Химия фтора

Свободный фтор представляет собой зеленоватожелтый газ с характерным резким и неприятным запахом. Его плотность по воздуху равна 1,13, температура кипения –187 °С, температура плавления –219 °С. Относительная атомная масса фтора равна 19. Во всех своих соединениях фтор одновалентен. Атомы фтора соединяются между собой в двухатомные молекулы.

Фтор образует соединения, прямо или косвенно, со всеми другими элементами, включая некоторые инертные газы.

С водородом фтор соединяется даже при –252 °С. При этой температуре водород превращается в жидкость, а фтор затвердевает, и все же реакция протекает с таким сильным выделением тепла, что происходит взрыв. Долгое время не было известно соединение фтора с кислородом, но в 1927 г. французским химикам удалось получить дифторид кислорода, образующийся при действии фтора на слабый раствор щелочи:

2F₂ + 2NаОН = 2NаF + OF₂ + H₂O.

С азотом фтор непосредственно не соединяется, но косвенным путем известному специалисту по фтору Отто Руффу удалось получить в 1928 г. трифторид азота NF₃. Известны и другие азотсодержащие соединения фтора. Сера под его действием при доступе воздуха воспламеняется. Древесный уголь загорается в атмосфере фтора при обычной температуре.

Самое простое средство тушения пожаров – вода – горит в струе фтора светло-фиолетовым пламенем.

Все металлы при тех или иных условиях взаимодействуют со фтором. Щелочные металлы воспламеняются в его атмосфере уже при комнатной температуре. Серебро и золото на холоде взаимодействуют с фтором очень медленно, а при накаливании сгорают в нем. Платина при обычных условиях не реагирует с фтором, но сгорает в нем при нагревании до 500–600 °С.

Из соединений других галогенов с металлами фтор вытесняет свободные галогены, становясь на их место. Кислород также легко вытесняется фтором из большинства кислородных соединений. Так, например, воду фтор разлагает с выделением кислорода (с примесью озона):

Н₂O + F₂ = 2НF + O.

Соединяясь с водородом, фтор образует газообразное соединение – фтороводород НF. Водные растворы фтороводорода называют плавиковой кислотой. Газообразный НF – бесцветный газ с резким запахом, очень вредно действующий на дыхательные органы и слизистые оболочки. Обычный способ его получения — действие серной кислоты на плавиковый шпат СаF₂:

СаF₂ + Н₂SО₄ = СаSO₄ + 2НF.

Для молекул фтороводорода характерна способность к их ассоциации (соединению). При температуре около 90 °С получается простая молекула НF с относительной молекулярной массой 20, но при понижении температуры до 32 °С измерения приводят к удвоенной формуле Н₂F₂. При температуре кипения фтороводорода, равной 19,4 °С, появляются ассоциаты Н₃F₃ и Н₄F₄. При более низких температурах состав ассоциатов фтороводорода еще сложнее.

Плавиковая кислота действует на все металлы, за исключением золота и платины. На медь и серебро плавиковая кислота действует очень медленно. Слабые растворы ее совершенно не действуют на олово, медь и бронзу.

Устойчив к плавиковой кислоте и свинец, который покрывается слоем фторида свинца, предохраняющим металл от дальнейшего разрушения. Поэтому свинец и служит материалом для аппаратуры в производстве плавиковой кислоты.

Склонность молекул НF к ассоциации приводит к тому, что кроме средних солей фтороводородной кислоты известны и кислые, например КНF₂ (из нее электролизом получают фтор). В этом заключается ее отличие от других галогеноводородных кислот, дающих только средние соли.

Характерная особенность плавиковой кислоты, отличающая ее от всех других кислот, – чрезвычайно легкое ее действие на кремнезем SiO₂ и соли кремниевой кислоты:

SiO₂ + 4НF = SiF₄ + 2H₂O.

Тетрафторид кремния SiF₄ – газ, улетучивающийся при реакции.

Действуя на кремнезем, входящий в состав стекла, плавиковая кислота разъедает стекло, поэтому хранить ее в стеклянных сосудах нельзя.

Из органических веществ плавиковая кислота действует на бумагу, дерево, пробку, обугливая их. На пластик действует слабо, совершенно не действует на парафин, чем и пользуются при хранении плавиковой кислоты в сосудах, сделанных из этого материала.

Фтор довольно распространен в природе. Процентное содержание его в земной коре приближается к содержанию таких элементов, как азот, сера, хром, марганец и фосфор. Промышленное значение имеют, однако, только два фтористых минерала — плавиковый шпат и криолит. Кроме того, фтор входит в сравнительно небольшом количестве в состав апатитов. При переработке природных фосфатов на искусственные удобрения в качестве побочных продуктов получают фтористые соединения.

Плавиковый шпат, называемый иначе флюоритом, или плавиком, является по своему составу фторидом кальция CaF₂. В природе плавиковый шпат может встречаться как в виде отдельных кристаллов, так и в сплошных массах. Образование месторождений плавикового шпата геологи объясняют следующим образом. При остывании некогда жидкой массы земной коры внутри нее образовались трещины и пустоты. Когда в такие пустоты, возникшие внутри пород, содержащих в своем составе кальций, проникали растворы или вулканические газы, содержащие фтор, происходило взаимодействие между кальцием породы и фтором раствора или газа. В результате такого взаимодействия пустоты заполнялись массой фторида кальция. Таково происхождение плавикового шпата.

Получение фтора и применение его соединений

Замечательно разнообразие окраски плавикового шпата: он может быть совершенно бесцветным (прозрачным), белым, розовым, голубым, зеленым, красным, фиолетовым. Наиболее часто встречающиеся его окраски — зеленая и фиолетовая.

Мощные залежи плавикового шпата находятся в американских штатах Иллинойс, Кентукки, Колорадо.

Элементарный фтор в настоящее время нашел пока единственное широкое применение: в деле обеззараживания питьевой воды. Но в отличие от своего аналога хлора, который служит для той же цели непосредственно, фтор используется здесь косвенным путем. Действием фтора на воду получают озон, который и применяется для стерилизации питьевой воды.

С питьевой водой, кстати, фтор поступает в наш организм. При недостатке фтора уменьшается устойчивость эмали зубов против содержащихся в пище кислот.

Многие фторсодержащие вещества очень важны для современной науки и техники. Большое значение получили соединения фтора с углеродом, называемые фторуглеродами. В природе они не встречаются и получаются исключительно искусственно. Фторуглероды обладают рядом ценных свойств: они не горят, не подвергаются коррозии, гниению и т.д. Возможности их практического применения все время расширяются. Например, фторхлорпроизводные простейших углеводородов (СН₄ и др.) – так называемые фреоны – широко применяются как хладагенты в холодильных установках на судах, железнодорожных вагонах, в бытовых холодильниках и т.п.

Материал подготовил П.А.КОШЕЛЬ