Фтор

элемент фторСамый активный, самый электроотрица­тельный, самый металлоидный, самый реакционноспособный, самый агрессивный эле­мент. Самый, самый, самый… Это слово или его синонимы нам придется повторять очень часто. Ведь речь пойдет о фторе — элемен­те особенном и необычном.

На полюсе Периодической системы

Фтор — элемент из семейства галогенов, в которое входят также хлор, бром, йод и искусственно полученный радиоактивный астатин. Фтору свойственны все особенно­сти собратьев по подгруппе, однако он по­добен человеку без чувства меры: все уве­личено до крайности, до предела. Это объясняется, прежде всего, положением элемента № 9 в Периодической системе и его электронной структурой. Его место в таблице Менделеева — «полюс неметалли­ческих свойств», правый верхний угол. Атом­ная модель фтора: заряд ядра +9, два электрона расположены на внутренней обо­лочке, семь — на внешней. Каждый атом всегда стремится к устойчивому состоянию. Атом фтора — тоже. Для этого ему нужно заполнить внешний электронный слой. За­хвачен восьмой электрон, и цель достигну­та — образован ион фтора с «насыщенной» внешней оболочкой.

фторЧисло присоединенных электронов пока­зывает, что отрицательная валентность фто­ра равна — 1; в отличие от прочих галоге­нов фтор не может проявлять положитель­ную валентность.

Стремление к заполнению внешнего электронного слоя до восьмиэлектронной конфигурации у фтора исключительно вели­ко. Поэтому он обладает необычайной реакционной способностью и образует сое­динения почти со всеми элементами. Раньше считалось, что инертные газы не могут вступать в реакции. Однако успехи последних лет показали, что три из шести элементов-«затворников» не могут устоять перед натиском удивительно агрес­сивного фтора.

Удержать фтор от реакции очень труд­но, но зачастую не легче вырвать его ато­мы из соединений. Здесь играет роль еще один фактор — очень малые размеры ато­ма и иона фтора. Они примерно в полтора раза меньше, чем у хлора, и вдвое меньше, чем у йода.

Влияние размера атома галогена на устойчивость галогенидов легко проследить на примере галоидных соединений молиб­дена (см. таблицу).

размер атомов галогеновОчевидно, что чем больше размеры ато­мов галогена, тем меньше их размещается вокруг атома молибдена. Максимально воз­можная валентность молибдена реализует­ся только в соединении с атомами фтора, малый размер которых позволяет «упако­вать» молекулу наиболее плотно. Отсюда вывод, что своеобразие свойств фтористых соединений и необычайная агрессивность фтора объясняется не только его «крайним» положением в системе элементов, но и раз­мерами атомов и ионов.

Атомы фтора обладают очень высокой электроотрицательностью, т. е. способно­стью притягивать электроны; при взаимо­действии с кислородом фтор образует окись, в которой кислород заряжен поло­жительно. Горячая вода сгорает в струе фтора бледно-фиолетовым пламенем с образованием кислорода. Не правда ли, ис­ключительный случай? Кислород оказался вдруг не причиной, а следствием горения.

Не только вода, но и другие обычно не­горючие материалы, такие, как асбест, кир­пич, многие металлы, загораются в струе фтора. Бром, йод, сера, селен, теллур, фос­фор, мышьяк, сурьма, кремний, древесный уголь самовоспламеняются во фторе уже при обычной температуре, а при неболь­шом нагревании та же участь постигает и благородные платиновые металлы, извест­ные своей химической пассивностью.

Поэтому неудивительно само название фтора. В переводе с греческого это слово означает «разрушающий».

Фтор или флюор?

Фтор — разрушающий — удивительно подходящее название. Однако за рубежом более распространено другое имя элемен­та № 9 — флюор, что в переводе с латин­ского означает «текучий».

Это название больше подходит не к фтору, а к некоторым его соединениям, и берет свое начало от флюорита или плави­кового шпата — первого соединения фто­ра, использованного человеком. По-види­мому, еще в древности 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, еще неизвест­ный элемент.

