FLUOR: ELŐZMÉNYEK, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, MEGSZERZÉS, KOCKÁZATOK, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A fluor egy kémiai elem, amelynek F szimbóluma van, és a 17. csoport vezet a csoporthoz, amelyhez a halogének tartoznak. A periódusos rendszer többi eleme felett megkülönbözteti, mivel a leginkább reaktív és elektronegatív; Szinte az összes atommal reagál, tehát végtelen számú sót és szerves fluorozott vegyületet képez.

Normál körülmények között halványsárga gáz, amely összetéveszthető sárgászölddel. Az alábbi képen látható folyékony állapotban sárga színe kissé erősödik, amely teljesen megszűnik, amikor fagypontján megszilárdul.

Folyékony fluor egy kémcsőben. Forrás: Fulvio314

A reakcióképessége gáz illékony jellege ellenére ilyen, hogy csapdába esik a földkéregben; különösen az ásványi fluorit formájában, amely lila kristályaikról ismert. Továbbá, reakcióképessége potenciálisan veszélyes anyaggá teszi; erőteljesen reagál mindenre, amit megérinti és lángba éget.

Számos mellékterméke azonban alkalmazástól függően ártalmatlan lehet és még hasznos is lehet. Például az ionos vagy ásványi formában hozzáadott fluorid (például fluoridsók) legelterjedtebb felhasználása a fluorid fogkrémek előállítása, amelyek elősegítik a fogzománc védelmét.

A fluornak az a sajátossága, hogy stabilizálja sok más elem nagy számát vagy oxidációs állapotát. Minél nagyobb a fluoratom, annál reakcióképesebb a vegyület (kivéve ha polimer). Hasonlóképpen, a molekuláris mátrixokkal gyakorolt ​​hatása növekszik; jóban rosszban.

Történelem

Fluorit használata

1530-ban a német ásványológus, Georgius Agricola felfedezte, hogy az ásványi fluoreszka felhasználható fémek tisztításához. A Fluorpark másik neve a fluoritnak, egy fluortartalmú ásványnak, amely kalcium-fluoridból (CaF ₂) állt.

A fluortartalmú elemet addig nem fedezték fel, és a fluort tartalmazó "fluoir" a "fluere" latin szóból származott, ami azt jelenti, hogy "folyik"; azóta pontosan ezt tette a fluoreszka vagy a fluorit a fémekkel: ez segített nekik elhagyni a mintát.

Fluor-fluorid előállítása

1764-ben Andreas Sigismud Margraffnak sikerült előállítani hidrogén-fluorid-savat, fluorit kénsavval melegítve. Az üveg utánokat a sav hatására megolvadták, így az üveget fémekkel helyettesítették.

Azt is tulajdonítják Carl Scheele-nek 1771-ben, a sav előállítását ugyanolyan módszerrel, majd Margraff követi. 1809-ben Andre-Marie Ampere francia tudós azt javasolta, hogy a fluor- vagy hidrogén-fluoridsav hidrogénből és egy új, a klórhoz hasonló elemből álló vegyület legyen.

A tudósok megkíséreltek fluoridot hosszú ideig hidrogén-fluorid felhasználásával izolálni; de veszélyessége ebben az értelemben megnehezítette a fejlődést.

Humphry Davy, Joseph Louis Gay-Lussac és Jacques Thénard súlyos fájdalmat szenvedett, amikor hidrogén-fluoridot (víz nélküli hidrogén-fluoridsav és gáznemű forma) inhaláltak. Paulin Louyet és Jerome Nickles tudósok hasonló körülmények között mérgezésben meghaltak.

Edmond Frémy, egy francia kutató megkísérelte száraz hidrogén-fluoridsav előállítását, hogy a kálium-bifluorid (KHF ₂) megsavanyításával elkerülje a hidrogén-fluorid mérgező hatását, de az elektrolízis során nem volt áramvezető.

