氟：历史，性质，结构，获取，风险，用途 - 化学

的氟是用符号F和17点的引线群，向其中属于所述卤素的化学元素。它在元素周期表的其他元素之上具有最高的反应性和负电性。它几乎与所有原子反应，因此形成无限数量的盐和有机氟化化合物。

在正常情况下，它是淡黄色气体，可以与黄绿色混淆。在液体状态下，如下图所示，黄色略微增强，在凝固点凝固时完全消失。

试管中的液态氟。资料来源：Fulvio314

尽管其气体具有挥发性，但其反应性仍使它被困在地壳中。特别是萤石矿物，以其紫色晶体而闻名。同样，它的反应性使其成为潜在的危险物质。它对接触到的所有物质都做出强烈反应，并燃烧成火焰。

但是，根据其应用，其许多副产品可能无害甚至有益。例如，以离子或矿物形式（例如氟化物盐）添加的氟化物最常用的用途是制备有助于保护牙釉质的氟化物牙膏。

氟具有可以稳定许多其他元素的高数或氧化态的特性。氟原子数越高，化合物的反应性越强（除非它是聚合物）。同样，它对分子基质的作用也会增加。无论好坏。

历史

萤石的使用

1530年，德国矿物学家Georgius Agricola发现氟石矿物可用于金属提纯。萤石是萤石的另一种名称，萤石是一种由氟化钙（CaF ₂）组成的氟矿物。

那时还没有发现氟元素，而萤石中的“ fluoir”来自拉丁文“ fluere”，意为“流动”。因为，这正是萤石或萤石对金属的作用：它帮助他们离开样品。

氢氟酸的制备

1764年，Andreas Sigismud Margraff成功地制备了氢氟酸，并用硫酸加热了萤石。玻璃罐在酸的作用下熔化，因此玻璃被金属代替。

它也归功于1771年的卡尔·谢勒（Carl Scheele），随后用相同的方法制备了该酸，随后是马格拉夫（Margraff）。1809年，法国科学家安德烈·玛丽·安珀雷（Andre-Marie Ampere）提出，氟或氢氟酸是由氢和一种类似于氯的新元素组成的化合物。

科学家们试图长时间使用氢氟酸来分离氟化物。但它的危险性使这种意义上的进步变得困难。

汉弗莱·戴维（Humphry Davy），约瑟夫·路易斯·盖伊·卢萨克（Joseph Louis Gay-Lussac）和雅克·特纳德（JacquesThénard）吸入氟化氢（不含水和气态的氢氟酸）时会感到剧烈疼痛。科学家Paulin Louyet和Jerome Nickles在类似情况下死于中毒。

法国研究人员埃德蒙德·弗雷米（EdmondFrémy）试图通过酸化氟化氢钾（KHF ₂）来生成干燥的氢氟酸，以避免氟化氢的毒性，但在电解过程中没有电流传导。

隔离

1860年，英国化学家乔治·戈尔（George Gore）试图电解干燥氢氟酸，并成功分离出少量的氟气。但是，由于氢和氟剧烈复合而发生爆炸。戈尔将爆炸归因于氧气泄漏。

1886年，法国化学家Henri Moisson首次成功分离出氟。以前，Moisson的工作因试图隔离元素而被严重的氟化氢中毒中断了四次。

Moisson是Frémy的学生，并依靠他的实验来分离氟。Moisson在电解过程中使用了氟化钾和氢氟酸的混合物。所得溶液传导电并在阳极收集氟气。即在带正电的电极上。

Moisson使用了耐腐蚀设备，其中电极由铂和铱的合金制成。在电解过程中，他使用了一个铂金容器，并将电解液冷却至-23ºF（-31ºC）。

最终，在1886年6月26日，亨利·莫森（Henri Moissson）成功地隔离了氟，这项工作使他在1906年获得了诺贝尔奖。

对氟化物的兴趣

一度失去了对氟化物研究的兴趣。但是，用于生产原子弹的曼哈顿计划的发展再次推动了这一计划的发展。

美国杜邦公司（Dupont）在1930年至1940年之间开发了氟化产品，例如用作制冷剂的氯氟烃（Freon-12）。和聚四氟乙烯塑料，以特富龙的名字而闻名。这增加了氟的生产和消费。

1986年，在纪念隔离氟百年的一次会议上，美国化学家卡尔·克里斯蒂（Karl O. Christe）提出了一种通过K ₂ MnF ₆与SbF ₅反应制备氟的化学方法。

物理和化学特性

出现

氟是淡黄色气体。在液态时为亮黄色。同时，固体可以是不透明的（α）或透明的（β）。

原子序数（Z）

9。

原子重量

18,998个

熔点

-219.67°C。

沸点

-188.11°C。

密度

在室温下：1.696 g / L

熔点（液体）：1.505 g / mL。

汽化热

6.51 kJ /摩尔

摩尔热容量

31 J /（mol K）。

蒸汽压力

在58 K的温度下，蒸气压为986.92 atm。

导热系数

0.0277瓦/（m K）

磁性顺序

抗磁

气味

特征性刺激性和刺激性气味，即使在20 ppb时也可检测到。

氧化数

-1，这对应于氟化物阴离子，F ^- 。

电离能

-第一：1,681 kJ / mol

-第二：3,374 kJ / mol

-第三：6.147 KJ / mol

电负性

在鲍林量表上为3.98。

它是具有最高电负性的化学元素。也就是说，它对与其键合的原子的电子具有很高的亲和力。因此，氟原子在分子的特定区域中产生较大的偶极矩。

它的电负性也有另一个作用：与它结合的原子失去了太多的电子密度，以至于它们开始获得正电荷。这是一个正的氧化数。化合物中的氟原子越多，中心原子的氧化数就越大。

例如，在作者₂氧具有2（O的氧化数²⁺ ˚F ₂ ^-）; 在UF ₆，铀具有6（U的氧化数⁶⁺ ˚F ₆ ^-）; 同样的情况在SF硫₆（S ⁶⁺ ˚F ₆ ^-）; 最后是AgF ₂，其中银甚至具有+2的氧化值，这对它来说是罕见的。

因此，当元素与氟形成化合物时，它们设法以其最正的氧化数参与。

氧化剂

氟是最强大的氧化元素，因此没有物质能够将其氧化。因此，它本质上不是免费的。

反应性

氟能够与除氦，氖和氩之外的所有其他元素结合。在常温下它也不会腐蚀低碳钢或铜。与有机材料如橡胶，木材和织物剧烈反应。

氟可以与稀有气体氙发生反应，形成强氧化剂二氟化氙XeF ₂。它还与氢反应形成卤化物，氟化氢，HF。反过来，氟化氢溶解在水中以产生著名的氢氟酸（如玻璃）。

酸的酸度按升序分类是：

HF <HCl <HBr <HI

硝酸与氟反应生成硝酸氟FNO ₃。同时，盐酸与氟剧烈反应形成HF，OF ₂和ClF ₃。

结构和电子配置

双原子分子

用空间填充模型表示的氟分子。资料来源：加布里埃尔·玻利瓦尔（GabrielBolívar）。

处于基态的氟原子具有七个价电子，根据电子构型，它们位于2s和2p轨道中：

2s ² 2p ⁵

价键理论（TEV）指出，两个氟原子F共价键合，每个氟原子完成其价八位位。

这很快发生，因为它只需要一个电子就可以与氖稀有气体等电。它的原子很小，具有很强的有效核电荷，很容易从环境中获取电子。

分子F ₂（上图）具有一个共价键FF。尽管它与游离F原子相比具有稳定性，但它是一种高反应性分子。同核，非极性，渴望电子。这就是为什么氟像F ₂一样是剧毒和危险的物种。

由于F ₂是非极性的，因此其相互作用取决于其分子质量和伦敦散射力。在某个时刻，两个F原子周围的电子云必须变形并产生一个瞬时偶极子，该偶极子在相邻分子中感应出另一个偶极子。使它们缓慢而微弱地相互吸引。

