Co to jest fluor? Właściwości pierwiastka chemicznego
Fluor to najlżejszy członek rodziny halogenów, element grupy 17 (VIIA) układu okresowego. Ta grupa obejmuje również chlor, brom, jod i astat.
Krótki opis
9 elektronów fluoru tworzy konfigurację 1s 2 2s 2 2p 5 . W wypełnionej powłoce wewnętrznej znajdują się 2 elektrony, a 7 - zewnętrzna, która pozostawia 1 wolną przestrzeń.
Struktura fluoru czyni go najbardziej aktywnym pierwiastkiem chemicznym, który reaguje z prawie wszystkimi substancjami. W wysokich temperaturach i ciśnieniach reaguje nawet z gazami szlachetnymi, chociaż zwykle pierwiastki z grupy 18 (VIIIA), znane również jako gazy obojętne, nie oddziałują z innymi substancjami.
Fluor został odkryty w 1886 roku przez francuskiego chemika Henri Moissan (1852-1907). Zebrał gaz, przepuszczając prąd elektryczny przez fluorowodór (H 2 F 2 ).
Konsumenci wiedzą najwięcej o fluorze ze względu na jego dwa związki. Dwuatomowy gaz służy do produkcji fluorków, związków, które od lat pięćdziesiątych XX wieku. część past do zębów. Są skuteczne w zapobieganiu próchnicy, więc są nawet dodawane do miejskich systemów wodnych.
Inną grupą związków fluoru jest chlorofluorowęglowodory (CFC). Od wielu lat cieszą się ogromną popularnością jako propelenty w aerozolu. Jednak CFC w górnych warstwach atmosfery reagują z ozonem (O 3 ). Warstwa ozonowa filtry szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe Słońce, które jest promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali krótszej niż widmo fioletowe, a zatem o wyższej energii niż światło widzialne. Dlatego produkcja CFC jest obecnie zabroniona.
Historia odnajdywania
Chemia zawsze była niebezpieczną nauką. A wczesna chemia była śmiertelną okupacją. Naukowcy pracowali z substancjami, o których wiedzieli niewiele. Odkrycie nowych związków i pierwiastków często miało tragiczne konsekwencje.
Fluor jest niezwykle niebezpieczną substancją. Próbując wyizolować ten pierwiastek, chemicy otrzymywali straszliwe oparzenia, a nawet umierali. Fluor gazowy uszkadza miękkie tkanki dróg oddechowych.
Na początku XVI wieku niemiecki naukowiec George Agricola (1494-1555) opisał fluoryt, który nazwał "fluorytem". To słowo pochodzi od łacińskiego czasownika fluere ("flow"). Agricola twierdził, że fluor dodany do stopionych metali czyni je bardziej płynnymi, co ułatwiło pracę z nimi. Niemiecki naukowiec nie wiedział, że ten minerał zawiera fluorek w postaci fluorku wapnia (CaF 2 ).
Fluoryt był przedmiotem intensywnych badań. W 1670 r. Niemiecki szklak Heinrich Schwanhard odkrył, że mieszanina fluorytu i kwasu tworzy substancję, która może być użyta do wytrawiania szkła, to jest reakcji chemicznej w celu uzyskania matowej powierzchni. Proces ten stosuje się do nakładania wzorów na szkło, a także do tworzenia dokładnych naukowych przyrządów pomiarowych.
W 1771 r. Szwedzki chemik Carl Wilhelm Scheele (1742-86) odkrył nową substancję wytrawiającą. Opisał szczegółowo właściwości kwasu fluorowodorowego (HF). Praca Scheele przyczyniła się do intensywnych badań tego związku.
Chemicy szukali sposobów na rozłożenie kwasu fluorowodorowego na jego składniki. Zakładali, że trzeba odkryć element, którego nigdy wcześniej nie widzieli. Jednak nie wiedzieli, czym jest fluor i jak niebezpiecznie jest. Wielu badaczy kwasu fluorowodorowego zostało unieruchomionych przez wdychanie gazowej HF. Jeden z nich, belgijski chemik Paulin Louyet (1818-1850), zmarł na skutek działania tej substancji.