Elkülönítés

1860-ban George Gore angol kémikus megpróbálta száraz hidrogén-fluorid elektrolízisét elvégezni, és sikerült kis mennyiségű fluorgázt izolálni. Robbanás történt azonban, amikor a hidrogént és a fluort hevesen rekombinálták. Gore a robbanást egy oxigénszivárgásnak tulajdonította.

1886-ban a francia vegyész, Henri Moisson először sikerült elkülöníteni a fluort. Korábban Moisson munkáját négyszer megszakította a hidrogén-fluorid súlyos mérgezése, miközben megpróbálta elkülöníteni az elemet.

Moisson Frémy hallgatója volt, és a fluort izoláló kísérleteire támaszkodott. A Moisson kálium-fluorid és hidrogén-fluorid keverékét alkalmazta az elektrolízis során. A kapott oldat az anódon összegyűjtött villamos energiát és fluortartalmot vezet; vagyis a pozitív töltésű elektródnál.

A Moisson korrózióálló berendezéseket használt, amelyekben az elektródák platina és irídium ötvözetből készültek. Az elektrolízis során platinatartályt használt és az elektrolitoldatot -23 ° F (-31 ° C) hőmérsékletre hűtette.

Végül, 1886. június 26-án, Henri Moisssonnek sikerült elkülöníteni a fluort - ez egy olyan munka, amely 1906-ban megnyerte a Nobel-díjat.

Érdeklődés a fluorid iránt

Egy ideig elvesztette az érdeklődés a fluorid kutatás iránt. Az atombomba előállítására szolgáló manhattani projekt kidolgozása azonban újból elősegítette.

Az amerikai Dupont cég az 1930-as és 1940-es évek között fejlesztett ki olyan fluortartalmú termékeket, mint például klór-fluorozott szénhidrogének (Freon-12), amelyeket hűtőközegként használtak; és poli (tetrafluor-etilén) műanyag, ismertebb nevén Teflon. Ez a fluortermelés és -felhasználás növekedését eredményezte.

1986-ban, egy konferencián körülbelül egy században a izolálása a fluor, a amerikai kémikus Karl O. Christe bemutatott kémiai eljárást előállítására fluort közötti reakció K ₂ MNF ₆ és SbF ₅.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

A fluor halványsárga gáz. Folyékony állapotban élénk sárga. Eközben a szilárd anyag lehet átlátszatlan (alfa) vagy átlátszó (béta).

Atomszám (Z)

9.

Atomsúly

18,998 u.

Olvadáspont

-219,67 ° C.

Forráspont

-188,11 ° C.

Sűrűség

Szobahőmérsékleten: 1,696 g / l.

Olvadáspont (folyadék): 1,505 g / ml.

A párolgás hője

6,51 kJ / mol.

Moláris kalóriakapacitás

31 J / (mol K).

Gőznyomás

58 K hőmérsékleten gőznyomása 986,92 atm.

Hővezető

0,0277 W / (mK)

Mágneses sorrend

diamágnesesek

Szag

Jellegzetes, csípő és szag, akár 20 ppb-nál is kimutatható.

Oxidációs számok

-1, amely megfelel a fluorid anion, F ^-.

Ionizációs energia

-Első: 1,681 kJ / mol

-Második: 3 374 kJ / mol

-Harmadik: 6.147 KJ / mol

elektronegativitás

3,98 a Pauling skálán.

Ez a kémiai elem a legnagyobb elektronegativitással; vagyis nagy affinitással rendelkezik azon atomok elektronjaihoz, amelyekhez kötődik. Emiatt a fluoratomok nagy dipólus momentumokat generálnak a molekula meghatározott területein.

Elektronegativitásanak van egy másik hatása is: az ahhoz kötött atomok annyira elveszítik az elektron sűrűségét, hogy pozitív töltést kezdenek megszerezni; ez egy pozitív oxidációs szám. Minél több fluoratom van egy vegyületben, annál nagyobb a központi atom pozitív oxidációs száma.

Például az OF _{2-ben az} oxigén oxidációs száma +2 (O ²⁺ F ₂ ^-); UF ₆, urán oxidációs számú +6 (U ⁶⁺ F ₆ ^-); ugyanez történik az SF _6-ban lévő kénnel (S ⁶⁺ F ₆ ^-); és végül van AgF ₂, ahol az ezüstnek még az oxidációs száma is +2, ez ritka.

