexafluoraluminát (AlF_6.).^3-. Fluor je prvek, který má nejsilnější oxidační vlastnosti. Žádná jiná látka není schopna oxidovat fluoridový anion, aby se stala volným prvkem, a proto tento prvek není ve volném stavu. Tato charakteristika fluoru po dobu více než 150 let neumožňuje získávat žádnou chemickou metodou. To bylo dosaženo pouze pomocí elektrolýzy. Nicméně v roce 1986 americký chemik Carl Christ oznámil první "chemickou" výrobu fluoru. Použil K₂MnF_6. a pentafluorid antimonu (SbF₅), které lze získat z roztoků HF.

Fluor: valenční a oxidační stav

Vnější plášť halogenů obsahuje nepárový elektron. To je důvod, proč je míra fluoru ve sloučeninách jednota. Avšak atomy prvků skupiny VIIa mohou zvýšit počet takových elektronů na 7. Maximální valence fluoru a jeho stupeň oxidace jsou -1. Prvek není schopen rozšířit svou valenční skořápku, protože její atom nemá d-orbitální. Jiné halogeny, díky své přítomnosti, mohou vykazovat valence až do 7.

Vysoká oxidační schopnost prvku umožňuje dosažení maximálního možného stupně oxidace v jiných prvcích. Fluor (valence I) může tvořit sloučeniny, které neexistují v jiných halogenidech: difluorid stříbrný (AgF₂), fluorid kobaltnatý (CoF₃), heptafluorid rhenium (ReF_7.), bromidu pentafluoridu (BrF₅) a heptafluorid jodu (IF_7.).

Připojení

Vzorec fluoru (F₂) je tvořen dvěma atomy prvku. Může vstoupit do spojení se všemi ostatními prvky, s výjimkou hélia a neonu, tvořící iontové nebo kovalentní fluoridy. Některé kovy, jako je nikl, jsou rychle potaženy vrstvou tohoto halogenu, což zabraňuje dalšímu lepení kovu k prvku. Některé suché kovy, jako je měkká ocel, měď, hliník nebo monel (66% nikl a 31,5% slitiny mědi) nereagují za normálních teplot s fluorem. Pro práci s prvkem při teplotách do 600 ° C je monomelární oxid hlinitý odolný vůči 700 ° C.

Nejvhodnějšími mazivy jsou fluorované uhlovodíky. Prvek reaguje násilně s organickými látkami (například s pryží, dřevem a tkaninami), a proto je možné regulovanou fluoraci organických sloučenin pomocí elementárního fluoru pouze s přijetím zvláštních opatření.

Výroba

Chlorid je hlavním zdrojem fluoridu. Při výrobě fluorovodíku (HF) se práškový fluorit destiluje koncentrovanou kyselinou sírovou v zařízeních olova nebo litiny. Během destilace se používá síranu vápenatého (CaSO4)₄), nerozpustný v HF. Fluorovodík jsou získány v dostatečně bezvodém stavu frakční destilací v měděných nebo ocelových nádobách a skladovány v ocelových lahvích. Typickými nečistotami v průmyslovém fluorovodíku jsou kyselina sírová a kyselina sírová, stejně jako kyselina fluorokřemičitá (H₂SiF_6.), vznikající kvůli přítomnosti oxidu křemičitého v kazivce. Stopy vlhkosti lze odstranit elektrolýzou pomocí platinových elektrod, ošetřením elementárním fluorem nebo skladováním přes silnější Lewisovu kyselinu (MF₅, kde M je kov), které mohou tvořit soli (H₃O)⁺ (MF_6.).^-: H₂O + SbF₅ + HF → (H₃O)⁺ (SbF_6.).^-.

Fluorovodík se používá při výrobě různých průmyslových anorganických a organických sloučenin fluoru, například fluoridu sodného (Na₃AlF_6.), používaný jako elektrolyt při tavení kovového hliníku. Roztok plynného fluorovodíku ve vodě se nazývá kyselina fluorovodíková, z nichž velké množství se používá k čištění kovů a leštění, což způsobuje, že sklo je nudné nebo je leptáno.

Volný prvek se získá elektrolytickými postupy v nepřítomnosti vody. Zpravidla mají formu elektrolýzy taveniny fluoridu draselného s fluorovodíkem (v poměru 1: 2,5-5) při teplotách 30-70, 80-120 nebo 250 ° C. Během procesu se obsah fluorovodíku v elektrolytu snižuje a teplota tání stoupá. Proto je nezbytné, aby se k ní nepřetržitě přidávalo. V komoře s vysokou teplotou se elektrolyt vyměňuje, když teplota přesáhne 300 ° C. Fluorid může být bezpečně uskladněn pod tlakem v nerezových válcích, pokud ventily válců neobsahují stopy organických látek.