Wreszcie w 1888 problem został rozwiązany. Francuski chemik Henri Moissan uzyskał roztwór kwasu fluorowodorowego (HF) w fluorku potasu (KHF 2 ). Następnie schłodził ją do -23 ° C i przepuścił przez nią prąd elektryczny. Na jednym końcu urządzenia pojawił się gaz. Nowy pierwiastek chemiczny jest nazywany fluorem, pochodzący od łacińskiej nazwy fluorspar. Słowo "fluor" w 1810 roku zostało zaproponowane przez André Ampere. Jest pochodzenia greckiego i oznacza "zniszczenie".
Właściwości fizyczne
Fluor to jasnożółty gaz o gęstości 1,695 g / l. To sprawia, że jest około 1,3 razy gęstsza od powietrza. Fluor wchodzi w stan ciekły w -188,13 ° C, a ciało stałe w -2 19,61 ° C. Substancja ma silny specyficzny zapach, podobny do zapachu chloru i ozonu, zauważalny nawet w bardzo małych ilościach - do 20 części na miliard. Ta właściwość jest bardzo przydatna dla osób pracujących z fluorem - gaz można wykryć i uniknąć szkodliwych skutków, gdy wejdzie on do pomieszczenia.
Właściwości chemiczne
Energia wiązania F 2 jest znacznie niższa niż w przypadku Cl 2 lub Br 2 i jest identyczna z nadtlenkiem wodoru. Wysoka elektroujemność powoduje dysocjację, wysoką reaktywność i silne wiązania chemiczne między fluorem i innymi atomami. Łatwo wchodzi w kontakt z dowolnym innym elementem, z wyjątkiem helu, neonu i argonu. Fluor reaguje z większością związków, często bardzo aktywnie. Na przykład po zmieszaniu z wodą następuje eksplozja. Z tych powodów należy zachować szczególną ostrożność w laboratorium.
Będąc w naturze
W stanie swobodnym nie znaleziono pierwiastka fluorowego. Najczęściej występującymi minerałami zawierającymi fluor są fluoryt, fluorapatyt i kriolit. Apatyt jest złożonym minerałem zawierającym przede wszystkim wapń, fosfor i tlen, zwykle w połączeniu z fluorem. Kriolit jest również znany jako dźwigar grenlandzki, ponieważ Grenlandia jest jedynym komercyjnym źródłem tego minerału. Składa się głównie z fluorku sodowo-glinowego Na 3 ALF 6 .
Głównymi światowymi producentami surowców do produkcji fluoru są Chiny, Meksyk, Mongolia i RPA. Stany Zjednoczone kiedyś wydobywały niewielką ilość fluorytu, ale ostatnia kopalnia została zamknięta w 1995 r., A kraj zaczął importować rudy fluorków.
Fluor jest obfity w skorupie ziemskiej. Jego udział szacuje się na około 0,06%. To sprawia, że jest to 13 najbardziej powszechny element w skorupie, który w przybliżeniu odpowiada zawartości manganu lub baru.
Co to jest fluor-19?
Pierwiastek chemiczny ma tylko jeden naturalny izotop - 19 F. Izotopy reprezentują inną postać pierwiastka, różniącą się liczbą masową, która odpowiada liczbie protonów i neutronów w jądrze atomu. Liczba protonów określa element, ale liczba jego neutronów może być różna. Ponadto każda odmiana jest izotopem. Fluor-19 ma duży współczynnik żyroskopowy i wyjątkową wrażliwość na pola magnetyczne. Ponieważ jest to jedyny stabilny izotop, jest on stosowany w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego.
Znane 17 radioaktywnych izotopów fluoru. Spośród nich najbardziej stabilny jest 18 F. Jego jądra są podzielone z okresem półtrwania wynoszącym 109,77 minut. 18 F jest czasem wykorzystywane do badań medycznych. W organizmie fluor przemieszcza się głównie do kości. Jego obecność może być wykryta przez emitowane promieniowanie. Wzorzec promieniowania pozwala określić stan tkanki kostnej. Fluor-18 jest czasem używany podobnie do badania funkcji mózgu.
Odbieranie, określanie, używanie
Przemysłowa produkcja fluorków oparta jest na metodzie Moissan. Prąd elektryczny o wartości 8-12 V przepuszcza się przez mieszaninę HF i KF z wytworzeniem H2 i F2.
Fluor oznacza się w roztworach metodą potencjometryczną, czyli przez pomiar potencjału elektrody. Membrana elektrody wykonana jest z monokrystalicznego LaF 3 domieszkowanego difluorkami metali szlachetnych.
W stanie elementarnym fluoru używa się stosunkowo niewiele. Jest na to zbyt aktywny. Stosowany w paliwie rakietowym, zapewniający spalanie, np. Tlen. Najbardziej popytu w stanie związanym. Fluorki to związki fluoru i metalu. Przykładami są fluorek sodu (NaF), wapń (CaF2) i cyna (SnF2).
Ochrona zębów
Fluor jest częścią pasty do zębów. Badania wykazały, że niewielka ilość fluoru może pomóc zmniejszyć częstość występowania próchnicy. Są osadzane jako tworzenie nowego materiału zęba, co czyni go mocnym i odpornym na zniszczenie.
W niektórych miastach fluor dodaje się do systemu zaopatrzenia w wodę. W ten sposób władze mają nadzieję poprawić stan zdrowia stomatologicznego obywateli. Przede wszystkim korzystają na tym młodzi ludzie, których zęby wciąż się rozwijają. Proces dodawania fluoru do układu wodnego nazywa się fluoryzacją. Zbyt dużo fluoru w wodzie prowadzi do ciemnienia zębów i pojawienia się trwałych plam.
Dobry czy zły?
Niektórzy martwią się długofalowym wpływem fluoru w publicznych wodociągach na zdrowie publiczne. Wskazują, że fluor jest śmiertelną trucizną, a jej związki mogą być toksyczne. To prawda, F 2 jest bardzo niebezpieczny, ale właściwości związków różnią się od ich składników. Tak więc niepokój jest bezpodstawny.
Silny charakterystyczny zapach fluoru pozwala wykryć jego wyciek i uniknąć kontaktu z nim.
Fluorki są zazwyczaj niebezpieczne tylko w dużych dawkach. Ich stężenie w wodzie jest zwykle bardzo małe, tylko kilka ppm. Większość ekspertów w dziedzinie stomatologii i opieki zdrowotnej uważa, że taki fluor jest użyteczny i nie stanowi zagrożenia dla zdrowia ludzkiego.
Teflon
Przypadkowe odkrycia odgrywają dużą rolę w badaniach naukowych. Przykład udanego i bardzo opłacalnego wypadku może służyć jako materiał Teflon - tworzywo sztuczne, wyprodukowane przez firmę DuPont Chemical Company. Stało się ważnym produktem komercyjnym, ponieważ prawie nic się nie trzyma. Dzisiaj każdy ma patelnię, której wewnętrzna powierzchnia jest pokryta tym materiałem, ponieważ żywność nie przykleja się podczas gotowania. Ponadto patelnie teflonowe nie wymagają oleju roślinnego ani zwierzęcego.
Teflon został przypadkowo odkryty w 1938 r. Przez chemika z firmy DuPont, Roy Plunkett (1911-1994), który rozwijał chlorofluorowęglowodory (CFC). Chciał wiedzieć, co by się stało, gdyby zmieszał tetrafluoroetylen (TFE) C 2 F 4 z kwasem nadchlorowym. Do eksperymentu zainstalował urządzenie, aby gazowy TPV wpłynął do zbiornika HCl. Ale kiedy otworzył zawór, nic się nie stało. Plunkett mógłby odrzucić statek, ale nie zrobił tego. Zamiast tego, chemik go przepiłował i odkrył, że TFE spolimeryzował w jedną masę, to jest tysiące pojedynczych cząsteczek TFE połączonych w jeden, zwany politetrafluoroetylenem (PTFE).