Ezért az elemek a legpozitívabb oxidációs számukkal képesek részt venni, amikor fluort tartalmazó vegyületeket képeznek.

Oxidálószer

A fluor a legerősebb oxidáló elem, tehát egyetlen anyag sem képes oxidálni; és ezért nem szabad természetű.

Reakcióképesség

A fluor a hélium, a neon és az argon kivételével minden más elemmel kombinálható. Normál hőmérsékleten nem támad meg enyhe acélt vagy rézet. Hevesen reagál organikus anyagokkal, például gumi, fa és szövet.

A fluor reakcióba léphetnek a nemesgáz xenon, hogy kialakítsuk a erős oxidálószer xenon-difluoridot, XeF ₂. Reagál hidrogénnel, hogy halogenidet, hidrogén-fluoridot, HF-et képezzen. A hidrogén-fluorid viszont feloldódik a vízben, és így a híres hidrogén-fluoridsavat (üveg formájában) állítják elő.

A savas savak savassága, növekvő sorrendben osztályozva:

HF <HCl <HBr <HI

A salétromsav fluortartalommal reagál, és fluor-nitrátot (FNO ₃₎ képez. Eközben a sósav erőteljesen reagál a fluortartalommal HF, OF ₂ és ClF ₃ képződéséhez.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

Diatómás molekula

Fluormolekula a térbeli kitöltési modell segítségével. Forrás: Gabriel Bolívar.

A fluoratom alapállapotában hét vegyérték-elektronmal rendelkezik, amelyek az elektronikus konfiguráció szerint a 2s és a 2p pályán vannak:

2s ² 2p ⁵

A valenciakötés elmélete (TEV) kimondja, hogy két fluoratom, az F, kovalensen kötődik mindegyikének teljes valencia-oktetjéhez.

Ez gyorsan megtörténik, mivel csak egy elektronra van szükség ahhoz, hogy izoelektronikusá váljon a neon nemesgáz számára; és atomjai nagyon kicsik, nagyon erős hatásos nukleáris töltésűek, amelyek könnyen igényelnek elektronokat a környezetből.

A molekula F ₂ (felső kép), van egy egyszeres kovalens kötés, FF. Annak ellenére, hogy stabil a szabad F-atomokhoz képest, erősen reaktív molekula; homonukleáris, apoláris és lelkes az elektronokra. Ezért a fluor, mint az F ₂, nagyon mérgező és veszélyes faj.

Mivel az F ₂ apoláris, kölcsönhatása függ a molekulatömegétől és a londoni szórási erőktől. Egy bizonyos ponton az mindkét F-atom körüli elektronikus felhőnek deformálódnia kell, és azonnali dipólus kialakulásához kell vezetnie, amely újabb indukciót hoz létre a szomszédos molekulában; úgy, hogy lassan és gyengén vonzzák egymást.

Folyékony és szilárd

Az F ₂ -molekula nagyon kicsi és diffundál a térben viszonylag gyorsan. Gáznemű fázisa halványsárga színű (amelyet összetéveszthető a lime zöldvel). Amikor a hőmérséklet lecsökken -188 ° C, a diszperziót erők hatékonyabbá válnak, ami a F ₂ molekulák coalesce elég meghatározni a folyadék.

A folyékony fluor (első kép) még sárgabbnak tűnik, mint a megfelelő gáz. Ebben, az F ₂ -molekulák közelebb vannak, és kölcsönhatásba léphetnek a fénnyel, hogy nagyobb mértékben. Érdekes módon, ha a torzított köbméter fluorkristály -220 ° C-on képződik, a szín elhalványul és átlátszó szilárd anyag marad.

Most, hogy az F ₂ molekulák olyan közel vannak egymáshoz (de anélkül, hogy a molekuláris forgatások megállás), úgy tűnik, hogy az elektronok szert némi stabilitást, és ezért azok az elektronikus ugrás túl nagy a fény még működnek együtt a kristály.

