Фтор

Фтор (от древне-греческого Φθόρος «разрушение, порча, вред», далее от φθείρω«уничтожать, истреблять, губить») — пищевой минерал, элемент периодической таблицы химических элементов с атомным номером 9. Принадлежит к 17-й группе (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе VII группы или к группе VIIA), находится во втором периоде таблицы. 18,998 атомная масса элемента. Обозначается символом F (от латинского Fluorum). Химически активный неметалл и сильнейший окислитель, фтор самый легкий элемент из группы галогенов.

Фтор – разрушающий – удивительно подходящее название. Однако за границами страны более распространено другое имя элемента N 9 – флюор, что в переводе с латинского означает “текучий”. Это название больше подходит не к фтору, а к его соединениям и берет свое начало от флюорита или плавикового шпата – первого соединения фтора, которым начал пользоваться человек. Еще в древности, по-видимому, люди знали о способности этого минерала снижать температуру плавления руд и металлургических шлаков, но, естественно, не знали его состава. Флюором назвали главную составную часть этого минерала.

В обычных условиях фтор – бледно-желтый газ, жидкость канареечно-желтого цвета при температуре -188oC , а при -228oC фтор замерзает и превращается в светло-желтые кристаллы. Кристаллы обесцветятся, если температуру понизить до -252oC. Запахи хлора, брома и йода трудно отнести к разряду приятных. В этом фтор мало отличается от своих собратьев галогенов. Его запах резкий и раздражающий напоминает одновременно запахи хлора и озона. Чтобы нос человека уловил присутствие фтора достаточно одной миллионной доли в воздухе.

История

В 1529 года Агрикола описал флюорит в качестве добавки, понижающей точку плавления металлов. Он застолбил латинское слово fluores (fluo, flow) для породы. Позже имя трансформировалось в fluorspar (используется и до сих пор), а затем уже во флюорит. Минеральный состав руды был позже определен, как дифторид кальция. Плавиковая кислота использовалась для создания рисунка на стекле, примерно с 1720 года. И первое упоминание о флюоре и флюорите относится к XV в. Андреас Сигизмунд Марграф первым охарактеризовал это агрессивное соединение в 1764 года по термической реакции флюорита с серной кислотой, результат которой разрушал даже стекло.

Художник из Нюрнберга Швангард в 1670 году смешивал плавиковый шпат с серной кислотой и этой смесью рисовал на стекле. Швангард не знал, что компоненты его смеси реагируют между собой, а “рисует” уже продукт реакции. Это незнание не помешало внедрению открытия Швангарда. И в наши дни им пользуются. Стеклянный сосуд покрывают тонким слоем парафина. Художник по этому слою рисует, а затем опускает сосуд в раствор плавиковой кислоты. В местах, где неуязвимая для фтористого водорода парафиновая “броня” снята, кислота разъедает стекло, и рисунок навсегда остается на нем. Это применение фтористого водорода отнюдь не единственное.

В конце XV века описано первое соединение фтора это флюорит (плавиковый шпат) CaF2 под названием «флюор». В 1771 году получил плавиковую кислоту Карл Шееле. В начале XVIII века открыли плавиковую кислоту – водный раствор фтористого водорода, а в 1780 году известный шведский химик Карл Вильгельм Шееле впервые высказал мысль, что эта кислота содержит новый активный элемент. Однако, химикам потребовалось больше 100 лет, целый век упорной работы многих ученых из разных стран, чтобы подтвердить догадку Шееле и выделить фтор (или флюор). Сегодня известно, что фтор очень токсичен, а работа с ним и его соединениями требует осторожности и продуманных мер защиты. Первооткрыватели фтора могли об этом только догадываться, да и то не всегда.

Научный каламбур

Как один из атомов плавиковой кислоты элемент фтор был предсказан в 1810 году, а выделен в свободном виде в 1886 году Анри Муассаном электролизом жидкого безводного фтористого водорода, содержащего примесь кислого форида калия KHF2. Андре Ампер в 1810 году предложил название «фтор» (от древне – греческого φθόρος разрушение), которое употребляется в русском и других языках. Во многих странах принято название, производное от латинского «fluorum» (которое происходит от fluere — «течь», — по свойству соединения фтора, флюорита (CaF2), понижать температуру плавления шлака при восстановлении металлов из руд и увеличивать текучесть его расплава).

