Фтор- химическая формула, характеристики

История

Первое соединение фтора — флюорит (плавиковый шпат) CaF2 — описано в конце XV века под названием «флюор». В 1771 году Карл Шееле получил плавиковую кислоту. При обработке минерала флюорита CaF2 серной кислотой он выделил HF в виде водного раствора. Это событие рассматривается в истории химии как открытие фтора. Аналогию с хлором предложил в 1810 году Андре Ампер, его поддержал Гемфри Дэви. Дэви изучил растворения стекла в плавиковой кислоте.

Как химический элемент, входящий в состав плавиковой кислоты, фтор был предсказан в 1810 году, а выделен в свободном виде лишь 76 лет спустя Анри Муассаном в 1886 году электролизом жидкого безводного фтористого водорода, содержащего примесь 2кислого фторида калия KHF.

Происхождение названия

Название «фтор» (от др.-греч. φθόριος ‘разрушительный’), предложенное Андре Ампером в 1816 году, употребляется в русском, греческом и некоторых других языках. Во многих же других странах приняты названия, производные от старинных названий минерала флюорита CaF2, которые в свою очередь происходят от его способности понижать температуру плавления металлургического шлака, образующегося при восстановлении металлов из руд, и увеличивать его текучесть (лат. fluere ‘течь’): например, тот же Ампер в письме Дэви от 26 августа 1812 предложил слово fluorine, благодаря адресату письма прочно вошедшее в английский язык.

Определение

В обычных условиях фтор представляет собой газ бледно-желтого цвета. Ядовит. В малых концентрациях запах фтора напоминает запах озона и хлора одновременно.

Самый электроотрицательный элемент. Обладает самой низкой поляризуемостью среди галогенов. Температура плавления фтора аномально низкая. Не растворим в воде, т.к. разлагает ее (2F2 + 2H2O = 4HF + O2).

Рис. 1. Фтор. Внешний вид.

Фтор в таблице Менделеева

Желтоватый ядовитый газ, название которого произошло от греческого слова, что переводится как «разрушение», в периодической системе располагается в 17 группе, во втором ряду и под 9 порядковым номером.

Галогены, включая фтор, выполняют функции окислителей. Активность элементов, представляющих группу, повышается с увеличением порядкового числа. Этот показатель самый высокий у фтора, под действием которого при 20-30°С воспламеняются металлы, сгорает водяной пар.

При нагревании газ, что в природе доступен в форме солей, разрушает медь и никель. При низких температурах фтор, вступая в реакцию с йодом, бором, углеродом и другими химическими элементами, которые не относятся к металлам, образует соединения, выделяющие тепло и вызывающие воспламенение или взрыв.

Строение атома фтора

Хотя история открытия вещества, выделенного в чистом виде Анри Муассаном, начиналась с XVI столетия, а плавиковая кислота продолжительное время применялась при протравливании стекла, строение фтора еще долго оставалось неизвестным.

У атома электроотрицательного химического элемента F, имеющего, как и другие галогены 2 оболочки, во внешнем энергетическом уровне присутствует один неспаренный электрон и 6 спаренных. Схема образования фтора изображается формулой F (+9) = 1s22s22p5.

При взаимодействии галогена, валентность которого равна единице, а степень окисления (-1), атом преобразуется в ион, заряженный отрицательно.

Химическая формула фтора

Химическое обозначение фтора – F от латинского слова «fluorum». Этот химический элемент расположен во втором периоде во VIIA группе Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Относится к элементам р-семейства. Неметалл. Относительная атомная масса фтора равна 18,9984 а.е.м.

Молекула фтора двухатомна. Её молекулярная формула имеет вид F2, а молекулярная масса равна:

Mr(F2) = 2×Ar(F);

Mr(F2) = 2×19 = 38.

Молярная масса фтора

Молярная масса (М) вещества представляет собой величину, равную отношению его массы к соответствующему количеству вещества. Молярную массу можно выразить в граммах на моль (г/моль):

M = m / n,

где m – масса в граммах; n–количество вещества в молях.

Молярная масса – постоянная величина для каждого химического элемента или вещества. Численное значение молярной массы совпадает с численным значением относительной молекулярной массы вещества (Mr – число, показывающее, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома углерода) или значением относительной атомной массы элемента (во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода).

Относительная атомная масса атомарного фтора равна 18,9984 а.е.м. Его относительная молекулярная масса будет равна 18,9984, а молярная масса:

M(F) = Mr (F) × 1 моль = 18,9984 г/моль.