Použijte

Prvek se používá k výrobě různých fluoridů, jako je fluorid chloru (ClF₃), hexafluorid síry (SF_6.) nebo trifluorid kobaltu (CoF₃). Sloučeniny chlóru a kobaltu jsou důležité fluorační činidla organických sloučenin. (Pokud jsou zavedena vhodná opatření, lze přímo použít fluor). Hexafluorid síry Používá se jako plynný dielektrikum.

Elementární fluor, často zředěný dusíkem, reaguje s uhlovodíky za vzniku odpovídajících fluorovaných uhlovodíků, ve kterých je část nebo celý vodík nahrazena halogenem. Získané sloučeniny jsou zpravidla charakterizovány vysokou stabilitou, chemickou inertností, vysokým elektrickým odporem a dalšími cennými fyzikálně-chemickými vlastnostmi.

Fluorování může být také provedeno zpracováním organických sloučenin s fluoridem kobaltu (CoF₃) nebo elektrolýzou jejich roztoků v bezvodém fluorovodíku. Použitelné plasty s nepřilnavými vlastnostmi, jako je polytetrafluorethylen [(CF₂CF₂)._x], známé pod obchodním názvem Teflon, jsou odvozeny od nenasycených fluorovaných uhlovodíků.

Organické sloučeniny obsahující chlor, brom nebo jod jsou fluorované za vzniku látek, jako je dichlordifluormethan (Cl₂CF₂), chladiva, která byla široce používána v domácích chladničkách a klimatizacích. Vzhledem k tomu, chlorfluorované uhlovodíky, jako je například dichlordifluormethan, hrát aktivní roli v úbytku ozonové vrstvy a jejich výroba a použití bylo omezeno, a nyní přednostní chladivo, obsahující částečně fluorovaných uhlovodíků.

Tento prvek se také používá k výrobě hexafluoridu uranu (UF_6.), používaný v procesu difúze plynů při separaci uranu-235 od uranu-238 při výrobě jaderného paliva. Fluorovodík a fluorid boritý (BF₃) se vyrábějí komerčně, protože jsou dobrými katalyzátory pro alkylační reakce používané k výrobě mnoha organických sloučenin. Fluorid sodný se obvykle přidává do pitné vody, aby se snížila incidence zubního kazu u dětí. V posledních letech se stala nejdůležitější užívání fluoridových sloučenin ve farmaceutické a zemědělské oblasti. Selektivní substituce fluoridu dramaticky mění biologické vlastnosti látek.

Analýza

Je obtížné přesně určit množství tohoto halogenu ve sloučeninách. Volný fluor, jehož míra je rovna 1, může být detekována jeho oxidací rtuti Hg + F₂ → HgF₂, a také měřením nárůstu hmotnosti rtuti a změnou objemu plynu. Hlavní kvalitativní testy pro přítomnost elementových iontů jsou:

• vývoj fluorovodíku působením kyseliny sírové,
• tvorba sraženiny fluoridu vápenatého přidáním roztoku chloridu vápenatého,
• odbarvování žlutého roztoku oxidu titaničitého (TiO₄) a peroxidu vodíku v kyselině sírové.

Kvantitativní metody analýzy:

• srážení fluoridu vápenatého v přítomnosti uhličitanu sodného a zpracování sraženiny kyselinou octovou,
• srážení chlorfluoridu olova přidáním chloridu sodného a dusičnanu olovnatého,
• titraci (stanovení koncentrace rozpuštěné látky) roztokem dusičnanu thoričitého (Th [NO₃]₄) za použití alizarinsulfonátu sodného jako indikátoru: Th (NO₃).₄ + 4KF harr-ThF₄ + 4KNO₃.

Kovalentně vázaný fluor (valence I), jako například fluorované uhlovodíky, je obtížnější analyzovat. To vyžaduje sloučeninu s kovovým sodíkem následovanou analýzou F^-, jak je popsáno výše.

Vlastnosti prvku

Konečně poskytujeme některé vlastnosti fluoru:

• Atomové číslo: 9.
• Atomová hmotnost: 18,9984.
• Možné valencí fluoru: 1.
• Teplota tání: -219,62 ° C.
• Teplota varu: -188 ° C.
• Hustota (1 atm, 0 ° C): 1,696 g / l.
• Elektronický vzorec fluoru: 1s²2s²2p⁵_.