человечкиЭто название настолько укоренилось в умах ученых, что логически оправданное предложение о переименовании элемента, выдвинутое в 1816 году, не нашло поддерж­ки. А ведь в эти годы шли усиленные поиски флюора, уже было накоплено немало экспериментальных данных, подтверждав­ших разрушительные способности флюора и его соединений. Да и авторами предложе­ния были не кто-нибудь, а крупнейшие уче­ные того времени Андрэ Ампер и Гемфри Дэви. И все-таки фтор остался флюором. Предложение Ампера и Дэви поддержали лишь русские химики. До сих пор в миро­вой химической литературе элемент № 9 чаще появляется под именем флюора, чем под именем фтора.

Жертвы? — Нет, герои

Первое упоминание о флюоре относится к XV веку. Но средневековый алхимик Б. Валентинус так называл не фтор, а плави­ковый шпат. Не только в его рукописях, но и в других средневековых книгах описыва­ются свойства этого минерала, прежде все­го, его способность образовывать сравни­тельно легкоплавкие шлаки.

В начале XVІІІ века была открыта плави­ковая кислота — водный раствор фтористо­го водорода, а в 1780 году известный швед­ский химик Карл Вильгельм Шееле впервые высказал мысль, что в этой кислоте содер­жится новый активный элемент. Однако, чтобы подтвердить догадку Шееле и выде­лить фтор (или — флюор), химикам потребовалось больше ста лет, целый век упор­ной работы многих ученых из разных стран.

…Сегодня мы знаем, что фтор очень токсичен, что работа с ним и его соедине­ниями требует большой осторожности и продуманных мэр защиты. Первооткрывате­ли фтора могли об этом только догадывать­ся, да и то не всегда. Поэтому история от­крытия фтора связана с именами многих ге­роев науки. Английские химики братья То­мас и Георг Нокс пытались получить фтор из фторидов серебра и свинца. Опыты окон­чились трагически: Георг Нокс стал инвали­дом, Томас погиб. Та же участь постигла Д. Никлеса и П. Лайета. Выдающийся химик XIX века Гемфри Дэви, создатель водород­ной теории кислот, человек, впервые полу­чивший натрий, калий, магний, кальций, ли­тий и бор, доказавший элементарность хло­ра, не смог решить проблемы получения все- разрушающего элемента. В годе этих опы­тов он отравился и тяжело заболел. Ж. Гей-Люссак и Г. Тенар потеряли здоровье, так и не добившись сколько-нибудь обнадежи­вающих результатов.

Более удачливыми оказались А. Лаву­азье, М. Фарадей, Э. Фреми. Их фтор «по­щадил», но и они не добились успеха.

В 1834 году Фарадею показалось, что ему, наконец, удалось получить неуловимый газ. Но вскоре он вынужден был признать: «Я не смог получить фтор. Мои предполо­жения, подвергаясь строгому анализу, от­падали одно за другим…». В течение пяти­десяти (!) лет этот гигант науки пытался ре­шить проблему получения фтора, но так и не смог одолеть ее…

человечки фторНеудачи преследовали ученых, однако уверенность в существовании и возможно­сти выделения фтора крепла с каждым но­вым опытом. Она основывалась на много­численных аналогиях в поведении и свойст­вах соединений фтора с соединениями уже известных галогенов — хлора, брома и йода.

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

26 июня 1886 года французский химик Анри Муассан подверг электролизу безвод­ный фтористый водород. При температуре —23° С он получил на аноде новое, чрез­вычайно реакционноспособное газообраз­ное вещество. Муассану удалось собрать несколько пузырьков газа. Это был фтор!

О своем открытии Муассан сообщил па­рижской Академии. Моментально была соз­дана комиссия, которая через несколько дней должна была прибыть в лабораторию Муассана, чтобы увидеть все своими гла­зами.