Название настолько укоренилось в умах ученых, что логически оправданное предложение о переименовании элемента, выдвинутое в 1816 году не нашло поддержки. В эти годы шли усиленные поиски флюора, было накоплено немало экспериментальных данных, подтверждавших разрушительные способности флюора и его соединений. Авторами предложения были крупнейшие ученые того времени Хэмфри Дэви и Андрэ Ампер. Однако фтор оставался флюором.

Герои науки

История открытия фтора связана с именами многих ученых науки. Братья Томас и Георг Нокс, английские химики, пытались получить фтор из фторидов серебра и свинца. Опыты закончились трагически: Томас погиб, Георг Нокс остался инвалидом. Трагическая участь постигла Д. Никлеса и П. Лайета. Потеряли здоровье Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар, так и не получив сколько-нибудь обнадеживающих результатов. Выдающийся химик XIX века Хэмфри Дэви, создатель водородной теории кислот, человек, впервые получивший натрий, магний, калий, кальций, стронций и барий, доказавший элементарность хлора, не смог решить проблемы получения элемента фтора. Он отравился и тяжело заболел в ходе этих опытов.

Из отчета Дэви: “Я предпринял эксперимент по электролизу чистой фтористоводородной кислоты с большим интересом, так как он давал наиболее вероятную возможность убедиться в действительной природе фтора. Но при осуществлении процесса встретились значительные трудности. Жидкая фтористоводородная кислота немедленно разрушала стекло и все животные и растительные вещества. Она действует на все тела, содержащие окиси металлов. Я не знаю ни одного вещества, которое бы не растворялось в ней, за исключением некоторых металлов, фосфора, серы древесного угля и некоторых соединений хлора”.

Более успешными оказались М. Фарадей, А. Лавуазье, Э. Фреми, но и они не добились удачи. В 1834 году Фарадею показалось, что ему, наконец, удалось получить неуловимый газ. Но вскоре он признался: “Я не смог получить фтор. Мои предположения, подвергаясь строгому анализу, отпадали одно за другим.” В течение полувека этот гигант науки пытался решить проблему получения фтора, но так и не смог одолеть ее. Неудачи преследовали ученых. Крепла уверенность существования и возможности выделения фтора с каждым новым опытом. Она основывалась на многочисленных аналогиях в поведении и свойствах соединений фтора с соединениями уже известных галогенов – хлора, брома и йода.

На этом пути были и удачи. Способ получения безводного фтористого водорода нашел Фреми, пытаясь с помощью электролиза извлечь фтор из фторидов. Каждый опыт, даже неудачный, пополнял копилку знаний об удивительном элементе фторе и приближал день его открытия. И этот день настал.

Великое открытие

26 июня 1886 года подверг электролизу безводный фтористый водород французский химик Анри Муассан. Он получил на аноде при температуре – 23oC новое, чрезвычайно активное газообразное вещество. Удалось собрать несколько пузырьков газа А.Муассану. Это был фтор. Француз Муассан сообщил Парижской академии о своем открытии. Моментально создали комиссию, которая через несколько дней прибудет в лабораторию Муассана, чтобы увидеть все своими глазами.

Химик Муассан тщательно готовился к проведению повторного эксперимента. Он подверг исходный фтористый водород дополнительной очистке, и высокопоставленная комиссия не увидела фтора. Результат не повторялся, электролиза с выделением фтора не наблюдалось. Скандал?! Но Анри нашел причину. Оказалось, что лишь малые количества фтористого калия, которое содержится во фтористом водороде, делают его проводником электричества. В первом опыте применение фтористого водорода без дополнительной очистки помогло достичь успеха. В результате были примеси – шел электролиз. Причиной неудачи стала тщательная подготовка второго опыта.

И удача сопутствовала Муассану. Он смог найти недорогой и надежный материал для аппаратов, получающих фтор. Фтор и фтористый водород разрушали любую аппаратуру. Еще Хэмфри Дэви проводил испытания сосудов из угля, кристаллической серы, серебра и платины, но все эти материалы подверглись разрушениям в процессе электролиза соединений фтора. Первые граммы фтора А. Муассан выделил в электролизере из платины с электродами из иридиево-платинового сплава. Несмотря на низкую температуру, проведения опыта, каждый грамм фтора “уничтожал”от 5 до 6 г платины.