Известно, что молекула фтора двухатомна – O2, тогда, относительная атомная масса молекулы фтора будет равна:

Ar(F2) = 18,9984 × 2 = 37,9968 а.е.м.

Относительная молекулярная масса молекулы фтора будет равна 37,9968, а молярная масса:

M(F2) = Mr (F2) × 1 моль = 37,9968 г/моль или просто 38 г/моль.

Фтор представляет собой газ бледно-желтого цвета(схема строения атома представлена на рис. 1). Ядовит. В малых концентрациях запах фтора напоминает запах озона и хлора одновременно.

Строение атома фтора.

Для вычисления молярной массы вещества, находящегося в газообразном состоянии можно использовать и другие походы, например, вести расчет по уравнению Менделеева-Клайпейрона, использовать для этой цели значения молярного объема или плотности газа по отношению к любому другому газу.

Электронная схема фтора

F: 1s2 2s2 2p5
Короткая запись:
F: [He]2s2 2p5

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом фтора и -2N, -1O

Порядок заполнения оболочек атома фтора (F) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Фтор имеет 9 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

5 электронов на 2p-подуровне

Степень окисления фтора

Атомы фтора в соединениях имеют степени окисления 0, -1.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

Физические и химические свойства

При обычных условиях фтор — газ (плотность 1, 693 кг/м3) с резким запахом. Температура кипения –188, 14°C, температура плавления –219, 62°C. В твердом состоянии образует две модификации: α-форму, существующую от температуры плавления до –227, 60°C, и β-форму, устойчивую при температурах, более низких, чем –227, 60°C.Как и другие галогены, фтор существует в виде двухатомных молекул F2. Межъядерное расстояние в молекуле 0, 14165 нм. Молекулу F2 характеризует аномально низкая энергия диссоциации на атомы (158 кДж/моль), что, в частности, обусловливает высокую реакционную способность фтора.

Химическая активность фтора чрезвычайно велика. Из всех элементов со фтором не образуют фторидов только три легких инертных газа — гелий, неон и аргон. Во всех соединениях фтор проявляет только одну степень окисления –1.Со многими простыми и сложными веществами фтор реагирует напрямую. Так, при контакте с водой фтор реагирует с ней (часто говорят, что «вода горит во фторе»):2F2+ 2H2O = 4HF + O2.Фтор реагирует со взрывом при простом контакте с водородом:H2 + F2 = 2HF.При этом образуется газ фтороводород HF, неограниченно растворимый в воде с образованием сравнительно слабой плавиковой кислоты.

Фтор вступает во взаимодействие с большинством неметаллов. Так, при реакции фтора с графитом образуются соединения общей формулы CFx, при реакции фтора с кремнием — фторид SiF4, с бором — трифторид BF3. При взаимодействии фтора с серой образуются соединения SF6 и SF4 и т. д. (см. Фториды).Известно большое число соединений фтора с другими галогенами, например, BrF3, IF7, ClF, ClF3 и другие, причем бром и иод воспламеняются в атмосфере фтора при обычной температуре, а хлор взаимодействует с фтором при нагревании до 200-250°С.Не реагируют со фтором непосредственно, кроме указанных инертных газов, также азот, кислород, алмаз, углекислый и угарный газы.

Косвенным путем получен трифторид азота NF3 и фториды кислорода О2F2 и OF2, в которых кислород имеет необычные степени окисления +1 и +2.При взаимодействии фтора с углеводородами происходит их деструкция, сопровождающаяся получением фторуглеводородов различного состава.

При небольшом нагревании (100-250°C) фтор реагирует с серебром, ванадием, рением и осмием. С золотом, титаном, ниобием, хромом и некоторыми другими металлами реакция с участием фтора начинает протекать при температуре выше 300-350°C. С теми металлами, фториды которых нелетучи (алюминий, железо, медь и др.), фтор с заметной скоростью реагирует при температуре выше 400-500°C.Некоторые высшие фториды металлов, например, гексафторид урана UF6, получают действуя фтором или таким фторирующим агентом, как BrF3, на низшие галогениды, например:UF4 + F2= UF6Следует отметить, что уже упоминавшейся плавиковой кислоте HF соответствуют не только средние фториды типа NaF или СаF2, но и кислые фториды — гидрофториды типа NaHF2 и КНF2.Синтезировано также большое число различных фторорганических соединений, в том числе и знаменитый тефлон — материал, представляющий собой полимер тетрафторэтилена .

