Kemijski element fluor: valenca, lastnosti, značilnosti

Fluor (F) je najbolj reaktivna kemični element in najlažji halogen iz skupine 17 (VIIa) periodične tabele. Ta značilnost fluora je razložena z zmožnostjo privlačenja elektronov (to je najbolj elektronegativni element) in majhne velikosti atomov.

Zgodovina odkritja

Fluor vsebujoč mineral fluorita je opisal leta 1529 nemškega zdravnika in mineralog Georg Agricola. Verjetno je, da je fluorovodikova kislina pridobil v neznanem nemški steklar 1720 GA 1771 v švedski kemik Carl Wilhelm Scheele dobljeni surovi fluorovodikovo kislino, s segrevanjem fluorita s koncentrirano žveplovo kislino v stekleni retorti, ki v veliki meri korodiranega pod vplivom nastalega izdelka . Torej, v naslednjih poskusih, so plovila, izdelana iz kovine. Skoraj brezvodni kisline dobimo v 1809 letu, dve leti kasneje francoščina fizik André-Marie Ampère domneva, da je to vodik spojina s neznani element, ki je analogen klora, za katere je bilo predlagano ime fluoro grščina phi-theta-ørho-iota-omicron-sigmaf-, "uničenje". Fluorid je bil kalcijev fluorid.

Fluor objava je bila ena od glavnih nerešenih problemov anorganske kemije do leta 1886, ko je francoščina kemik Henri Moissan element z elektrolizo raztopine kalijevega hidrofluoridom v vodikovim fluoridom. Za njo leta 1906 je prejel Nobelovo nagrado. Težava pri obravnavanju tega elementa in toksikoloških lastnostih prispevali fluora počasen napredek na področju kemije tega elementa. Do druge svetovne vojne je bil laboratorij radovednost. Nato pa se je uporaba uranovega heksafluorida v ločevanje uranovih izotopov, skupaj z rastjo vrednosti v industriji organske spojine Ta element je postal kemikalija, ki prinaša pomembne koristi.

Razširjenost

Fluor vsebujoč fluorit (fluorit, CaF₂) je bila v mnogih stoletjih uporabljena kot flux (čistilno sredstvo) v metalurških procesih. Mineralno se je izkazalo, da je vir elementa, ki ga imenujemo tudi fluor. Brezbarvni prozorni kristali fluorita pod osvetlitvijo imajo modrikasto vezavo. Ta lastnost je znana kot fluorescenca.

Fluor je element, ki se po naravi pojavlja le v obliki svojih kemičnih spojin, z izjemo zelo majhnih količin prostega elementa fluorita, izpostavljenega radijskemu sevanju. Vsebina elementa v zemeljski skorji je približno 0,065%. Glavni fluor vsebujoči minerali so fluorit, kriolit (Na₃AlF₆), fluorapatit (Ca₅[PO₄]₃ [F, Cl]), topaz (Al₂SiO₄[F, OH]₂) in lepidolita.

Fizikalne in kemijske lastnosti fluora

Pri sobni temperaturi je fluor bledo rumen plin z dražljivim vonjem. Vdihavanje je nevarno. Ko se ohladi, postane rumena tekočina. Obstaja samo en stabilen izotop tega kemijskega elementa - fluor-19.

Prva ionizacijska energija tega halogena je zelo visoka (402 kcal / mol), kar je standardna toplota tvorjenja kationa F⁺420 kcal / mol.

Majhna velikost atoma elementa omogoča, da jih postavimo relativno velike količine okoli osrednjega atoma s tvorbo številnih stabilnih kompleksov, na primer heksafluorosilikata (SiF₆)^2- in heksafluoroaluminat (AlF₆)^3-. Fluor je element, ki ima najmočnejše oksidacijske lastnosti. Nobena druga snov ni sposobna oksidirati fluoridnega aniona, da bi postala prost element, zato element v naravi ni v prostem stanju. Ta značilnost fluora za več kot 150 let ni dovoljevala, da bi jo dosegli z nobeno kemijsko metodo. To je bilo doseženo le z uporabo elektrolize. Kljub temu je leta 1986 ameriški kemik Carl Christ poročal o prvi "kemični" proizvodnji fluora. Uporabil je K₂MnF₆ in antimona pentafluorida (SbF₅), ki jih lahko dobimo iz raztopin HF.

Fluor: stanje valence in oksidacije

Zunanja lupina halogenov vsebuje nepoškodovan elektron. Zato je valenca fluora v spojinah enotnost. Vendar pa lahko atomi elementov skupine VIIa povečajo število takšnih elektronov na 7. Največja valenca fluora in njegova stopnja oksidacije sta -1. Element ne more razširiti svoje valence lupine, saj njegov atom nima d-orbital. Drugi halogeni, zaradi svoje prisotnosti, lahko kažejo valenco do 7.

Visoka oksidacijska sposobnost elementa omogoča doseganje največje možne stopnje oksidacije v drugih elementih. Fluor (valenca I) lahko tvori spojine, ki ne obstajajo v drugih halidih: srebrov difluorid (AgF₂), kobaltov trifluorid (CoF₃), renion heptafluorid (ReF₇), bromov pentafluorid (BrF₅) in jodov heptafluorid (IF₇).

Povezave

Formula fluora (F₂) sestavljajo dva elementa. Povezuje se lahko z vsemi drugimi elementi, razen s helijem in neonom, ki tvorijo ionske ali kovalentne fluoride. Nekatere kovine, kot je nikelj, so hitro prevlečene s plastjo tega halogena, kar preprečuje nadaljnjo vezavo kovine na element. Nekatere suhe kovine, kot so blago jeklo, baker, aluminij ali monel (66% niklja in 31,5% bakrovih zlitin) pri normalnih temperaturah ne reagirajo s fluorom. Za delo z elementom pri temperaturah do 600 ° C je monelni aluminijev oksid odporen na 700 ° C.

Fluoroogljikove olja so najbolj primerni maziva. Element burno reagira z organskimi materiali (npr gume, lesa in tekstila) tako nadzorovano fluoriranje organskih spojin elementarnega fluora možno le, če ob posebni varnostni ukrepi.

Proizvodnja

Fluorspar je glavni vir fluorida. Pri proizvodnji vodikovega fluorida (HF) se fluorit v prahu destilira s koncentrirano žveplovo kislino v napravi s svincem ali litjem. Med destilacijo kalcijev sulfat (CaSO₄), netopen v HF. Vodikov fluorid so pridobljene v dovolj brezvodnem stanju z delno destilacijo v bakrenih ali jeklenih posodah in shranjene v jeklenih valjih. Tipične nečistote v industrijskem vodikovem fluoridu so žveplove in žveplove kisline, kot tudi fluorosilicic acid (H₂SiF₆), ki nastanejo zaradi prisotnosti silicijevega dioksida v fluoritu. Sledi vlage lahko odstranimo z elektrolizo z uporabo platinskih elektrod, obdelavo z elementarnim fluorom ali shranjevanjem preko močnejše kisline Lewis (MF₅, kjer je M kovina), ki lahko tvorijo soli (H₃O)⁺ (MF₆)^-: H₂O + SbF₅ + HF → (H₃O)⁺ (SbF₆)^-.

Vodikov fluorid se uporablja pri pripravi različnih industrijskih anorganskih in organskih fluorovih spojin, na primer aluminijevega natrijevega fluorida (Na₃AlF₆), ki se uporablja kot elektrolit pri taljenju kovinskega aluminija. Raztopina plinastega vodikovega fluorida v vodi se imenuje fluorovodikova kislina, katere velika količina se uporablja za čiščenje kovin in za poliranje, zaradi česar je steklo dolgočasno ali za jedkanje.

Brezplačni element dobimo z elektrolitskimi postopki v odsotnosti vode. Praviloma imajo obliko elektrolize taline kalijevega fluorida z vodikovim fluoridom (v razmerju 1 do 2,5-5) pri temperaturah 30-70, 80-120 ali 250 ° C. Med procesom se vsebnost vodikovega fluorida v elektrolitu zmanjša in temperatura taljenja se dvigne. Zato je potrebno, da se njegov dodatek pojavlja nenehno. V visokotemperaturnem prostoru se elektrolit zamenja, ko temperatura presega 300 ° C. Fluorid se lahko varno shrani pod pritiskom v jeklenkah iz nerjavečega jekla, če so valji valjev brez sledi organskih snovi.