Сосуд из платины Анри Муассан заменил медным. И медь подвергалась действию фтора, но как и алюминий защищается от воздуха окисной пленкой, так и медь “укрывалась” от фтора за пленкой непреодолимого для него фторида меди. До сих пор практически единственным методом получения фтора является электролиз. В качестве электролита используют расплавы бифторидов с 1919 года. Для современных электролизеров и электродов используют материалы такие как никель, сталь, медь, графит. Это удешевляет производство элемента фтора и дает возможность наладить его получение в промышленных масштабах. В сущности принцип получения фтора остался тот же, что предлагали и Фарадей и Дэви, а впервые осуществил Муассан.

Органические соединения

В 30-х годах ХХ века методом синтеза получены первые соединения фтора с углеродом. Было отмечено, что подобные вещества в природе встречаются крайне редко, и никаких достоинств за ними не замечались. Развитие отраслей современной техники и их потребностей в новых материалах привели к тому, что получают уже тысячи органических соединений, в составе которых находится фтор. Фреоны это важнейшие материалы холодильной техники, а фторопласт-4 по праву называется пластмассовой платиной.

“Характер” элемента фтора весьма агрессивный. История его открытия напоминает детективный роман, где что ни страница, то или убийство или отравление. И сам фтор, и многие его соединения использовали в производстве оружия массового уничтожения. Во время второй мировой войны трифторид хлора фашисты применяли в качестве зажигательного средства. В Англии, США, Германии рассматривались некоторые фторсодержащие соединения как секретные отравляющие вещества, а получались в полузаводских масштабах. Не секрет для всех, что наврядли удалось получить атомное оружие без фтора.

Работа с фтором весьма опасна, малейшая неосторожность приводит к печальным последствиям, например у человека разрушаются зубы, повышается хрупкость костей, уродуются ногти, кровеносные сосуды эластичность теряют и становятся ломкими. Последствия работы приводят к тяжелой болезни или смерти. Но совместимость фтора и жизни вполне оправдана. Впервые это доказал обычный, правда ископаемый, слон, которого откопали в окрестностях Рима. Случайно в его зубах обнаружили фтор. Это открытие подтолкнуло ученых к проведению систематического изучения химического состава зубов человека и животных. Установили, что в составе зубов содержится до 0,02% фтора, который в организм попадает с питьевой водой. Обычно тонна воды содержит до 0,2 мг фтора. Нехватка фтора вызывает гниение зубов – кариес.

Искусственная добавка фтора к воде в местах, где обнаружена его нехватка, приводит к устранению новых заболеваний у людей и уменьшению степени кариеса у уже больных им. Тут же отметим, что и избыток фтора в воде вызывает заболевание – флюороз (пятнистая эмаль). Извечная истина медицины: большие дозы – яд, а малые — лекарство. Существуют установки искусственного фторирования воды. Особенно эффективен этот способ профилактики кариеса у детей. Известны страны, где соединения фтора (в исключительно малых дозах) добавляют в молоко. Предполагают о том, что фтор необходим для развития живой клетки и что он находится вместе с фосфором в составе животных и растительных тканей.

В синтезе различных медицинских препаратов находит широкое применение фтор. Успешно применяются фторорганические соединения для лечения болезней щитовидной железы, хронических форм диабета, и ревматических и бронхиальных заболеваний, особенно базедовой болезни, глаукомы и рака. Они пригодны также для профилактики и лечения малярии и являются хорошими средствами против и стафилококковых и стрептококковых инфекций. Фторорганические препараты используют как надежные обезболивающие средства.

Жизнь и фтор – этот раздел химии фтора достоин дальнейшего развития, и будущее – за ним. Фтор и смерть нужно работать в этой области тоже, но чтобы получать не смертоносные отравляющие вещества, а препараты для борьбы с грызунами и вредителями сельского хозяйства. Доброе применение на благо человеку находят, например, монофторуксусная кислота и фторацетат натрия.

В природе

Среднее содержание фтора в почве равнины составляет 0,02%. В литре морской воды 0,3 мг фтора. Раковины устриц имеют его в 20 раз больше. Коралловые рифы заключают миллионы тонн фторидов. Среднее содержание фтора у живых организмов в 200 раз меньше, чем у земной коры. Иногда содержат фтористый водород газы вулканического происхождения. Известный природный источник газов находится на Аляске фумаролы Долины Тысячи Дымов. Ежегодно в атмосферу с вулканическим дымом уносится около 200 тыс. тонн фтористого водорода.