Kristályos fázisok

Ez a köbös kristály megfelel a β-fázisnak (nem egy allotróp, mert ugyanaz az F ₂). Amikor a hőmérséklet még tovább esik -228 ºC-ra, a szilárd fluor fázisátmenetet hajt végre; a kockakristály monokliniké válik, az α fázis:

A fluor alfa-fázisának kristályszerkezete. Forrás: Benjah-bmm27.

Ellentétben β-F ₂, α-F ₂ átlátszatlan és kemény. Talán azért, mert az F ₂ molekulák már nem annyira foroghat a saját fix pozíciók monoklin kristályok; ahol nagyobb mértékben kölcsönhatásba lépnek fénnyel, elektronok izgalma nélkül (ami felületesen magyarázná az átlátszatlanságukat).

A kristály szerkezete α-F ₂ volt, nehéz tanulmányozni a hagyományos röntgendiffrakciós módszerek. Ez azért van, mert az átmenet a β az α fázis nagymértékben exoterm; annak oka, hogy a kristály gyakorlatilag felrobbant, ugyanakkor kevés kölcsönhatásba lép a sugárzással.

Körülbelül ötven év telt el, amíg a német tudósok (Florian Kraus et al.) A neutrondiffrakciós technikáknak köszönhetően nagyobb pontossággal meghatározták az α-F ₂ szerkezetét.

Hol található és szerezhető be

A fluor a 24. helyen áll az univerzum leggyakoribb elemei között. A föld tömege azonban 13 ^vo elem, a kéregben 950 ppm koncentráció, a tengervízben pedig 1,3 ppm koncentráció van.

A talajok fluorid-koncentrációja 150 és 400 ppm között van, és néhány talajban a koncentráció elérheti az 1000 ppm-t. A légköri levegőben 0,6 ppb koncentrációban van jelen; de néhány városban legfeljebb 50 ppb került rögzítésre.

A fluor nyerünk, amely főleg három ásványok: fluorit vagy fluorospar (CAF ₂), fluorapatit és kriolit (Na ₃ AlF ₆).

Fluor feldolgozás

Miután a kőzeteket ásványi fluoriddal összegyűjtötték, primer és szekunder zúzásnak vetik alá őket. Másodlagos zúzáskor nagyon kicsi kőzettöredékek keletkeznek.

A szikladarabokat ezután egy gömbmalomba visszük, hogy porrá redukálják. Vízhez és reagensekhez adunk pasztát, amelyet flotációs tartályba helyezünk. Levegőt injektálnak nyomás alatt, hogy buborékokat képezzenek, és így a fluorit a vizes felületen lebeg.

A szilikátok és karbonátok elrendeződnek, miközben a fluorit összegyűjtik és a szárítószekrényekbe veszik.

Miután megkapta a fluoritot, kénsavval reagáltatva hidrogén-fluoridot állítottak elő:

CaF ₂ + H ₂ SO ₄ => 2 HF + CaSO ₄

A hidrogén-fluorid elektrolízise

A fluortartalom előállítása során a Moisson 1886-ban alkalmazott módszert követik, néhány módosítással.

Az elektrolízist olvadt kálium-fluorid és hidrogén-fluorid elegyéből készítik, 1: 2,0 és 1: 2,2 mólarányban. Az olvadt só hőmérséklete 70-130 ° C.

A katód egy Monel ötvözetből vagy acélból áll, és az anód degrfitszén. Az elektrolízis során a fluortermelési folyamat az alábbiak szerint vázolható fel:

2HF => H ₂ + F ₂

Az elektrolízis kamra lehűtésére vizet használnak, de a megszilárdulás elkerülése érdekében a hőmérsékletnek meg kell haladnia az elektrolit olvadáspontját. Az elektrolízis során keletkező hidrogént a katódon, a fluort az anódon gyűjtik össze.