Plunkett zdrapał powstały biały proszek i wysłał go do naukowców DuPont, którzy opracowywali sztuczne włókna. Badali nowy materiał i odkryli jego właściwości antyadhezyjne. Wkrótce rozpoczęto opracowywanie wielu aplikacji dla nowego materiału.
DuPont zarejestrował znak Teflon w 1945 roku, a rok później wypuścił swoje pierwsze produkty. Od tego czasu powłoka nieprzywierająca stała się powszechna w naczyniach kuchennych, Teflon pojawił się w sprayach do pieczenia i jako ochrona plam dla tekstyliów i tekstyliów.
Chlorofluorowęglowodory
Element fluoru został również użyty do produkcji freonu. Chlorofluorowęglowodory zostały odkryte w późnych latach dwudziestych przez amerykańskiego inżyniera chemicznego Thomasa Midgli Jr. (1889-1944). Te związki mają wiele interesujących właściwości. Są bardzo stabilne i nie zapadają się, gdy są używane w przemyśle. Freon był szeroko stosowany w systemach klimatyzacyjnych i lodówkach, jako środki czyszczące, w aerozolach i jako część wyspecjalizowanych polimerów. Produkcja CFC wzrosła z 1 tys. Ton w 1935 r. Do ponad 300 tys. Ton w 1965 r. I 700 tys. Ton w 1985 r.
Jednak w połowie lat osiemdziesiątych. Badania wykazały, że związki te powodują uszkodzenie warstwy ozonowej, która znajduje się na wysokości od 20 do 50 km ponad powierzchnią Ziemi i jest ważna dla życia na naszej planecie, ponieważ chroni ją przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym pochodzącym ze słońca. Doprowadziło to do stopniowego zaprzestania produkcji i użytkowania w większości krajów świata. Pojawiły się nowe, bezpieczne dla Ziemi materiały, zastępujące CFC.
Ochrona wszystkich żywych istot
CFC były popularnymi chemikaliami przemysłowymi, ponieważ trudno je zniszczyć. Przez długi czas substancje te były stosowane w klimatyzatorach i lodówkach jako środek, który przenosi ciepło na zewnątrz. Ale naukowcy zdali sobie sprawę, że CFC stanowią zagrożenie dla warstwy ozonowej, ponieważ są niszczone. Jak to możliwe? Zawsze istnieje możliwość wycieku czynnika chłodniczego z klimatyzatorów i lodówek. CFC to gazy lub ciecze, które łatwo parują i wznoszą się w atmosferę. W końcu docierają do warstwy ozonowej.
Na tej wysokości, pod wpływem intensywnego promieniowania słonecznego, CFC są niszczone. Cząsteczka stabilna na Ziemi traci tę jakość na dużych wysokościach. Gdy zostanie zniszczony, uwalniany jest atom chloru, który może reagować z O3. Ozon filtruje szkodliwe promieniowanie słoneczne, powodując poważne oparzenia słoneczne i raka skóry. Tlen nie jest zdolny do tego. Im więcej CFC w atmosferze, tym więcej atomów chloru. Im więcej atomów chloru, tym mniejsze cząsteczki ozonu i więcej ultrafioletu docierają do powierzchni Ziemi, co ma negatywny wpływ na zdrowie człowieka.
Do połowy lat 80. XX wieku uzyskano dowody na to, że CFC uszkadzają warstwę ozonową. To przekonało polityków, aby zakazali dalszej produkcji i stosowania chlorofluorowęglowodorów.
Wpływ na zdrowie ludzi
Fluor jest pierwiastkiem chemicznym, który może być bardzo niebezpieczny. Wdychanie w niewielkich ilościach powoduje poważne podrażnienie układu oddechowego (nos, gardło i płuca). W dużych ilościach może to prowadzić do śmierci. Najwyższa dopuszczalna dawka fluoru to 1 część na milion części powietrza przez 8 godzin.