Fluor

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Fluor
tlen ← fluor → neon
Wygląd
zielonożółty
skroplony fluor
skroplony fluor
Widmo emisyjne fluoru
Widmo emisyjne fluoru
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a. fluor, F, 9
(łac. fluorum)
Grupa, okres, blok 17, 2, p
Stopień utlenienia −I
Właściwości metaliczne niemetalfluorowiec
Masa atomowa 18,998403163(6) u[3][a]
Stan skupienia gazowy
Gęstość 1,696 kg/m³
Temperatura topnienia −219,67 °C[1]
Temperatura wrzenia −188,12 °C[1]
Numer CAS 7782-41-4
PubChem 24524[4]
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Fluor (F, łac. fluorum od fluorytu, CaF2)[6]pierwiastek chemiczny, niemetal z grupy fluorowców w układzie okresowym. Fluor w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki F2. Jest żółtozielonym silnie trującym gazem o ostrym zapachu podobnym do chloru.

Jest najaktywniejszym niemetalem o największej elektroujemności, tworzącym związki z większością innych pierwiastków (nawet z gazami szlachetnymikryptonem, ksenonem i radonem). W przeciwieństwie do innych fluorowców fluor łączy się wybuchowo z wodorem, tworząc fluorowodór bez dostępu światła i w niskiej temperaturze. W strumieniu gazowego fluoru palą się szkło, metale i woda. Z powodu jego dużej aktywności nie można go przechowywać ani wytwarzać w naczyniach szklanych.

Wchodzi w skład kwasu fluorowodorowego i fluorków, m.in. minerału fluorytu (CaF2). W roztworze wodnym najczęściej występuje jako jon fluorkowy F. Znane są także jony kompleksowe fluoru, np. [FeF4], H2F+ lub PF6.

Zawartość w górnych warstwach Ziemi wynosi 0,054%. Jedynym stabilnym izotopem fluoru jest 19F.

Otrzymywanie[edytuj | edytuj kod]

Zarówno w skali przemysłowej, jak i laboratoryjnej, fluor otrzymuje się praktycznie wyłącznie poprzez elektrolizę ciekłej mieszaniny fluorowodoru i fluorku potasu. Pierwotnie stosowano mieszaninę bogatą w HF i temperaturę niższą od pokojowej, później opracowano proces wysokotemperaturowy, w którym elektrolit miał skład KF·HF i temperaturę topnienia 239 °C. Metoda ta dominowała w pierwszej połowie XX w. Obecnie przeważa proces średniotemperaturowy, prowadzony w 80–110 °C, z elektrolitem o składzie KF·2HF (ttopn. = 71,7 °C)[7].

Zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Gazowego fluoru używa się przy produkcji monomerów, fluorowanych alkenów, z których otrzymuje się teflon i jego pochodne. Oprócz tego jest stosowany do produkcji halonów, które są stosowane jako ciecze chłodzące i hydrauliczne (np. freon). Inne zastosowania:

Historia[edytuj | edytuj kod]

Fluoryt (tj. fluorek wapnia, CaF2) został opisany w 1529 roku przez Georgiusa Agricolę jako topnik obniżający temperaturę topnienia innych minerałów (od właściwości tej pochodzi nazwa minerału: łac. fluere = płynąć). W 1670 roku Heinrich Schwanhard odkrył, że w wyniku działania kwasów na fluoryt powstaje gaz trawiący szkło (był to fluorowodór, HF). Właściwości kwasowe HF odkrył w roku 1780 Carl Scheele. Humphry Davy po otrzymaniu pierwiastkowego chloru przez utlenienie chlorowodoru (1810) usiłował – bez powodzenia – wraz z André Ampèrem w podobny sposób wyizolować fluor z flourowodoru. Badacze ci nadali nowemu pierwiastkowi nazwę fluorum od minerału fluorytu, CaF2[6]. Polską nazwę – fluor – wprowadził Filip Walter.