Муассан тщательно подготовился к про­ведению повторного эксперимента. Он под­верг исходный фтористый водород допол­нительной очистке, и… высокопоставленная комиссия не увидела фтора. Опыт не вос­производился, электролиза с выделением фтора не наблюдалось! Скандал?!

Но Муассану удалось найти причину. Оказалось, что лишь небольшие количества фтористого калия, содержащегося во фтори­стом водороде, делают ею проводником электричества. Применение в первом опыте фтористого водорода без дополнительной очистки обеспечило успех: были примеси — шел электролиз. Тщательная подготовка второго опыта стала причиной неудачи.

И все-таки удача, определенно, сопутст­вовала Муассану. Вскоре ему удалось найти недорогой и надежный материал для аппа­ратов, в которых получается фтор. Эта про­блема была не менее сложной, чем по­лучение неподатливого элемента. Фтори­стый водород и фтор разрушали любую ап­паратуру. Еще Дэви испытывал сосуды из кристаллической серы, угля, серебра и пла­тины, но все эти материалы разрушались в процессе электролиза соединений фтора.

Первые граммы фтора Муассан получил в платиновом электролизере с электродами из иридиево-платинового сплава. Несмотря на низкую температуру, при которой прово­дился опыт, каждый грамм фтора «уничто­жал» 5-6 граммов платины.

Платиновый сосуд Муассан заменил мед­ным. Конечно, и медь подвержена действию фтора, но как алюминий защищается от воз­духа окисной пленкой, так и медь «укрыва­лась» от фтора за пленкой непреодолимого для него фторида меди.

Электролиз до сих пор остается прак­тически единственным методом получе­ния фтора. С 1919 года в качестве электролита используются расплавы бифто­ридов. Материалы современных электроли­зеров и электродов — это медь, никель, сталь, графит. Все это во много раз удешевило производство элемента № 9 и дало возможность получать его в промышленных масштабах. Однако принцип получения фто­ра остался тем же, что предлагали Г. Дэви и М. Фарадей и впервые осуществил А. Муассан.

Фтор и многие его соединения пред­ставляют не только большой теоретический интерес, но и находят широкое фактиче­ское применение. Соединений фтора очень много, использование их настолько много­сторонне и обширно, что для рассказа обо всем интересном, что связано с этим эле­ментом, не хватило бы и ста страниц. Поэто­му в нашем рассказе вы встретите только самые интересные фтористые соединения, прочно вошедшие в нашу промышленность, в нашу жизнь, в наш быт и даже в наше искусство, — соединения, без которых (это можно сказать без преувеличения) немы­слим прогресс.

Фтор и вода

Что общего может быть у всеразрушающего фтора и «мирной», привычной воды? Казалось бы — ничего. Но поостережемся поспешных выводов. Ведь воду можно рассматривать как гидрид кислорода, а плави­ковая кислота НF — не что иное, как гидрид фтора. Итак, мы имеем дело с ближайшими химическими «родственниками» — гидрида­ми двух сильных окислителей.

Известны гидриды всех галогенов. Их свойства изменяются закономерно, однако фтористый водород во многом ближе к во­де, нежели к другим галоидоводородам. Сравните диэлектрические постоянные галоидоводородов и воды: характеристики НF и Н2O очень близки (83,5 и 80), в то время как у гидридов брома, йода и хлора эта характеристика значительно ниже (все­го 2,9—4,6). Температура кипения НF +19° С, в то время как HJ, НВr и НСl пере­ходят в газообразное состояние уже при минусовых температурах.

Одно из природных соединений фто­ра — минерал криолит называют нетающим льдом. Действительно, огромные кристал­лы криолита очень похожи на ледяные глы­бы.

В одном из рассказов известного писателя-фантаста И. А Ефремова описана встре­ча в космосе с обитателями планеты, на ко­торой во всех жизненно важных окисли­тельных процессах участвует фтор, а не кис­лород. Если такая планета существует, то можно не сомневаться, что ее обитатели утоляют жажду… фтористым водородом.

На Земле фтористый водород служит другим целям.

Нюрнбергский художник Швангард еще в 1670 году смешивал плавиковый шпат с серной кислотой и этой смесью наносил рисунки на стекло. Швангард не знал, что компоненты его смеси реагируют между собой, а «рисует» продукт реакции. Это не помешало внедрению открытия Швангарда. Пользуются им и в наши дни. На стеклян­ный сосуд наносится тонкий слой парафина. Художник рисует по этому слою, а затем опускает сосуд в раствор плавиковой кис­лоты. В тех местах, где неуязвимая для фто­ристого водорода парафиновая «броня» снята, кислота разъедает стекло, и рисунок навсегда запечатлевается на нем. Это — старейшее применение фтористого водоро­да, но отнюдь не единственное.

Достаточно сказать, что менее чем че­рез двадцать лет после создания первых промышленных установок для получения фтористого водорода его производство в Соединенных Штатах Америки достигло 125000 тонн, а в настоящее время эта цифра, вероятно, увеличилась вдвое.

Стекольная, пищевая, нефтяная, атомная, металлургическая, химическая, авиационная, бумажная — вот далеко не полный перечень тех отраслей промышленности, где фтори­стый водород находит самое широкое при­менение. Его основными потребителями стали металлургия, химия и атомная техни­ка, удельный вес которых в использовании фтористого водорода составляет приблизи­тельно 40, 35 и 10%.

Фтористый водород способен изменять скорость многих реакций и используется в качестве катализатора самых разнообраз­ных химических превращений.

Одна из основных тенденций современ­ной химии — проведение реакций в невод­ных средах. Наиболее интересным и уже широко применяющимся неводным раство­рителем стал фтористый водород.

Фтористый водород — очень агрессив­ный и опасный реагент, но он незаменим во многих отраслях современной индустрии. Поэтому приемы обращения с ним настоль­ко усовершенствованы, что для грамотного химика наших дней фтористый водород стал почти так же безопасен, как для обитателей неведомой фторной планеты.

Фтор и металлургия

Алюминий — наиболее распространен­ный элемент земной коры, запасы его ог­ромны, однако производство алюминия на­чало развиваться лишь в конце прошлого века. Кислородные соединения алюминия очень прочны, и восстановление их углем не дает чистого металла. А для получения алю­миния методом электролиза требуются его галоидные соединения и прежде всего криолит, содержащий и алюминий и фтор. Но криолита в природе мало, кроме того, в нем низко содержание «крылатого металла» — всего 13%. Это почти в три раза меньше, чем в бокситах. Переработка бокситов за­труднена, но, к счастью, они способны раст­воряться в криолите. При этом получается низкоплавкий и богатый алюминием рас­плав. Его электролиз — единственный про­мышленный способ получения алюминия. Нехватка природного криолита компенси­руется искусственным, который в огромных количествах получают при помощи фтори­стого водорода.

Таким образом, наши достижения в раз­витии алюминиевой промышленности и в самолетостроении в значительной степе­ни — следствие успехов химии фтора и его соединений.

Несколько слов о фторорганике

В тридцатых годах нашего века были синтезированы первые соединения фтора с углеродом. В природе подобные вещества встречаются исключительно редко, и ника­ких особых достоинств за ними не замеча­лось.

Однако развитие многих отраслей современной техники и их потребности в новых материалах привели к тому, что в наши дни существуют уже тысячи органических сое­динений, в состав которых входит фтор. Об этом важнейшем классе соединений — фторорганике — не хочется говорить крат­ко, тут необходима отдельная и притом до­статочно подробная статья.

А мы перейдем к следующей главе, ко­торая называется…

Фтор и жизнь

Казалось бы, такое словосочетание не совсем правомерно. «Характер» у элемента № 9 весьма агрессивный, история — напоми­нает детективный роман, где что ни страни­ца, то отравление или убийство. К тому же и сам фтор, и многие его соединения исполь­зовались для производства оружия массо­вого уничтожения: во второй мировой вой­не трифторид хлора немцы применяли как зажигательное средство; ряд фторсодер­жащих соединений рассматривался Амери­кой, Англией и Германией как секретные отравляющие вещества и производился в полузаводских масштабах. Не секрет, что без фтора вряд ли удалось бы получить атомное оружие.

карикатура фторРабота с фтором опасна: малейшая не­осторожность — и у человека разрушаются зубы, обезображиваются ногти, повышается хрупкость костей, кровеносные сосуды те­ряют эластичность и становятся ломкими. В результате — тяжелая болезнь или смерть.

И все-таки заголовок «Фтор и жизнь» оправдан. Впервые это доказал… слон. Да, да — слон. Обычный, правда ископаемый слон, найденный в окрестностях Рима. В его зубах случайно был обнаружен фтор. Это открытие побудило ученых провести систе­матическое изучение химического состава зубов человека и животных. Было установ­лено, что в состав зубов входит до 0,02% фтора, который поступает в организм с питьевой водой. Обычно в тонне воды, со­держится до 0,2 мг фтора. Нехватка фтора приводит к гниению зубов — кариесу.

Искусственное добавление фтора к воде в тех местах, где обнаруживается его недо­статок, приводит к устранению новых слу­чаев заболевания и уменьшению кариеса у больных людей. Тут же оговоримся, что большой избыток фтора в воде вызывает острое заболевание — флюорез (пятни­стая эмаль). Извечная дилемма медицины: большие дозы — яд, малые — лекарство.

Во многих местах построены установки для искусственного фторирования воды. Са­мая большая из них работает в ГДР. Фто­рированной водой пользуются и жители го­рода Норильска.

Особенно эффективен способ лече­ния кариеса для детей. Поэтому в некото­рых странах соединения фтора (в исключи­тельно малых дозах) добавляют в… молоко.

Существует предположение о том, что фтор необходим для развития живой клет­ки и что он входит вместе с фосфором в состав животных и растительных тканей.

Фтор находит широкое применение при синтезе различных медицинских препаратов. Фторорганические соединения успешно при­меняются для лечения болезней щитовид­ной железы, особенно базедовой болезни, и хронических форм диабета, бронхиаль­ных и ревматических заболеваний, глауко­мы и рака. Они также пригодны для профилактики и лечения малярии и служат хо­рошим средством против стрептококковых и стафиллококковых инфекций.

Некоторые фторорганические препара­ты— надежные обезболивающие средства. Один из них — флюотан уже несколько лет применяется в медицине как препарат для анестезии.

Фтор и жизнь — именно этот раздел хи­мии фтора достоин наибольшего развития, и будущее — за ним. Фтор и смерть? Можно и нужно работать и в этой области, но для того, чтобы получать не смертоносные от­равляющие вещества, а различные препара­ты для борьбы с грызунами и другими сель­скохозяйственными вредителями. Такое применение находят, например, монофторуксусная кислота и фторацетат натрия.

Фтор и будущее

Контуры будущего. Ученым-химикам они рисуются в виде атомных двигателей и ра­кет, архитектурных ансамблей из очень лег­ких и прочных сплавов и пластмасс, не боящихся ни воды, ни огня, ни резких уда­ров, ни ядерных излучений. Отдельные де­тали этой картины дорисовывают новые виды топлива, чудодейственные лекарствен­ные препараты, полупроводниковая и ла­зерная техника.

И везде нужен фтор!

Не случайно в обзоре основных тенден­ций научных исследований в области точ­ных и естественных наук (ЮНЕСКО, 1963 год) признано, что одним из основных объектов для химиков продолжают оста­ваться фтор и его производные. В этом об­зоре перечислено лишь семь типов соедине­ний; проблема фтора и фторидов занимает в нем третье место. Это еще одно под­тверждение исключительной значимости элемента № 9.

Кандидат химических наук А. А. Опаловский

 

Добавить комментарий

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

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>