Электронная формула Фтора F (графическая схема строения атома)

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

Файл:Fluor laboratory method.png

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) + 3/2Br_2(ж) = AlBr_3(тв), ΔH°₂₉₈ = -513 кДж/моль

Al_(тв) + 3/2Cl_2(г) = AlBr_3(тв), ΔH°₂₉₈ = -704 кДж/моль

Fe_(тв) + 3/2Br_(тв) = FeBr_3(тв), ΔH°₂₉₈ = -269 кДж/моль

Fe_(тв) + 3/2Cl_2(г) = FeBr_3(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.

Теги