液体和固体

F ₂分子很小，并且在空间中扩散较快。在气相中，它呈现出淡黄色（可能被误认为是柠檬绿）。当温度降至-188°C时，分散力变得更有效，导致F ₂分子聚结成足够的液体。

液态氟（第一个图像）看起来比其各自的气体还要黄。在其中，F ₂分子更接近并与光发生更大程度的相互作用。有趣的是，一旦变形的立方氟晶体在-220°C下形成，颜色就会褪色并保持透明固体状态。

现在F ₂分子是如此紧密（但分子旋转没有停止），看来它们的电子获得了一定的稳定性，因此，它们的电子跃迁太大，以至于光甚至无法与晶体相互作用。

结晶相

该立方晶体对应于β相（它不是同素异形体，因为它保持相同的F ₂）。当温度进一步下降至-228ºC时，固态氟经历了相变；立方晶体变成单斜晶体，α相：

氟的α相的晶体结构。资料来源：Benjah-bmm27。

不同于β-F ₂，α-F ₂是不透明的和困难的。也许是因为F ₂分子在单斜晶体中不再具有在固定位置旋转的自由度；它们与光有更大程度的相互作用，但不会激发电子（这从表面上解释了它们的不透明性）。

的α-F的结晶结构₂是很难用常规的X射线衍射的方法来研究这是因为从β到α相的过渡是高度放热的。晶体实际上爆炸的原因，同时它与辐射的相互作用很小。

花了大约五十年前德国科学家（弗洛里安·克劳斯等人）完全破译的α-F结构₂以更高的精度由于中子衍射技术。

在哪里找到和获得

氟在宇宙中最常见的元素中排名第24。然而，地球质量为13 ^vo元素，地壳中的浓度为950 ppm，海水中的浓度为1.3 ppm。

土壤中的氟化物浓度在150至400 ppm之间，在某些土壤中，其浓度可达到1,000 ppm。在大气中，它的浓度为0.6 ppb。但是在某些城市，记录到的数据高达50 ppb。

氟主要来自三种矿物：萤石或氟石（CaF ₂），氟磷灰石和冰晶石（Na ₃ AlF ₆）。

萤石加工

用萤石矿物收集岩石后，将它们进行一次和二次破碎。通过二次破碎，获得了非常小的岩石碎片。

然后将碎石带到球磨机中还原成粉末。添加水和试剂以形成糊状物，将其置于浮选槽中。在压力下注入空气以形成气泡，因此萤石最终漂浮在水表面。

收集萤石并将其带入干燥炉时，硅酸盐和碳酸盐沉淀出来。

一旦获得萤石，它就会与硫酸反应生成氟化氢：

CaF ₂ + H ₂ SO ₄ => 2 HF + CaSO ₄

电解氟化氢

在氟的生产中，遵循了Moisson在1886年使用的方法，但进行了一些修改。

电解是由熔融的氟化钾和氢氟酸的混合物进行的，摩尔比为1：2.0至1：2.2。熔融盐的温度为70-130°C。

阴极由蒙乃尔合金或钢组成，阳极为石墨碳。电解过程中的氟生产过程可概述如下：

2HF => H ₂ + F ₂

使用水来冷却电解室，但是温度必须高于电解质的熔点以避免凝固。电解产生的氢被收集在阴极，而氟被收集在阳极。

同位素

氟有18种同位素，其中¹⁹ F是唯一稳定的同位素，具有100％的丰度。该¹⁸ F具有的109.77分钟半衰期，并与较长的半氟的放射性同位素 - 生命。的¹⁸ F用于正电子作为一个源。

生物作用

在哺乳动物或高等植物中，尚无氟的代谢活性。但是，一些植物和海洋海绵会合成一氟乙酸盐（一种有毒的化合物），它们被用作防止其破坏的保护剂。

风险性

氟化物的过量摄入与成人骨氟中毒和儿童氟中毒以及肾脏功能改变有关。因此，美国公共卫生服务局（PHS）建议饮用水中的氟化物浓度不应大于0.7 mg / L。

同时，美国环境保护署（EPA）规定饮用水中的氟化物浓度不应大于4mg / L，以避免骨骼中氟累积在骨骼中的氟中毒。这可能导致骨骼变弱和骨折。

氟化物与甲状旁腺的损害有关，骨骼结构中钙的减少和血浆中钙的高浓度。

归因于过量氟化物的改变包括：氟中毒，氟骨症和甲状旁腺损害。

氟中毒

牙釉质中出现小条纹或斑点会导致氟牙症。6岁以下的儿童不应使用含氟的漱口水。

骨骼氟中毒

在氟骨症中，可以诊断出疼痛和骨骼以及关节的损伤。骨头会变硬并失去弹性，增加骨折的风险。

应用领域

牙膏

一些氟化物的无机盐在牙膏配方中用作添加剂，已被证明有助于保护牙釉质。资料来源：Pxhere。

我们从关于氟化物用途的部分开始，其中最著名的一个是：作为许多牙膏的成分。这不是唯一的用途，其中它的之间的对比度剧毒和危险分子˚F ₂和阴离子˚F ^-可以理解的，这取决于它的环境可以是有益的（虽然有时不）。

当我们吃食物，尤其是甜食时，细菌会通过增加唾液的酸度来分解食物。然后，pH值呈酸性，足以降解和脱盐牙釉质。羟磷灰石分解。

然而，在此过程中在F ^-离子相互作用与CA ²⁺以形成氟磷灰石基质; 比羟基磷灰石更稳定，更耐用。至少，这是用来解释氟离子对牙齿的作用的机制。它可能更复杂，并且具有pH依赖性的羟基磷灰石-氟磷灰石平衡。

，这些F ^-阴离子是在盐的形式牙科牙可用; 例如：NaF，SnF ₂（著名的氟化亚锡）和NaPOF。然而，F的浓度^-必须低（小于0.2％），因为否则它会导致对身体的负面影响。

水氟化

就像牙膏一样，氟化物盐也被添加到饮用水源中，以对抗饮用者中的蛀牙。浓度仍应低得多（0.7 ppm）。但是，这种做法通常是不信任和争议的主题，因为它被认为可能具有致癌作用。

氧化剂

F ₂气体表现为非常强的氧化剂。这导致许多化合物的燃烧比暴露于氧气和热源时燃烧更快。这就是为什么它被用于火箭燃料混合物中，甚至可以代替臭氧的原因。

聚合物

在许多用途，氟的贡献不是由于˚F ₂或F ^- ，而是直接到其电负性原子作为有机化合物的一部分。本质上，我们在谈论CF链接。

取决于结构，具有CF键的聚合物或纤维通常是疏水的，因此它们不会变湿或抵抗氢氟酸的侵蚀。甚至更好的是，它们可以是出色的电绝缘体，并且是有用的材料，可以用来制造诸如管道和垫圈之类的物体。聚四氟乙烯和萘酚是这些氟化聚合物的例子。

药剂师

氟的反应性使其在多种无机或有机氟化合物的合成中的应用受到质疑。在有机物中，特别是在具有药理作用的有机物中，用F原子取代其杂原子之一会（正向或负向）增加其对生物学目标的作用。

这就是为什么在制药工业中总是通过添加氟原子来修饰某些药物的原因。

除草剂和杀真菌剂的情况非常相似。它们中的氟化物可以增强其对昆虫和真菌害虫的作用和效力。

玻璃雕刻

氢氟酸由于其对玻璃和陶瓷的侵蚀性，已被用来雕刻这些材料的薄而细腻的碎片。通常用于制造计算机的微型组件或用于电灯泡。

铀浓缩

元素氟最相关的用途之一是帮助富集²³⁵ U的铀。为此，将铀矿物溶解在氢氟酸中，生成UF ₄。然后，该无机氟化物与F ₂反应，从而转化为UF ₆（²³⁵ UF ₆和²³⁸ UF ₆）。

随后，通过气体离心将²³⁵ UF ₆与²³⁸ UF ₆分离，随后被氧化并作为核燃料储存。

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