Izotóp

A fluor 18 izotópokat, a ¹⁹ F az egyetlen stabil izotóp 100% -os gyakoriság. A ¹⁸ F felezési ideje 109,77 perc, és a fluor radioaktív izotópja a hosszabb felezési idejével. A ¹⁸ F-et pozitronok forrásaként használják.

Biológiai szerepe

Emlősökben vagy magasabb növényekben a fluort metabolikusan nem ismertek. Egyes növények és tengeri szivacsok azonban monofluor-acetátot, egy mérgező vegyületet szintetizálnak, amelyet védelemként használnak annak elkerülésére.

kockázatok

A túlzott mennyiségű fluortartalmat felnőtteknél a csontfluorózissal és gyermekeknél a fogászati ​​fluorozzal, valamint a vesefunkció megváltozásával társították. Ezért az Egyesült Államok Közegészségügyi Szolgálata (PHS) javasolta, hogy a fluorid koncentrációja az ivóvízben ne legyen nagyobb, mint 0,7 mg / L.

Eközben az USA Környezetvédelmi Védelmi Ügynöksége (EPA) megállapította, hogy a fluorid koncentrációja az ivóvízben nem lehet nagyobb 4 mg / L-nél, hogy elkerülhető legyen a csontváz-fluorózis, amelyben a fluorid felhalmozódik a csontokban. Ez csontok gyengüléséhez és törésekhez vezethet.

A fluort a mellékpajzsmirigy károsodásával, a kalcium csökkenésével a csontszerkezetekben és a kalcium magas koncentrációját mutatják a plazmában.

A túlzott fluoridnak tulajdonítható változások között szerepelnek a következők: fogfluorózis, csontváz-fluorózis és mellékpajzsmirigy károsodása.

Fogászati ​​fluorózis

A fogfluorosis kis csíkokkal vagy foltokkal fordul elő a fogzománcban. 6 év alatti gyermekek nem használhatnak fluortartalmú szájvizet.

Csontváz-fluorózis

Csontváz-fluorózis esetén fájdalmat és a csontok, valamint az ízületek károsodását lehet diagnosztizálni. A csont megkeményedhet és elveszítheti rugalmasságát, ezzel növelve a törések kockázatát.

Alkalmazások

Fogkrém

Néhány fluorid szervetlen sóját használják adalékanyagként a fogkrémek készítéséhez, amelyekről kimutatták, hogy elősegítik a fogzománc védelmét. Forrás: Pxhere.

A fluorid felhasználásának a legjobban ismert fejezetével kezdjük: a sok fogkrém összetevőjeként szolgál. Ez nem az egyetlen használható, ahol a kontraszt közötti rendkívül mérgező és veszélyes molekula F ₂, és az anion F ^- Belátható, amely a környezetétől függően előnyös lehet (bár néha nem).

Amikor ételt eszünk, különösen édességeket, a baktériumok lebontják azt, növelve a nyálunk savasságát. Aztán jön egy olyan pont, ahol a pH elég savas, hogy lebomolja és ásványiassá tegye a fogzománcot; a hidroxiapatit lebomlik.

Azonban, ebben a folyamatban az F ^- ionok kölcsönhatásba a Ca ²⁺ alkotnak fluorapatit mátrix; stabilabb és tartósabb, mint a hidroxiapatit. Vagy legalább ez a javasolt mechanizmus, amely megmagyarázza a fluorid anion fogakra gyakorolt ​​hatását. Valószínűleg bonyolultabb és pH-függő hidroxiapatit-fluorapatite egyensúlyt mutat.

Ezek az F ^- anionok a fogakban sók formájában állnak rendelkezésre; mint például: NaF, SnF ₂ (a híres ón-fluorid) és NaPOF. Azonban, a koncentráció a F ^- alacsonynak kell lennie (kevesebb, mint 0,2%), mivel egyébként okoz negatív hatása van a szervezetben.

Vízfluorálás

A fogkrémhez hasonlóan a fluorid-sókat adtak az ivóvíz forrásokhoz az üregek kiküszöbölésére azokban, akik azt iszik. A koncentrációnak továbbra is sokkal alacsonyabbnak (0,7 ppm) kell lennie. Ez a gyakorlat azonban gyakran bizalmatlanság és viták tárgyát képezi, mivel ennek tulajdonítható a rákkeltő hatás.

