Фтор

ФТОР
(лат.Fluorum),
F - химический элемент VII группы периодической си­стемы Менделеева, относится к галогенам, ат
омный н
омер 9, ат
омная масса 18,998403; при нормаль­ных условиях (0 °С; 0,1 М
н/м2
,
или 1 кгс/см
2
)
- газ бледно-желтого цвета с резким запахом.

Природный ф
тор состоит из одного ста­бильного изотопа 19
F. Искусственно полу­чены пять радиоактивных изотопов: 16
F с периодом полураспада Т1/2
<
1 сек, 17
F(Т1/2
=
70 сек
),18
F
(Т1/2
=
111 мин),
20
F (Т1/2
=
11,4 сек), 21
F(Т1/
2
=
5 сек).

Историческая справка.

Первое соединение фтора - флюорит (плави­ковый шпат)Ca
F2
- описано в конце 15 века под наз
ванием "флю
ор" (от латинскогоfluo
- теку,
по свойству Са
F2
делать жидкотекучими
вяз
кие шлаки металлургических произ­водств). В 1771 К. Шееле
получил плавиковую кислоту. Свободный фтор выделил А. Муассан
в 1886 электролизом жидко­го безводного фтористого водорода, содер­
жащего примесь кислого фторида
ка­лияKHF
2
.

Химия фтора начала развивать
ся с 1930-х годов, особенно быстро - в годы 2-й мировой войны 1939-45 и после нее в связи с потребностями атомной пром
ышленности и ракетной техники. Название "фтор" (от греческогоphthoros
- разрушение
, гибель), предложен
ное А. Ампером в 1
810, употребляется только в русском языке; во мн
огих странах принято
название "флю
ор".

Распространение в природе.

Среднее содержание фтора в земной коре 6,25*
10-2
%
по массе; в кислых изверженных
породах (гра­нитах) оно составляет 8*
10-
2
%,
в ос­новных - 3,7*
10-2
%
, в ультраоснов­ных - 10-2
%.
Фтор присутствует в вулка­нических газах и термальных
водах. Важ­нейшие соединения фтора - флюорит,
крио­лит и топаз. Всего известно 86 фторсодержащих
мине­ралов. Соединения фтора находятся также
в апатитах, фосфоритах и других. Фтор - важ
ный биогенный элемент.
В истории Земли источником поступления фтора в био­сферу были продукты извержения вулка­нов (газы и др.).

Физические и химические свойства.

Газообразный ФТОР имеет плотность 1,693 г/л (0 °С и 0,1 Мн/м
2
, или 1 кгс/см2
), жидкий - 1,5127 г/см3
(при температуре кипения); tпл
-219,61 °С; tкип
-188,13 °С. Молекула фтора состоит из двух атомов (F2
); при 1000 °С 50% молекул диссоциирует, энер­гия диссоциации около 155±4 кдж/моль (37±1 ккал/моль). Фтор плохо раство­рим в жидком фтористом водороде; раст­воримость 2,5*
10-3
г в 100 г НF при -70 °С и 0,4*
10-3
г при -20 °С; в жидком виде неограниченно растворим в жидком кислороде и озоне. Конфигурация внешних электронов атома фтора 2s2
2р5
. В соеди­нениях проявляет степень окисления -1. Ковалентный радиус атома 0,72А, ион­ный радиус 1,33А. Сродство к электрону 3,62 эв, энергия ионизации (F ® F+) 17,418 эв. Высокими значениями сродства к электрону и энергии ионизации объяс­няется сильная электроотрицательность атома фтора, наибольшая среди всех других элементов. Высокая реакционная спо­собность фтора обусловливает экзотермичность фторирования, которая, в свою очередь, определяется аномально малой ве­личиной энергии диссоциации молекулы фтора и большими величинами энергии связей атома фтора с другими атомами. Прямое фторирование имеет цепной механизм и легко может перейти в горение и взрыв. Фтор реагирует се всеми элементами, кроме гелия, неона и аргона. С кислородом взаимодействует в тлеющем разряде, образуя при низких температурах фториды кислорода О2
Р3
, О3
F2
и др. Реакции фтора с другими галогенами экзотермичны, в резуль­тате образуются межгалогенные соедине­ния. Хлор взаимодействует с фтором при нагревании до 200-250 °С, давая монофто­ристый хлор С
lF и трехфтористый
хлор СlF3
. Известен также СlF3
, получаемый фторированием
СlF3
при высокой температуре и давлении 25 Мн/м2
(250 кгс/см
2
).
Бром и иод воспламеняются в атмосфере фтора при обычной темпе
ре, при этом могут быть получены BrF3
, BrF5
, IF5
, IF7
. Фтор непосредственно реалирует с криптоном,
ксеноном и рад
оном, образуя соответ­ст
вующие фториды
(
например, Х
eF4
,
Хе
F6
, К
rF2
).
Изве
стны также
оксифторид и
ксен
она.

Вз
аимодействие фтора с серой сопровож­дается выделением тепла и приводит к образованию многочисленных фторидов серы Селен и теллур образуют высшие
фториды
SеF6
и Те
F6
.
Фтор с вод
оро­дом реагируют
с воспламе
нен
ием; при этом образуется фтористый водород. Фтор с азотом реагируе
т лишь в электрическом разряде. Древесный уголь при взаи­модействии с фтором воспламеня
ется при обычной температуре; графи
т реагирует с ним при сильном нагревании, при э
том воз­можно образование твердого фтористого графита или газообразных перфторуглер
одов CF4
и C2
F6
. С бромом, кремнием,
фосфором, мышьяком фтор вз
аимо­действует на холоду,
образуя соответст­вующие фториды.

Фтор эне
ргично соединяется
с больши
нст
вом
металлов; щ
елочные и щелочно-
земельные металлы воспламеняются в атмосфере фтора на холоду, Bi, Sn, Ti, Мо, W - при незначительном нагревании. Hg, Pb, U, V реагируют с фтором при комнат­ной температуре, Pt - при температуре тёмно-красного каления. При взаимодействии металлов с фтором образуются, как правило, высшие фториды, например UF6
, MoF6
, HgF2
. Некоторые металлы (Fe, Сu, Al, Ni, Mg, Zn) реагируют с фтором с образованием защитной плёнки фторид

При взаимодействии фтора с окисла­ми металлов на холоду образуются фто­риды металлов и кислород; возможно также образование оксифторидов метал­лов (например, MoO2
F2
). Окислы неме­таллов либо присоединяют фтор, например SO2
+ F2
= SO2
F2
, либо кислород в них замещается на фтор, например SiO2
+ 2F2
= SiF4
+ О2
. Стекло очень медлен­но реагирует с фтором; в присутс
твии воды реакция идёт быстро. Вода взаимодейст­вует с фтором: 2Н2
О + 2F2
= 4HF + О2
; при этом образуется также OF2
и пере­кись водорода Н2
О2
. Окислы азота NO и NО2
легко присоединяют фтор с образованием соответственно фтористого нит-розила FNO и фтористого нитрила FNО2
. Окись углерода присоединяет фтор при нагревании с образованием фтористого карбонила: СО + F2
= COF2
.

Гидроокиси металлов реагируют с фтором, образуя фторид металла и кислород, например 2Ва(
ОН)2
+ 2F2
= 2ВаF2
+ 2Н2
О + О2
. Водные растворы NaOH и КОН реагиру­ют с фтором при О °С с образованием OF2
.

Галогениды металлов или неметаллов взаимодействуют с фтором на холоду, причем фтор замешает все галогены.

Легко фторируются сульфиды, нит­риды и карбиды. Гидриды металлов образуют с фтором на холоду фторид металла и HF; аммиак (в парах) - N2
и HF. Фтор замещает водород в кислотах или металлы в их солях, например НNО3
(или NaNO3
) + F2
® FNO3
+ HF (или NaF); в более жестких условиях фтор вытесняет кисло­род из этих соединений, образуя сульфурилфторид. Карбонаты ще­лочных и щелочноземельных металлов реагируют с фтором при обычной температуре; при этом получаются соответствующий
фто­рид, СО2
и О2
.

Фтор энергично реагирует с органическими веществами.

Получение.

