Το φθόριο είναι ένα χημικό στοιχείο (σύμβολο F, ατομικός αριθμός 9), ένα αμέταλλο που ανήκει στην ομάδα των αλογόνων. Είναι η πιο δραστική και ηλεκτραρνητική ουσία. Σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, το μόριο του φθορίου είναι ένα υποκίτρινο δηλητηριώδες αέριο με τον τύπο F2. Όπως και άλλα αλογονίδια, το μοριακό φθόριο είναι πολύ επικίνδυνο και προκαλεί σοβαρά χημικά εγκαύματα σε επαφή με το δέρμα.
Χρήση
Το φθόριο και οι ενώσεις του χρησιμοποιούνται ευρέως, μεταξύ άλλων για την παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων, αγροχημικών, καυσίμων και λιπαντικών και κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων. Το υδροφθορικό οξύ χρησιμοποιείται για τη χάραξη του γυαλιού, ενώ το πλάσμα με φθόριο χρησιμοποιείται για την παραγωγή ημιαγωγών και άλλων υλικών. Χαμηλές συγκεντρώσεις ιόντων F στην οδοντόκρεμα και το πόσιμο νερό μπορεί να βοηθήσουν στην πρόληψη της τερηδόνας, ενώ υψηλότερες συγκεντρώσεις βρίσκονται σε ορισμένα εντομοκτόνα. Πολλά γενικά αναισθητικά είναι παράγωγα υδροφθοράνθρακα. Το ισότοπο 18F είναι πηγή ποζιτρονίων για τη λήψη ιατρικώναπεικόνιση τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων και εξαφθοριούχο ουράνιο χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό των ισοτόπων ουρανίου και την παραγωγή εμπλουτισμένου ουρανίου για πυρηνικούς σταθμούς.
Ιστορικό ανακάλυψης
Μεταλλικά στοιχεία που περιέχουν ενώσεις φθορίου ήταν γνωστά πολλά χρόνια πριν από την απομόνωση αυτού του χημικού στοιχείου. Για παράδειγμα, το ορυκτό φθορίδιο (ή φθορίτης), που αποτελείται από φθοριούχο ασβέστιο, περιγράφηκε το 1530 από τον George Agricola. Παρατήρησε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ροή, μια ουσία που βοηθά στη μείωση του σημείου τήξης ενός μετάλλου ή μεταλλεύματος και βοηθά στον καθαρισμό του επιθυμητού μετάλλου. Επομένως, το φθόριο πήρε τη λατινική του ονομασία από τη λέξη fluere («ρέει»).
Το 1670, ο φυσητήρας γυαλιού Heinrich Schwanhard ανακάλυψε ότι το γυαλί χαράχθηκε από τη δράση του φθοριούχου ασβεστίου (φθοραδάμαντα) που είχε υποστεί επεξεργασία με οξύ. Ο Carl Scheele και πολλοί μεταγενέστεροι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένων των Humphry Davy, Joseph-Louis Gay-Lussac, Antoine Lavoisier, Louis Thénard, πειραματίστηκαν με υδροφθορικό οξύ (HF), το οποίο αποκτήθηκε εύκολα με επεξεργασία του CaF με πυκνό θειικό οξύ.
Στο τέλος, έγινε σαφές ότι το HF περιείχε ένα προηγουμένως άγνωστο στοιχείο. Ωστόσο, λόγω της υπερβολικής αντιδραστικότητάς της, αυτή η ουσία δεν μπορούσε να απομονωθεί για πολλά χρόνια. Όχι μόνο είναι δύσκολο να διαχωριστεί από τις ενώσεις, αλλά αντιδρά αμέσως με τα άλλα συστατικά τους. Η απομόνωση του στοιχειακού φθορίου από το υδροφθορικό οξύ είναι εξαιρετικά επικίνδυνη και οι πρώτες προσπάθειες τύφλωσαν και σκότωσαν αρκετούς επιστήμονες. Αυτοί οι άνθρωποι έγιναν γνωστοί ως οι «μάρτυρεςφθόριο."