Wolnego fluoru przez wiele lat nie udawało się go wyodrębnić z powodu jego ogromnej aktywności chemicznej – po wytworzeniu poprzez elektrolizę stopionego fluorytu, w wysokiej temperaturze procesu (temperatura topnienia CaF2 wynosi ok. 1400 °C) natychmiast reagował z substancjami i materiałami obecnymi w naczyniach reakcyjnych. Próby otrzymania fluoru doprowadziły przy tym do śmierci kilku badaczy. W roku 1885 Edmond Frémy rozpoczął badania nad elektrolizą fluorowodoru, jednak okazało się, że suchy związek nie przewodzi prądu, a związek wilgotny prąd wprawdzie przewodził, ale na elektrodzie wydzielał się tlen z obecnej wody, a nie fluor. Badania te kontynuował jego uczeń, Henri Moissan, który ostatecznie w 1886 roku otrzymał fluor przez elektrolizę fluorowodoru zawierającego dodatek KHF2 (było to przypadkowe zanieczyszczenie materiału do elektrolizy). Moissanowi otrzymanie nowego pierwiastka przyniosło Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1906 roku[6].

Pierwsza produkcja fluoru na skalę przemysłową została uruchomiona na potrzeby projektu Manhattan. Gazowy fluorek uranu(VI) (UF6) był wtedy używany do rozdzielenia izotopów 235U i 238U podczas wzbogacania uranu.

Na 100-lecie odkrycia fluoru Karl Christe otrzymał ten pierwiastek poprzez reakcję heksafluoromanganianu(IV) potasu z fluorkiem antymonu(V) w temp. 150 °C:

  • Etap 1 – synteza substratów:
2KMnO4 + 2KF + 10HF + 3H2O22K2MnF6↓ + 8H2O + 3O2
SbCl5 + 5HF → SbF5 + 5HCl
  • Etap 2 – reakcja właściwa:
2K2MnF6 + 4SbF54KSbF6 + 2MnF3 + F2

Była to pierwsza chemiczna (nie elektrochemiczna) metoda pozwalająca na otrzymanie fluoru pierwiastkowego ze znaczącą wydajnością (ok. 40%)[8].

Związki[edytuj | edytuj kod]

Fluor może zastępować wodór w związkach organicznych, dlatego liczba związków fluoru może być bardzo duża. Związki fluoru z gazami szlachetnymi po raz pierwszy otrzymali Howard Claassen, Henry Selig i John Malm w 1962 roku. Pierwszym z tych związków był tetrafluorek ksenonu. Otrzymano również fluorki kryptonu i radonu.

Fluor otrzymuje się z fluorytu, kriolitu lub fluoroapatytu.

FluorytFluoroapatytFluorowodórWytop metaliProdukcja szkłaZwiązki fluoroorganiczneHeksafluoroglinian soduWytrawianie metaliKwas fluorokrzemowyKraking alkanówFluorowęglowodoryChlorofluorowęglowodoryFreonyTeflonFluorowanie wodyWzbogacanie uranuHeksafluorek siarkiHeksafluorek wolframuFosfogips
Produkcja i wykorzystanie fluoru i jego związków. Kliknij na daną nazwę z grafiki by przejść do danego hasła.

Szkodliwość[edytuj | edytuj kod]

Pierwiastkowy fluor, jak i jony fluorkowe, są silnie toksyczne. Zaburza procesy enzymatyczne w komórkach, hamując oddychanie tkankowe, przemianę węglowodanów, lipidów oraz syntezę hormonów. Sam fluor i niektóre jego związki działają żrąco, powodując głębokie martwice. Wolny fluor ma charakterystyczny drażniący zapach i jest wyczuwalny nawet w stężeniu 20 ppm[9][10][11][12].

Gazowy fluor łatwo wchłania się przez drogi oddechowe i pokarmowe. Związki fluoru obecne np. w żywności dobrze wchłaniają się z dróg pokarmowych[9][10][13][11][12].

Po podaniu doustnym w dużych stężeniach związki fluoru powodują zatrucia ostre, na skutek żrącego działania wydzielającego się fluorowodoru. Dalsze objawy to płytki oddech, kurcz dłoni, drgawki, ślinotok i nudności. Bezpośrednią przyczyną zgonu w wyniku zatrucia fluorem jest porażenie ośrodka oddechowego[9][10][12].

Zatrucia przewlekłe małymi dawkami fluoru, czyli fluoroza, objawiają się zaburzeniami w uwapnieniu kości, brunatnym cętkowaniem zębów, zmniejszeniem ruchliwości[9][10][11].

Dozwolone maksymalne stężenie przy założeniu 8-godzinnej ekspozycji na działanie fluoru to 0,05 mg/m3 (czyli mniej niż w przypadku cyjanowodoru)[9][10].

Znaczenie biologiczne[edytuj | edytuj kod]

Pomimo znacznej toksyczności, fluor w odpowiednich ilościach jest pierwiastkiem niezbędnym dla prawidłowego rozwoju kości i zębów[9]. Może on modyfikować hydroksyapatyty budujące szkliwo zębów i poprzez substytucję grup wodorotlenowych tworzyć fluoroapatyty. Szkliwo zawierające taką modyfikację ulega wzmocnieniu oraz wykazuje większą oporność na działanie kwasów produkowanych przez bakterie próchnicotwórcze obecne w płytce nazębnej. Te specyficzne właściwości wynikają z faktu, iż fluoroapatyty wykazują lepszą krystaliczność, twardość oraz mniejszą rozpuszczalność w kwasach niż naturalnie występujące hydroksyapatyty[14].

Środki ostrożności[edytuj | edytuj kod]

Zarówno fluor jak i fluorowodór muszą być przechowywane z zachowaniem szczególnych środków ostrożności. Powinno się unikać wszelkiego kontaktu ze skórą lub oczami. Fluoru nie przechowuje się w szkle.

Uwagi[edytuj | edytuj kod]

  1. Wartość w nawiasie oznacza niepewność związaną z ostatnią cyfrą znaczącą.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. a b CRC Handbook of Chemistry and Physics, David R. Lide (red.), wyd. 90, Boca Raton: CRC Press, 2009, s. 4-64, ISBN 978-1-4200-9084-0.
  2. a b Fluor (ang.) w wykazie klasyfikacji i oznakowania Europejskiej Agencji Chemikaliów. [dostęp 2015-03-28].
  3. Publikacja w otwartym dostępie – możesz ją bezpłatnie przeczytać Juris Meija i inni, Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 88 (3), 2016, s. 265–291, DOI10.1515/pac-2015-0305.
  4. Fluor (CID: 24524) (ang.) w bazie PubChem, United States National Library of Medicine.
  5. Wartość dla ciała stałego według: Singman, Charles N.. Atomic volume and allotropy of the elements. „Journal of Chemical Education”. 61 (2), s. 137–142, 1984. DOI: 10.1021/ed061p137. 
  6. a b c Langley, Richard H., Welch, Larry. Fluorine. „Journal of Chemical Education”. 60 (9), s. 759, 1983. DOI: 10.1021/ed060p759. 
  7. Michel Jaccaud, Robert Faron, Didier Devilliers, Ren Romano: Fluorine. W: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2005. DOI: 10.1002/14356007.a11_293. ISBN 978-3-527-30673-2.
  8. K. Christe. Chemical synthesis of elemental fluorine. „Inorg. Chem.”. 25 (21), s. 3721–3722, 1986. DOI: 10.1021/ic00241a001. 
  9. a b c d e f Witold Seńczuk red.: Toksykologia. Podręcznik dla studentów, lekarzy i farmaceutów Wydanie IV. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2002.
  10. a b c d e Nochimson G. (2008). Toxicity, Fluoride. eMedicine.
  11. a b c S. Sabour, Z. Ghorbani. Developmental fluoride neurotoxicity: clinical importance versus statistical significance. „Environ Health Perspect”. 121 (3), s. A70, 2013. DOI: 10.1289/ehp.1206192. PMID: 23455234. PMCID: PMC3621182. 
  12. a b c AL. Choi, P. Grandjean, G. Sun, Y. Zhang. Developmental fluoride neurotoxicity: Choi et al. Respond. „Environ Health Perspect”. 121 (3), s. A70, 2013. DOI: 10.1289/ehp.1206192R. PMID: 23454355. PMCID: PMC3621205. 
  13. AL. Choi, G. Sun, Y. Zhang, P. Grandjean. Developmental fluoride neurotoxicity: a systematic review and meta-analysis. „Environ Health Perspect”. 120 (10), s. 1362-1368, 2012. DOI: 10.1289/ehp.1104912. PMID: 22820538. PMCID: PMC3491930. 
  14. Fluor – znaczenie fluoru, kariostatyczne działanie na zęby