Uporabi

Element se uporablja za proizvodnjo različnih fluoridov, kot je klor trifluorid (ClF₃), žveplov heksafluorid (SF₆) ali kobaltov trifluorid (CoF₃). Spojine klora in kobalta so pomembna sredstva za fluoriranje organskih spojin. (Če so na voljo ustrezni varnostni ukrepi, se lahko za to uporabi neposredno fluor). Žveplov heksafluorid Uporablja se kot plinasti dielektrik.

Elementalni fluor, pogosto razredčen z dušikom, reagira z ogljikovodiki, da tvorijo ustrezne fluoroogljike, v katerih je del ali celoten vodik nadomeščen s halogenom. Za pridobljene spojine je praviloma značilna visoka stabilnost, kemijska inertnost, visoka električna upornost, pa tudi druge dragocene fizikalno-kemijske lastnosti.

Fluoriranje lahko izvedemo tudi z obdelavo organskih spojin s trifluoridom kobalta (CoF₃) ali elektrolizo njihovih raztopin v brezvodnem vodikovem fluoridu. Uporabna plastika z lastnostmi, ki niso na palici, kot je politetrafluoroetilen [(CF₂CF₂)_x], znani pod trgovskim imenom Teflon, izhajajo iz nenasičenih fluoriranih ogljikovodikov.

Organske spojine, ki vsebujejo klor, brom ali jod, so fluorirane za proizvodnjo snovi, kot je diklorodifluorometan (Cl₂CF₂) Hladilnega sredstva, ki se pogosto uporablja v gospodinjske hladilnike in klimatske naprave. Ker klorofluoroogljikovodikov, kot diklorodifluorometana, igrajo aktivno vlogo pri tanjšanje ozonskega sloja in njihova proizvodnja in uporaba je omejena in sedaj želeni hladilno sredstvo, ki vsebuje fluorirane ogljikovodike.

Element se uporablja tudi za proizvodnjo uranovega heksafluorida (UF₆), ki se uporablja pri postopku difuzije plina ločevanja urana-235 iz urana-238 pri proizvodnji jedrskega goriva. Vodikov fluorid in bor trifluorid (BF₃) se proizvajajo v komercialni obliki, saj so dobri katalizatorji za reakcije alkiliranja, ki se uporabljajo za proizvodnjo številnih organskih spojin. Natrijev fluorid se običajno doda v pitno vodo, da se zmanjša pogostost zobnega razpada pri otrocih. V zadnjih letih je postala najpomembnejša uporaba fluoridnih spojin na farmacevtskih in kmetijskih področjih. Selektivna substitucija fluorida dramatično spreminja biološke lastnosti snovi.

Analiza

Te količine tega halogena v spojinah je težko natančno določiti. Prosti fluor, katerega valenca je enaka 1, se lahko odkrije z oksidacijo živega srebra Hg + F₂ → HgF₂, in tudi z merjenjem povečanja teže živega srebra in spremembe prostornine plina. Glavni kvalitativni testi prisotnosti ionov elementov so:

• evolucijo vodikovega fluorida pod vplivom žveplove kisline,
• nastajanje oborine kalcijevega fluorida z dodatkom raztopine kalcijevega klorida,
• razbarvanje rumene raztopine titanovega tetraoksida (TiO₄) in vodikovega peroksida v žveplovi kislini.

Kvantitativne analitske metode:

• obarjanje kalcijevega fluorida v prisotnosti natrijevega karbonata in obdelavo oborine z ocetno kislino,
• obarjanje svinčevega klorofluorida z dodatkom natrijevega klorida in svinčevega nitrata,
• titracija (določitev koncentracije raztopljene snovi) z raztopino torijevega nitrata (Th [NO₃]₄) z natrijevim alizarin sulfonatom kot indikator: Th (NO₃)₄ + 4KF harr-ThF₄ + 4KNO₃.

Kovalentno vezani fluor (valenca I), kot je na primer pri fluoroogljikovih atomih, je težje analizirati. Za to je potrebna spojina s kovinskim natrijemom, čemur sledi analiza F^-, kot je opisano zgoraj.

Lastnosti elementov

Na koncu damo nekaj lastnosti fluora:

• Atomska številka: 9.
• Atomska masa: 18,9984.
• Možne fluorinske valence: 1.
• Tališče: -219,62 ° C
• Vrelišče: -188 ° C
• Gostota (1 atm, 0 ° C): 1,696 g / l.
• Elektronska formula fluora: 1s²2s²2p⁵_.