Элемент фтор является для организма жизненно необходимым. У человека фтор содержится в эмали зубов в составе фторапатита — Ca5F(PO4)3. При недостатке (менее 0,5 мг/литр питьевой воды) или избытке (более 1 мг/литр) потребления организмом фтора развиваются заболевания зубов: кариес и флюороз (крапчатость эмали) и остеосаркома. Малое содержание фтора разрушает эмаль за счет вымывания фтора из фторапатита с образованием гидроксоапатита.

При профилактике кариеса рекомендуют использовать зубные пасты с добавлением фторидов (натрия и/или олова), пить фторированную воду (до концентрации 1 мг/л) или применять местные аппликации с 1—2 % раствором фторида натрия или фторида олова. Такие действия помогут сохранить зубы от появления кариеса на 30—50 %. В воздухе промышленных помещений предельно допустимая концентрация связанного фтора равна 0,0005 мг/литр воздуха.

В энергетике

Роль фтора и его соединений исключительно важна в производстве ядерного горючего. Можно утверждать, что не будь фтора, в мире не было бы ни одной атомной электростанции, а общее число реакторов не составило труда сосчитать на пальцах. Общеизвестно, что ядерным горючим служит не всякий уран, а лишь некоторые его изотопы это 235U. Нелегко разделять изотопы, отличающиеся один от другого содержанием числа нейтронов в ядре, причем чем тяжелее элемент, тем меньше ощущается разница в весе. Разделение изотопов урана осложняется тем, что практически все методы разделения рассчитаны на летучие жидкости или газообразные вещества.

Температура кипения урана около 3500oC. Какие материалы пришлось использовать для изготовления колонны, центрифуги, диафрагмы для разделения изотопов, если бы была необходимость работать с парами урана?! Известно летучее соединение урана – его гексафторид UF6. Закипает при 56,2oC. Разделению подлежит не металлический уран, а гексафториды урана-235 и урана-238. Химические свойства этих веществ естественно одинаковые, не отличающиеся друг от друга. Процесс разделения проводят на стремительно вращающихся центрифугах. Разогнанные центробежной силой молекулы гексафторида урана проводят через мелкопористые перегородки: “легкие” молекулы, содержащие 235U, сквозь них проходят чуть быстрее “тяжелых”.

После разделения гексафторид урана превращают в тетрафторид UF4, а затем и в металлический уран. Гексафторид урана получают реакцией взаимодействия урана с элементарным фтором, но реакция трудно управляема. Более удобно обрабатывать уран соединениями фтора с другими галогенами, например СlF3, BrF и BrF6. Получение тетрафторида урана UF4 связано с использованием фтористого водорода. В США в середине 60-х годов на производство урана затрачивали почти 10% всего фтористого водорода – порядка 20 тыс. тонн. Процесс производства важных для ядерной техники материалов, таких как бериллий, торий, цирконий, также включает фазы получения фтористых соединений этих элементов.

Тефлон

В конце 30-х годов ХХ века в арсенале химиков появилось вещество, против которого слаба царская водка. Это оказалась пластмасса – фторопласт-4, известная под названием тефлон. Молекулы тефлона отличаются от полиэтиленовых тем, что все атомы водорода, окружающие главную цепь (… – С — С — С – …), заменены фтором. Фторопласт-4 получают полимеризацией тетрафторэтилена – бесцветного неядовитого газа.

Полимеризация тетрафторэтилена открыта случайно. В 1938 году в одной лаборатории внезапно прекратилась подача этого газа из баллона. После вскрытия баллона, выяснилось, что он заполнен неизвестным белым порошком, оказавшимся политетрафторэтиленом. Исследование нового полимера показало его удивительную химическую стойкость и высокие электроизоляционные свойства. Сейчас из этого полимера прессуют важнейшие детали для станков, самолетов, машин.

Содержание в пище

Фтором богаты чечевица и лук, как и большинство овощей и фруктов. Сюрпризом для многих станет то, что источником редкого элемента являются чайные листья. Именно листья, а не пакетики. Богаты фтором:

  • рыбная мука;

  • сардины.

Хорошими источниками являются кофе (любой) и мясо рыб.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *