Атом и молекула фтора. Формула фтора. Строение атома фтора:
Фтор (лат. Fluorum, от др.-греч. φθόρος — «разрушение, порча, вред») – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением F и атомным номером 9. Расположен в 17-й группе (по старой классификации – главной подгруппе седьмой группы), втором периоде периодической системы.
Фтор самый лёгкий элемент периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева из группы галогенов.
Фтор самый химически активный неметалл и сильнейший окислитель.
Фтор обозначается символом F.
Как простое вещество фтор при нормальных условиях представляет собой двухатомный газ бледно-жёлтого цвета с резким запахом, напоминающим озон или хлор.
Молекула фтора двухатомна.
Химическая формула фтора F2.
Электронная конфигурация атома фтора 1s2 2s2 2p5. Потенциал ионизации (первый электрон) атома фтора равен 1681,05 кДж/моль (17,42282 (5) эВ).
Строение атома фтора. Атом фтора состоит из положительно заряженного ядра (+9), вокруг которого по двум оболочкам движется 9 электронов. При этом 2 электрона находятся на внутреннем уровне, а 7 электронов – на внешнем. Поскольку фтор расположен во втором периоде, оболочек всего две. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внешняя оболочка представлены s- и р-орбиталями. На внешнем энергетическом уровне атома фтора на 2s-орбитали находятся два спаренных электрона, на 2p-орбитали находятся четыре спаренных электрона и один неспаренный электрон. В свою очередь ядро атома фтора состоит из 9 протонов и 10 нейтронов. Фтор относится к элементам p-семейства.
Радиус атома фтора (вычисленный) составляет 42 пм.
Атомная масса атома фтора составляет 18,998403163(6) а. е. м.
Содержание фтора в земной коре составляет 0,054 %, в морской воде и океане – 0,00013 %.
Фтор очень ядовит.
Физические свойства
Бледно-жёлтый газ, в малых концентрациях запах напоминает одновременно озон и хлор, очень агрессивен и ядовит.
Фтор имеет аномально низкую температуру кипения (плавления). Это связано с тем, что фтор не имеет d-подуровня и не способен образовывать полуторные связи, в отличие от остальных галогенов (кратность связи в остальных галогенах примерно 1,1)[8].
Нахождение в природе галогенов
Галогены являются химически активными веществами, в связи с чем, в природе они встречаются только в виде соединений. Их распространённость в земной коре снижается при увеличении атомного радиуса (от фтора к иоду). Например, содержание астата в земной коре исчисляется граммами.
Наиболее распространённые соединения фтора — флюорит CaF2, криолит Na3AlF6 и др., хлора — каменная соль (галит) NaCl, сильвин KCl и сильвинит KCl⋅NaCl.
Бром и иод не образуют индивидуальных минералов, но их соединения содержатся в морской воде и могут накапливаться водорослями.
Хранение
Фтор хранят в газообразном состоянии (под давлением) и в жидком виде (при охлаждении жидким азотом) в аппаратах из никеля и сплавов на его основе (монель-металл), из меди, алюминия и его сплавов, латуни, нержавеющей стали.
Кристаллическая решётка
Кристаллическая структура α-фтора (стабильная при атмосферном давлении)
Кристаллическая решётка фтора в твёрдом состоянии является моноклиной гранецентрированной со следующими параметрами решётки:
| Параметр | и значение |
|---|---|
| a | 550 пм |
| b | 328 пм |
| c | 728 пм |
| α=β=γ | 90° |
Степень окисления фтора
Атомы фтора в соединениях имеют степени окисления 0, -1.
Степень окисления – это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.
Распространение в природе
Содержание фтора в атомных процентах в природе показано в таблице:
| Объект | Содержание |
|---|---|
| Почва | 0,02 |
| Воды рек | 0,00002 |
| Воды океана | 0,0001 |
| Зубы человека | 0,01 |
В природе значительные скопления фтора содержатся, в основном, в минерале флюорите (CaF2), содержащем по массе 51,2 % Ca и 48,8 % F. Кларк в земной коре 650 г/т.
Из растений относительно богаты фтором чечевица и лук.
В почве фтор накапливается в результате вулканической деятельности, в составе вулканических газов обычно содержится большое количество фтороводорода.
Биологическая и физиологическая роль
Фтор является жизненно необходимым для организма элементом. В организме человека фтор в основном содержится в эмали зубов в составе фторапатита — Ca5F(PO4)3 — и в костях. Общее содержание составляет 2,6 г, в том числе в костях 2,5 г. Нормальное суточное поступление фтора в организм человека равно 2,5—3,5 мг. При недостаточном (менее 0,5 мг/литр питьевой воды) или избыточном (более 1 мг/литр) потреблении фтора организмом могут развиваться заболевания зубов: кариес и флюороз (крапчатость эмали) и остеосаркома, соответственно.
Малое содержание фтора разрушает эмаль за счёт вымывания фтора из фторапатита с образованием гидроксоапатита, и наоборот.
Для профилактики кариеса рекомендуется использовать зубные пасты с добавками фторидов (натрия и/или олова) или употреблять фторированную воду (до концентрации 1 мг/л), или применять местные аппликации 1—2 % раствором фторида натрия или фторида олова. Такие действия могут сократить вероятность появления кариеса на 30—50 %.
Предельно допустимая концентрация связанного фтора (в виде фторидов и фторорганических соединений) в воздухе промышленных помещений равна 0,0005 мг/литр воздуха.
Получение
Источником для производства фтора служит HF, получающийся в основном либо при действии HSO на CaF, либо при переработке и .
Лабораторный метод
- В лабораторных условиях фтор можно получать с помощью показанной установки. В медный сосуд 1, заполненный расплавом КF·3НF помещают медный сосуд 2, имеющий отверстия в дне. В сосуд 2 помещают толстый никелевый анод. Катод помещается в сосуд 1. Таким образом, впроцессе электролиза, газообразный фтор выделяется из трубки 3, а водород из трубки 4. Важным требованием является обеспечение герметичности системы для этого исполизуют пробки из фторида кальция со смазкой из оксида свинца (II) и глицерина.
- В 1986 году, во время подготовки к конференции по поводу празднования 100-летия открытия фтора, Карл Кристе открыл способ чисто химического получения фтора с использованием реакции во фтороводородном растворе KMnF и SbF при 150 °C:
- K2MnF6 + 2SbF5 → 2KSbF6 + MnF3 + ½F2
- Хотя этот метод не имеет практического применения, он демонстрирует, что электролиз необязателен.
Промышленный метод
Промышленное производство фтора осуществляется электролизом расплава кислого фторида калия КF·3НF (часто с добавлениями фторида лития), который образуется при насыщении расплава КF фтористым водородом до содержания 40—41 % HF. Процесс электролиза проводят при температурах около 100°С в стальных электролизёрах со стальным катодом и угольным анодом.
Бром
Способы получения брома
Промышленный способ
- Исходное сырьё для получения брома — морская вода, озёрные и подземные рассолы и щелока калийного производства, содержащие бром в виде бромид-иона Br-
Бром втесняют при помощи хлора:
2Вг— + Cl2 = Br2 + 2Сl—
Далее бром отгоняют из раствора водяным паром или воздухом.
Лабораторный способ
- В лаборатории для получения брома используют сильные окислители:
2NaBr + МnO2 + 2H2SO4 = Br2↓ + MnSO4 + Na2SO4 + 2Н2O
MnO2 + 4HBr → MnBr2 + Br2 + 2H2O
НВг + 2H2SO4 = 3Br2↓ + S↓ + 4Н2O
2HBr + Cl2 → Br2 + 2HCl
Физические свойства брома
В обычных условиях бром – красно-бурая жидкость с резким зловонным запахом. При Т=-7,2°C жидкий бром застывает, образуя красно-коричневые игольчатые кристаллы.
Пары брома жёлто-бурого цвета, Ткип = 58,78°C.
В воде бром растворяется лучше других галогенов (3,58 г брома в 100 г H2O при 20°C). Хорошо растворим во многих органических растворителях.
Бромная вода имеет желто-бурую окраску, быстро исчезающую, при взаимодействии растворенного Br2 с каким-либо веществом. «Обесцвечивание бромной воды» — широко используется в качестве теста на обнаружение в растворе многих неорганических и органических веществ.