Ανακάλυψη και παραγωγή
Τέλος, το 1886, ο Γάλλος χημικός Henri Moissan κατάφερε να απομονώσει το φθόριο με ηλεκτρόλυση ενός μείγματος λιωμένου φθοριούχου καλίου και υδροφθορικού οξέος. Για αυτό του απονεμήθηκε το Νόμπελ Χημείας το 1906. Η ηλεκτρολυτική του προσέγγιση συνεχίζει να χρησιμοποιείται σήμερα για τη βιομηχανική παραγωγή αυτού του χημικού στοιχείου.
Η πρώτη μεγάλης κλίμακας παραγωγή φθορίου ξεκίνησε κατά τον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Απαιτήθηκε για ένα από τα στάδια δημιουργίας μιας ατομικής βόμβας ως μέρος του Έργου Μανχάταν. Το φθόριο χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή εξαφθοριούχου ουρανίου (UF6), το οποίο με τη σειρά του χρησιμοποιήθηκε για τον διαχωρισμό των δύο ισοτόπων 235U καιτο ένα από το άλλο 238U. Σήμερα, απαιτείται αέριος UF6 για την παραγωγή εμπλουτισμένου ουρανίου για πυρηνική ενέργεια.
Οι πιο σημαντικές ιδιότητες του φθορίου
Στον περιοδικό πίνακα, το στοιχείο βρίσκεται στην κορυφή της ομάδας 17 (πρώην ομάδα 7Α), η οποία ονομάζεται αλογόνο. Άλλα αλογόνα περιλαμβάνουν χλώριο, βρώμιο, ιώδιο και αστατίνη. Επιπλέον, το F βρίσκεται στη δεύτερη περίοδο μεταξύ οξυγόνου και νέον.
Το καθαρό φθόριο είναι ένα διαβρωτικό αέριο (χημικός τύπος F2) με χαρακτηριστική πικάντικη οσμή που βρίσκεται σε συγκέντρωση 20 nl ανά λίτρο όγκου. Ως το πιο αντιδραστικό και ηλεκτραρνητικό από όλα τα στοιχεία, σχηματίζει εύκολα ενώσεις με τα περισσότερα από αυτά. Το φθόριο είναι πολύ αντιδραστικό για να υπάρχει σε στοιχειακή μορφή και έχει τέτοιασυγγένεια με τα περισσότερα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του πυριτίου, ότι δεν μπορεί να παρασκευαστεί ή να αποθηκευτεί σε γυάλινα δοχεία. Σε υγρό αέρα, αντιδρά με το νερό για να σχηματίσει το εξίσου επικίνδυνο υδροφθορικό οξύ.
Το φθόριο, αλληλεπιδρώντας με το υδρογόνο, εκρήγνυται ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες και στο σκοτάδι. Αντιδρά βίαια με το νερό για να σχηματίσει υδροφθορικό οξύ και αέριο οξυγόνο. Διάφορα υλικά, συμπεριλαμβανομένων λεπτώς διασκορπισμένων μετάλλων και γυαλιών, καίγονται με λαμπερή φλόγα σε πίδακα αερίου φθορίου. Επιπλέον, αυτό το χημικό στοιχείο σχηματίζει ενώσεις με τα ευγενή αέρια κρυπτόν, ξένο και ραδόνιο. Ωστόσο, δεν αντιδρά απευθείας με το άζωτο και το οξυγόνο.
Παρά την ακραία δραστηριότητα του φθορίου, έχουν πλέον γίνει διαθέσιμες μέθοδοι για τον ασφαλή χειρισμό και τη μεταφορά του. Το στοιχείο μπορεί να αποθηκευτεί σε δοχεία από χάλυβα ή μονέλ (κράμα πλούσιο σε νικέλιο), καθώς σχηματίζονται φθορίδια στην επιφάνεια αυτών των υλικών, τα οποία εμποδίζουν περαιτέρω αντίδραση.
Τα φθόριο είναι ουσίες στις οποίες το φθόριο υπάρχει ως αρνητικά φορτισμένο ιόν (F-) σε συνδυασμό με ορισμένα θετικά φορτισμένα στοιχεία. Οι ενώσεις φθορίου με μέταλλα είναι από τα πιο σταθερά άλατα. Όταν διαλύονται στο νερό, χωρίζονται σε ιόντα. Άλλες μορφές φθορίου είναι σύμπλοκα, για παράδειγμα, [FeF4]- και H2F+.
Ισότοπα
Υπάρχουν πολλά ισότοπα αυτού του αλογόνου, που κυμαίνονται από 14F έως 31F. Αλλά η ισοτοπική σύνθεση του φθορίου περιλαμβάνει μόνο ένα από αυτά,19F, που περιέχει 10 νετρόνια, αφού είναι το μόνο που είναι σταθερό. Το ραδιενεργό ισότοπο 18F είναι μια πολύτιμη πηγή ποζιτρονίων.
Βιολογικός αντίκτυπος
Το φθόριο στο σώμα βρίσκεται κυρίως στα οστά και τα δόντια με τη μορφή ιόντων. Η φθορίωση του πόσιμου νερού σε συγκέντρωση μικρότερη από ένα μέρος ανά εκατομμύριο μειώνει σημαντικά τη συχνότητα της τερηδόνας - σύμφωνα με το Εθνικό Συμβούλιο Ερευνών της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των Ηνωμένων Πολιτειών. Από την άλλη πλευρά, η υπερβολική συσσώρευση φθορίου μπορεί να οδηγήσει σε φθόριο, η οποία εκδηλώνεται με στίγματα δοντιών. Αυτή η επίδραση συνήθως παρατηρείται σε περιοχές όπου η περιεκτικότητα αυτού του χημικού στοιχείου στο πόσιμο νερό υπερβαίνει τη συγκέντρωση των 10 ppm.
Το στοιχειακό φθόριο και τα φθοριούχα άλατα είναι τοξικά και πρέπει να τα χειρίζεστε με μεγάλη προσοχή. Η επαφή με το δέρμα ή τα μάτια πρέπει να αποφεύγεται προσεκτικά. Η αντίδραση με το δέρμα παράγει υδροφθορικό οξύ, το οποίο διεισδύει γρήγορα στους ιστούς και αντιδρά με το ασβέστιο στα οστά, καταστρέφοντάς τα μόνιμα.
Περιβαλλοντικό φθόριο
Η ετήσια παγκόσμια παραγωγή του ορυκτού φθορίτη είναι περίπου 4 εκατομμύρια τόνοι και η συνολική χωρητικότητα των εξερευνημένων κοιτασμάτων είναι εντός 120 εκατομμυρίων τόνων. Οι κύριες περιοχές εξόρυξης αυτού του ορυκτού είναι το Μεξικό, η Κίνα και η Δυτική Ευρώπη.
Το φθόριο εμφανίζεται φυσικά στον φλοιό της γης, όπου μπορεί να βρεθεί σε πετρώματα, άνθρακα και άργιλο. Τα φθορίδια απελευθερώνονται στον αέρα από την αιολική διάβρωση των εδαφών. Το φθόριο είναι το 13ο πιο άφθονο χημικό στοιχείο στον φλοιό της γης - η περιεκτικότητά τουισούται με 950 ppm. Στα εδάφη η μέση συγκέντρωσή του είναι περίπου 330 ppm. Το υδροφθόριο μπορεί να απελευθερωθεί στον αέρα ως αποτέλεσμα βιομηχανικών διαδικασιών καύσης. Τα φθόριο που βρίσκονται στον αέρα καταλήγουν να πέφτουν στο έδαφος ή στο νερό. Όταν το φθόριο συνδέεται με πολύ μικρά σωματίδια, μπορεί να παραμείνει στον αέρα για μεγάλες χρονικές περιόδους.
Στην ατμόσφαιρα, τα 0,6 δισεκατομμυριοστά αυτού του χημικού στοιχείου υπάρχουν με τη μορφή ομίχλης αλατιού και οργανικών ενώσεων χλωρίου. Στις αστικές περιοχές, η συγκέντρωση φτάνει τα 50 μέρη ανά δισεκατομμύριο.
Συνδέσεις
Το φθόριο είναι ένα χημικό στοιχείο που σχηματίζει ένα ευρύ φάσμα οργανικών και ανόργανων ενώσεων. Οι χημικοί μπορούν να αντικαταστήσουν τα άτομα υδρογόνου με αυτό, δημιουργώντας έτσι πολλές νέες ουσίες. Υψηλής αντίδρασης αλογόνο σχηματίζει ενώσεις με ευγενή αέρια. Το 1962, ο Neil Bartlett συνέθεσε εξαφθοροπλατινικό ξένο (XePtF6). Έχουν ληφθεί επίσης φθοριούχα κρυπτόν και ραδόνιο. Μια άλλη ένωση είναι το φθοριούχο αργό, το οποίο είναι σταθερό μόνο σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Βιομηχανικές εφαρμογές
Στην ατομική και μοριακή του κατάσταση, το φθόριο χρησιμοποιείται για χάραξη πλάσματος στην παραγωγή ημιαγωγών, επίπεδων οθονών και μικροηλεκτρομηχανικών συστημάτων. Το υδροφθορικό οξύ χρησιμοποιείται για τη χάραξη γυαλιού σε λαμπτήρες και άλλα προϊόντα.
Μαζί με ορισμένες από τις ενώσεις του, το φθόριο είναι ένα σημαντικό συστατικό στην παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων, αγροχημικών, καυσίμων και λιπαντικώνυλικά και υφάσματα. Το χημικό στοιχείο χρειάζεται για την παραγωγή αλογονωμένων αλκανίων (αλόνια), τα οποία, με τη σειρά τους, χρησιμοποιήθηκαν ευρέως σε συστήματα κλιματισμού και ψύξης. Αργότερα, αυτή η χρήση των χλωροφθορανθράκων απαγορεύτηκε επειδή συμβάλλουν στην καταστροφή της στιβάδας του όζοντος στην ανώτερη ατμόσφαιρα.
Το εξαφθοριούχο θείο είναι ένα εξαιρετικά αδρανές, μη τοξικό αέριο που ταξινομείται ως αέριο του θερμοκηπίου. Χωρίς φθόριο, δεν είναι δυνατή η παραγωγή πλαστικών χαμηλής τριβής όπως το τεφλόν. Πολλά αναισθητικά (π.χ. σεβοφλουράνιο, δεσφλουράνιο και ισοφλουράνιο) είναι παράγωγα CFC. Το εξαφθοροαργιλικό νάτριο (κρυόλιθος) χρησιμοποιείται στην ηλεκτρόλυση αλουμινίου.
Οι ενώσεις φθορίου, συμπεριλαμβανομένου του NaF, χρησιμοποιούνται στις οδοντόκρεμες για την πρόληψη της τερηδόνας. Αυτές οι ουσίες προστίθενται σε δημοτικές παροχές νερού για να παρέχουν φθορίωση του νερού, ωστόσο η πρακτική θεωρείται αμφιλεγόμενη λόγω των επιπτώσεων στην ανθρώπινη υγεία. Σε υψηλότερες συγκεντρώσεις, το NaF χρησιμοποιείται ως εντομοκτόνο, ειδικά για τον έλεγχο των κατσαρίδων.
Στο παρελθόν, τα φθόριο χρησιμοποιούνταν για τη μείωση του σημείου τήξης των μετάλλων και των μεταλλευμάτων και την αύξηση της ρευστότητάς τους. Το φθόριο είναι ένα σημαντικό συστατικό στην παραγωγή εξαφθοριούχου ουρανίου, το οποίο χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό των ισοτόπων του. 18F, ένα ραδιενεργό ισότοπο με χρόνο ημιζωής 110 λεπτά, εκπέμπει ποζιτρόνια και χρησιμοποιείται συχνά στην ιατρική τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων.
Φυσικές ιδιότητες του φθορίου
Βασικά χαρακτηριστικάχημικό στοιχείο ως εξής:
- Ατομική μάζα 18,9984032 g/mol.
- Ηλεκτρονική διαμόρφωση 1s22s22p5..
- Κατάσταση οξείδωσης -1.
- Πυκνότητα 1,7 g/L.
- Σημείο τήξεως 53,53 K.
- Σημείο βρασμού 85,03 K.
- Θερμοχωρητικότητα 31,34 J/(K mol).