Источником для производства фтора служит фтористый водород, получающийся в основном либо при действии серной кислоты H2
SO4
на флюо­ритCaF
2
, либо при переработке апати­тов и фосфоритов. Производство фтора осу­ществляется электролизом расплава кис­лого фторида калия, который образуется при насыщении распла­ва KF*
HF фтористым водородом до со­держания 40-41% HF. Материалом для электролизера обычно служит сталь; электроды - угольный анод и стальной катод. Электролиз ведется при 95-100 °С и напряжении 9-11 в; выход фтора по току достигает 90-95%. Получающийся фтор содержит до 5% HF, который уд
аляе
тся вымораживанием с последующим погло­щ
ением фторидом
натрия. Фтор храня
т в газообразном состоянии (под давлением) и в жидком виде (при охлаждении жид­ким азотом) в аппаратах из никеля и сплавов на его основе,
из меди, алюминия и его сплавов, латуни нержавеющей стали.

Применение.

Газообразный фтор служит для фторирования UF4
в UF6
, применяемого для изотопов разделения урана, а также для получения трех-фтористого хлора СlF3
(фторирующий агент), шестифтористой серы SF6
(газо­образный изолятор в электротехнической промышленности), фторидов металлов (например, W и V). Жидкий фтор - окислитель ракет­ных топлив.

Широкое применение получили много­численные соединения фтора - фтористый водород, алюминия фторис), кремне-фториды, фторсульфоновая кислота (рас­творитель, катализатор, реагент для по­лучения органических соединений, содержа­щих группу - SO2
F), ВF3
(катализатор), фторорганические соединения и др.

Техника безопасности.

Фтор токсичен, предельно допустимая концент­рация его в воздухе примерно 2*
10-4
мг/л, а предельно допустимая концентрация при экспозиции не более 1 ч составляет 1,5*
10-3
мг/л.

Фтор в организме.

Фтор по­стоянно входит в состав животных и растительных тканей; микроэлементов. В виде неорганических соединений содержится главным образом в костях животных и человека - 100-300 мг/кг; особенно много фтора в зу­бах. Кости морских животных богаче фтором по сравнению с костями наземных. Посту­пает в организм животных и человека преимущественно с питьевой водой, оптимальное содержание фтора в которой 1-1,5 мг/л. При недостатке фтора у человека развивается кариес зубов, при повышенном поступ­лении - флюороз. Высокие концентра­ции ионов фтора опасны ввиду их способ­ности к ингибированию ряда ферментативных реакций, а также к связыванию важных в биологическом отношении элементов (Р, Са, Мg и др.), нарушающему их ба­ланс в организме. Органические производные фтора обнаружены только в некоторых расте­ниях (например, в южноафриканском Dicha petalum cymosum). Основные из них - производные фторуксусной кислоты, токсич­ные как для других растений, так и для жи­вотных. Биологическая роль изучена недостаточно. Установлена связь об­мена фтора с образованием костной ткани скелета и особенно зубов. Необходимость фтора для растений не доказана.

Отравления
фтором возможны у работающих в химической промышленности, при синте­зе фторосодержащих соединений и производстве фосфорных удобрений. Фтор раздражает дыхательные пути, вызывает ожоги кожи. При остром отравлении возникают раздражение слизистых оболочек горта­ни и бронхов, глаз, слюнотечение, носовые кровотечения; в тяжелых случаях - отек легких, поражение центр, нервной системы и др.; при хроническом - конъ­юнктивит, бронхит, пневмония, пневмо-склероз, флюороз. Характерно пораже­ние кожи типа экземы. Первая по­мощь: промывание глаз водой, при ожо­гах кожи - орошение 70%-ным спиртом; при ингаляционном отравлении - вды­хание кислорода. Профилактика: соблюдение правил техники безопасно­сти, ношение специальной одежды, регу­лярные медицинские осмотры, включе­ние в пищевой рацион кальция, вита­минов.

Препараты, содержащие фтор, применяют в медицинской практике в качестве противоопу­холевых (5-фторурацил, фторафур, фтор-бензотэф), нейролептических (трифлу-перидол, или триседил, фторфеназин, трифтазин и др.), антидепрессивных (фторацизин), наркотическиз (фторотан) и других средств.