Химические свойства брома
Химические свойства брома сходны с хлором. Различаются только условия протекания реакций.
Взаимодействие с простыми веществами
С металлами
Жидкий бром сильный окислитель. Например, железо и алюминий самовозгораются при соприкосновении с бромом даже при обычной температуре.
Al(тв) + 3/2Br2(ж) = AlBr3(тв), ΔH°298 = -513 кДж/моль
Al(тв) + 3/2Cl2(г) = AlBr3(тв), ΔH°298 = -704 кДж/моль
Fe(тв) + 3/2Br(тв) = FeBr3(тв), ΔH°298 = -269 кДж/моль
Fe(тв) + 3/2Cl2(г) = FeBr3(тв), ΔH°298 = -399 кДж/моль
С водородом
Взаимодействие брома с водородом происходит лишь при повышенной температуре. Реакция эндотермической и обратимой.
Br2 + H2 ↔ 2HBr
С азотом, углеродом, кислородом и благородными газами
Непосредственно не взаимодействует
С галогенами
Бром окисляется более активными галогенами:
5Cl2 + Br2 + 6H2O = 2HBrO3 + 10HCl
Взаимодействие со сложными веществами
- Бром окисляет сложные соединения:
Na2SO3 + Br2 + H2O = Na2SO4 + 2HBr
BaS + 4Br2 + 4H2O = BaSO4 + 8HBr
- диспропорционирует в водном растворе:
3BrO— ↔ BrO3— + 2Br—
4BrO— ↔ BrO4— + 3Br—
Обесцвечивание бромной воды
Обесцвечивание бромной воды – качественная реакция на многие неорганические и органические соединения:
- в воде SO2 и H2S в газообразном и растворенном виде, а также растворимые сульфиты и сульфиды реагируют с бромной водой, обесцвечивая ее:
Br2 + SO2 + 2Н2O = 2НВr + H2SO4
Br2 + Na2SO3 + Н2O = 2HBr + Na2SO4
Br2 + H2S = 2НВr + S↓
3Br2 + Na2S + ЗН2O = 6HBr + Na2SO3
- Обесцвечивание бромной воды непредельными органическими соединениями:
R-CH=CH-R’ + Br2 → R-CHBr-CHBr-R’
- Фенол и анилин также легко взаимодействуют с бромной водой:
С6Н5ОН + ЗBr2 → С6Н2Вг3ОН↓ + ЗНВr
С6Н5NH2 + ЗВr2 → С6H2Br3NH2↓ + ЗНВr
Применение в химической деятельности (химической промышленноси)
Газообразный фтор используется для получения: гексафторида урана UF6 из UF4, применяемого для разделения изотопов урана для ядерной промышленности. трёхфтористого хлора ClF3 — фторирующий агент и мощный окислитель ракетного топлива шестифтористой серы SF6 — газообразный изолятор в электротехнической промышленности фторидов металлов (например, W и V), которые обладают некоторыми полезными свойствами фреонов — хороших хладагентов тефлонов — химически инертных полимеров гексафтороалюмината натрия — для последующего получения алюминия электролизом различных соединений фтора
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание Определите емкость подуровня, для которого магнитное квантовое число принимает пять значений. Решение Пять значений принимает магнитное квантовое число для d-подуровня. Емкость подуровня – это максимальное число электронов на подуровне. Число орбиталей на подуровне определяется по формуле: 2l + 1, где l – орбитальное квантовое число. На каждой орбитали могут находиться два электрона. Для d-подуровня l=2, поэтому емкость d-подуровня равна: 2×(2×2+1) = 10. Следовательно, d-подуровень максимально вмещает 10 электронов. Ответ 10 электронов.
ПРИМЕР 2
Задание Охарактеризуйте квантовыми числами все электроны, которые находятся на 3p-подуровне. Решение На p-подуровне 3-го уровня находится шесть электронов: 3p6 Их можно охарактеризовать следующими квантовыми числами: n=3; l=1; m= -1; 0; +1; s= +1/2; -1/2. Ответ n=3; l=1; m= -1; 0; +1; s= +1/2; -1/2.