Oxidálószer

Az F ₂ a gáz úgy viselkedik, mint egy nagyon erős oxidálószer. Ez sok vegyület gyorsabb égését okozza, mint ha oxigénnek és hőforrásnak vannak kitéve. Éppen ezért használták a rakétaüzemanyag-keverékekben, amelyekben az ózon helyettesítésére is felhasználhatók.

polimerek

Sok felhasználási, a hozzájárulások a fluor nem miatt F ₂ vagy F ^-, hanem közvetlenül a elektronegatív atomok részeként egy szerves vegyület. Lényegében CF-kapcsolatról beszélünk.

A struktúrától függően a CF-kötésű polimerek vagy szálak általában hidrofóbak, tehát nem kapnak nedvessé, és nem ellenállnak a hidrogén-fluorid savnak; Vagy még jobb, ha kiváló elektromos szigetelők és hasznos anyagok, amelyekből tárgyakat, például csöveket és tömítéseket gyártanak. A teflon és a nafion példák ezekre a fluorozott polimerekre.

gyógyszerészek

A fluor reakcióképessége megkérdőjelezhető több szervetlen vagy szerves fluorvegyület előállítására. Az organikus gyógyszerekben, különösen azokban, amelyeknek farmakológiai hatása van, heteroatomjuk F-atomokkal történő felváltása növeli (pozitív vagy negatív) biológiai célpontra gyakorolt ​​hatásaikat.

Ezért van a gyógyszeriparban néhány gyógyszer módosítása fluoratomok hozzáadásával.

Nagyon hasonló történik herbicidekkel és fungicidekkel. A benne levő fluorid növeli a rovar- és gombás kártevők elleni hatását és hatékonyságát.

Üveg gravírozás

A hidrogén-fluorid-savat az üveg és a kerámia iránti agresszivitásuk miatt felhasználják ezeknek az anyagoknak a vékony és finom darabjai gravírozására; általában számítógépek mikrokomponenseinek vagy elektromos izzók gyártására szánják.

Urándúsítás

Az elemi fluor egyik legfontosabb felhasználása az urán dúsításának elősegítése ²³⁵ U mennyiségben. Ehhez az urán ásványokat feloldják hidrogén-fluorid savban, és így UF _{4-et eredményeznek}. Ez a szervetlen fluorid, majd reagál az F ₂, így átalakítja UF ₆ (²³⁵ UF ₆ és ²³⁸ UF ₆).

Ezt követően, és segítségével gáz centrifugálás, a ²³⁵ UF ₆ elválasztjuk a ²³⁸ UF ₆, hogy később oxidált és tárolni, mint a nukleáris üzemanyag.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Krämer Katrina. (2019). A fagyasztott fluor szerkezetét 50 év elteltével felülvizsgálták. A Kémiai Királyi Társaság. Helyreállítva: chemistryworld.com
3. Wikipedia. (2019). Fluor. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Fluor. PubChem adatbázis. CID = 24524. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Dr. Doug Stewart. (2019). Fluor elem tények. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
6. Batul Nafisa Baxamusa. (2018. február 21.) A nagyon reakcióképes fluor meglepően gyakori felhasználása. Helyreállítva: sciencestruck.com
7. Paola Opazo Sáez. (2019. február 04.). Fluor a fogkrémben: jó vagy rossz az egészségére? Helyreállítva: nacionfarma.com
8. Karl Christe és Stefan Schneider. (2019. május 8.). Fluor: kémiai elem. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
9. Lenntech BV (2019). Periódusos rendszer: oxigén. Helyreállítva: lenntech.com
10. Gagnon Steve. (Sf). A fluortartalmú elem. Jefferson Lab. Visszaállítva a következőből: education.jlab.org
11. Az American Cancer Society orvosi és szerkesztői tartalmi csapata. (2015, július 28.). Vízfluoráció és rák kockázata. Helyreállítva: Cancer.org