Ионы фтора

F 01-F

Изотопы фтора

В природе фтор существует в виде единственного изотопа 19F. Массовое число равно 19. Ядро атома содержит девять протонов и десять нейтронов.

Существует ядерный изотоп фтора 18mF с периодом полураспада равным 109,771 минут.

Валентность F

Атомы фтора в соединениях проявляют валентность .

Валентность фтора характеризует способность атома F к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа F 1

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для иона F эти числа имеют значение N = 2, L = 1, Ml = 0, Ms = ½

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Распространение в природе

Содержание фтора в атомных процентах в природе показано в таблице:

ОбъектСодержание, %

В природе значительные скопления фтора содержатся, в основном, в минерале флюорите (CaF2), содержащем по массе 51,2 % Ca и 48,8 % F. Кларк в земной коре 650 г/т.

Из растений относительно богаты фтором чечевица и лук.

В почве фтор накапливается в результате вулканической деятельности, в составе вулканических газов обычно содержится большое количество фтороводорода.

Получение

На первой стадии получения фтора выделяют фтороводород HF. Приготовление фтороводорода и фтористоводородной (плавиковой) кислоты происходит, как правило, попутно с переработкой фторапатита на фосфорные удобрения. Образующийся при сернокислотной обработке фторапатита газообразный фтороводород далее собирают, сжижают и используют для проведения электролиза. Электролизу можно подвергать как жидкую смесь HF и KF (процесс осуществляется при температуре 15-20°C), так и расплав KH2F3 (при температуре 70-120°C) или расплав КНF2 (при температуре 245-310°C).В лаборатории для приготовления небольших количеств свободного фтора можно использовать или нагревание MnF4, при котором происходит отщепление фтора, или нагревание смеси K2MnF6 и SbF5:2K2MnF6 + 4SbF5 = 4KSbF6 + 2MnF3 + F2.

Применение Фтора

Применение фтора очень разнообразно. Ежегодная добыча фторсодержащей руды составляет около 6 миллионов тонн. Значительная часть добытого фтора уходит в металлургию. С помощью фторированного флюса выплавляют чугун и алюминий. К примеру, для получения одной тонны алюминия необходимо около 23 килограммов фтора. Так же фтор используется в ядерной промышленности для обогащения урана с помощью ядерной диффузии. Еще одним местом применения является энергетическая промышленность. Около 6 тысяч тонн фтора ежегодно используется в качестве диэлектрика в высоковольтных трансформаторах. Так же фтор очень широко распространен в медицине. Около 20% всех медицинских препаратов содержат этот химический элемент. Еще одним очень широко распространенным фторсодержащим продуктом являются различного рода хладогенты. Для справки, это вещества которые используются в системах кондиционирования воздуха. В общем, у фторсодержащих элементов огромный круг применения.

Интересные факты

Интересных фактов связанных со фтором так же немало. Как уже говорилось выше фтор в чистом вииде является крайне токсичным элементом. Этот химический элемент, не смотря на его токсичность, оказывает благоприятное влияние на эмаль зубов. В связи с таким открытием, долю фтора начали добавлять в зубные пасты. В такой концентрации, как в зубной пасте, для взрослого здорового человека, она не наносит существенного вреда, но для детей она может быть даже смертельна. Во многих зубных пастах сейчас присутствуют примеси фтора, которая оказывает положительное действие на эмаль зубов. При проглатывании такой пасты у взрослого человека может быть несварение или просто боли в животе, а для детей, особенно в раннем возрасте может вызвать серьезное отравление фтором. Проблема заключается в том что отравление фтором у детей иногда не могут распознать даже опытные врачи. Поэтому будьте внимательны при выборе зубных паст, особенно для детей.

Еще одним интересным моментом является глобальное потепление. Одной из причин этого явления являются ионы фтора. Все прекрасно знают, что глобальное потепление уже почти достигло масштаба экологической катастрофы и в последнее время она все больше и чаще напоминает о себе.  Дело все в том, что крупные добычи фтора и создание из него продукции начались только в 80 — 90-х годах. Все было в порядке, пока фторсодержащие продукты не начали разлагаться. Ионы Фтора начали достигать озонового слоя  и начали вступать в реакцию с O3. В результате озоновый слой разрушается до такой степени, что на возвращение его в исходное состояние займет около 200 лет.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос