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氟
(非金屬化學元素)
鎖定
- 中文名
- 氟
- 外文名
- Fluorine
- CAS登錄號
- 7782-41-4
- 熔 點
- -219.66 ℃
- 沸 點
- -188.12 ℃
- 水溶性
- 反應
- 密 度
- 1.696 g/dm³
- 外 觀
- 淡黃色氣體
- 元素符號
- F
- 原子序數
- 9
- 原子量
- 18.9984032(5)
- 發現人
- 莫瓦桑
- 週 期
- 第二週期
- 族
- VII A族
- 區
- p區
- 元素類別
- 鹵素
- 電子排布
- [He] 2s22p5
氟物理性質
由於氟的特殊化學性質,導致其物理性質的測定的難度較大,一些數據的準確性並不是很高,下面的數據採用了參考資料中的最新數據或時間相近數據中有效數字位數較多者。
密度:1.696g/L(273.15K,0℃);
蒸氣壓(l)(kPa):
;
T(K) | 53.56 | 60.50 | 69.57 | 77.17 | 81.59 | 85.05 | 89.40 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
P(kPa) | 0.223 | 1.719 | 11.24 | 37.38 | 67.21 | 101.7 | 162.64 |
熱導率:27.7W/(m·K)。
氟化學性質
晶體結構:簡單立方晶體;晶胞參數:a = 550 pm,b = 328 pm,c = 728 pm,α=β =γ= 90°;
氟是已知元素中非金屬性最強的元素,這使得其沒有正氧化態。
[5]
氟的基態原子價電子層結構為2s22p5,且氟具有極小的原子半徑,因此具有強烈的得電子傾向,具有強的氧化性,是已知的最強的氧化劑之一。
[1]
氟與單質的反應
不但是氫氣,氟可以與除O、N、He、Ne、Ar、Kr以外所有元素的單質反應,生成最高價氟化物。
[1]
除具有最高價態的金屬氟化物和少數純的全氟有機化合物外,幾乎所有化合物均可以與氟反應。即使是全氟有機化合物,如果被可燃物污染,也可以在氟氣中燃燒。大多數有機化合物與氟的反應將會發生爆炸,碳或大多數烴與過量氟的反應,將生成四氟化碳及少量四氟乙烯或六氟丙烷。
通常,由於氮對氟而言是惰性的,可用作氣相反應的稀釋氣。氮和氟用輝光放電法可以化合為NF3。
[3]
氟在與銅、鎳或鎂反應時,金屬表面會形成緻密的氟化物保護膜以阻止反應,因此氟氣可保存在這些材料製成的容器中。
[1]
氟與化合物的反應
氟與稀釋的疊氮化氫反應,生成疊氮氟化物:
。
二氧化硅在氟氣中可燃燒,生成氧:
。
氟還可以從許多含鹵素的化合物中取代其它鹵素。
(X為其他鹵素)。
F的一些特殊性質可以從以下幾個方面進行解釋:
1、F的電負性最大;
2、標準電極電勢F2/F-最大;
氟其他
氟研究歷史
1774年瑞典化學家舍勒在研究硫酸與螢石的反應時發現HF,並於1789年提出它的酸根與鹽酸酸根性質相似的猜想。而後法國化學家蓋·呂薩克等繼續進行提純氫氟酸的研究,到了1819年無水氫氟酸雖然仍未分離,但其對玻璃以及硅酸鹽反應的本質已被闡明:
CaSiO3 + 6 HF → CaF2 + SiF4 + 3H2O;SiO2 + 4 HF → SiF4 + 2H2O
19世紀初期安培給戴維的信函中指出氫氟酸中存在着一種未知的化學元素,正如鹽酸中含有氯元素,並建議把它命名為“Fluor”,詞源來自拉丁文及法文,原意為“流動(flow,fluere)”之意。
在此之後,1813年戴維,1836年喬治·諾克斯及托馬士·諾克斯,1850年弗累密,1869年哥爾,都曾嘗試製備出氟單質,但最終都因條件不夠或無法分離而失敗,他們因長期接觸含氟化合物中毒而健康受損。
1886年的6月弗累密的學生莫瓦桑總結前人分離氟元素失敗的原因,並以他們的實驗方案作為基礎,剛開始曾選用低熔點的三氟化磷及三氟化砷進行電解,陽極上有少量氣泡冒出,但仍腐蝕鉑電極,而大部分氣泡仍未升上液麪時被液態氟化砷吸收而失敗。
1886年莫瓦桑採用液態氟化氫作電解質,在其中加入氟氫化鉀(KHF2)使它成為導電體;以鉑制U形管盛載電解液,鉑銥合金作電極材料,螢石製作管口旋塞,接合處以蟲膠封固,電降槽(鉑制U形管)以氯乙烷(C2H5Cl)作冷凝劑,實驗進行時,電解槽温度降至-23℃。6月26日那天開始進行實驗,陽極放出了氣體,他把氣流通過硅時燃起耀眼的火光,根據他的報告:被富集的氣體呈黃綠色,氟元素被成功分離。
莫氏發現氟的成就,使他獲得卡柴獎金(Prix la Caze),1896年獲英國皇家科學會贈戴維獎章;1903年德國化學會贈他霍夫曼獎章;1906年獲諾貝爾化學獎
[4]
。他因長期接觸一氧化碳及含氟的劇毒氣體,健康狀況較常人先衰,1907年2月20日與世長辭,年僅54歲。
氟主要用途
氟元素分佈
氟自然界
氟是自然界中廣泛分佈的元素之一。氟在地殼的存量為6.5×10-2%
[2]
,存在量的排序數為13。
[3]
自然界中氟主要以螢石(CaF2),冰晶石(Na3[AlF6])及以氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2)存在
[1]
。
德國科學家首次證實自然界中存在氟氣,德國慕尼黑理工大學的Florian Kraus與其他合作者,如慕尼黑路德維希—馬克西米利大學的JornSchmedt auf der Günne,第一次原位證實氟氣是使嘔吐石發出惡臭氣味的罪魁禍首。他們在曾引起礦工噁心嘔吐的區域附近採集到豆大的一塊嘔吐石樣品,然後用固體核磁共振譜儀分析它們。這項技術不需要打碎樣品就可以原位探測裏面的氟氣
[7]
氟人體分佈
氟同位素
氟在自然界中大量存在的同位素僅有19F
[8]
。已知的氟同位素共有18個,只有19F是穩定的。18F是一個很好的正電子源,常被用於正電子發射計算機斷層顯像(PET)示蹤劑的合成。臨牀最常用的示蹤劑——氟-18代脱氧葡萄糖(18F-FDG)就是含有氟-18的示蹤劑。
符號 | 質子 | 中子 | 質量(u) | 半衰期 | 原子核自旋 | 相對丰度 |
---|---|---|---|---|---|---|
14F | 9 | 5 | 14.03506(43)* | 2-* | ||
15F | 9 | 6 | 15.01801(14) | 410(60)E-24 s [1.0(2)MeV] | (1/2+) | |
16F | 9 | 7 | 16.011466(9) | 11(6)E-21 s [40(20) keV] | 0- | |
17F | 9 | 8 | 17.00209524(27) | 64.49(16)s | 5/2+ | |
18F | 9 | 9 | 18.0009380(6) | 109.771(20)min | 1+ | |
19F | 9 | 10 | 18.99840322(7) | 穩定 | 1/2+ | 1.0000 |
20F | 9 | 11 | 19.99998132(8) | 11.163(8)s | 2+ | |
21F | 9 | 12 | 20.9999490(19) | 4.158(20)s | 5/2+ | |
22F | 9 | 13 | 22.002999(13) | 4.23(4)s | 4+,(3+) | |
23F | 9 | 14 | 23.00357(9) | 2.23(14)s | (3/2,5/2)+ | |
24F | 9 | 15 | 24.00812(8) | 400(50)ms | (1,2,3)+ | |
25F | 9 | 16 | 25.01210(11) | 50(6)ms | (5/2+)* | |
26F | 9 | 17 | 26.01962(18) | 9.6(8)ms | 1+ | |
27F | 9 | 18 | 27.02676(40) | 4.9(2)ms | 5/2+* | |
28F | 9 | 19 | 28.03567(55)* | |||
29F | 9 | 20 | 29.04326(62)* | 2.6(3)ms | 5/2+* | |
30F | 9 | 21 | 30.05250(64)* | |||
31F | 9 | 22 | 31.06043(64)* | 1# ms [>260 ns] | 5/2+* |
*從理論上理論計算出,沒有經過實驗的證明的數據。
氟氟化合物的安全
氟化合物對人體有害,少量的氟(150mg以內)就能引發一系列的病痛,大量氟化物進入體內會引起急性中毒。因吸入量不同,可以產生各種病症,例如厭食、噁心、腹痛、胃潰瘍、抽筋出血甚至死亡。若中毒量不足致死,人體可以迅速從氟中毒中恢復,尤其在使用靜脈注射或是肌肉注射葡萄糖酸鈣治療時,約有90%的氟可被迅速消除,剩餘的氟則需要時間除去。經常接觸氟化物,容易導致骨骼變硬、脆化,牙齒脆裂斷落等症狀,部分地區飲水中含氟量過大也容易導致氟中毒。
[3]
痕量的氟有利於預防齲齒,若水中的氟含量小於0.5ppm,齲齒的病發率會達到70%~90%。
[4]
但如果飲用水中含氟量超過1ppm,牙齒則會逐漸產生斑點並變脆。
[3]
飲用水中氟含量超過4ppm時,人易患氟骨病,導致骨髓畸形。降低飲用水中氟含量的方法是煮沸飲用水。
[4]
不溶性的氟化物毒性低,對皮膚無刺激,但若吸入大量粉塵,則容易被人體吸收而慢性中毒。可溶性的氟化物被吸收後可迅速排出,一次吞服5~10g則會引起胃腸出血而死亡。酸性氟化物,例如氫氟酸,氟硼酸等會劇烈腐蝕皮膚,接觸處會發生紅腫並蔓延,產生難以癒合的潰瘍。單質氟、氟化氫等氣體對人眼、鼻有刺激,吸入量過大則會引起嚴重的氣管炎和肺水腫,導致死亡。
[3]
接觸氟化物工作的人最嚴重和最危險的是臉部和皮膚接觸氟和氟化物。因此在使用氟和氟化物時必須遵守操作流程,並有可靠的安全措施,包括操作用具、橡皮手套,有遮蓋的防護面罩和有防酸性氣體的防毒面具。工作場所應有良好的通風設施,對於反應活性大的物品應有防爆裝置。被氟化氫與其他氟化物灼傷時要及時處理灼傷部位先用大量水沖洗,再用甘油氧化鎂塗敷,最妥善的方法是立即在患處注射葡萄糖酸鈣,使氟被固定為不溶性的氟化物。
[3]
此外使用六氟靈沖洗是處理氫氟酸事故的良好方法,六氟靈的原理是通過中和反應和配位作用減少人體內的氫離子與氟離子數量。
一部分有機氟化物的毒性很大,其中對於含氟羧酸,結構通式為F(CH2)nCOOH,若n為奇數則該有機物是極毒的,n為偶數時毒性很小甚至無毒。
[3]
在2013年11月底發生過快遞運送氟乙酸甲酯而致人死亡的事件,其中氟乙酸甲酯的氟乙酸部分n=1。
氟世界紀錄
世界上最活潑的非金屬元素:氟氣是一種淡黃色,劇毒的氣體。氟氣的腐蝕性很強,化學性質極為活潑,是氧化性最強的物質之一,甚至可以和部分惰性氣體在一定條件下反應。
- 參考資料
-
- 1. 宋天佑等.無機化學(第二版)下冊.北京:高等教育出版社,2010
- 2. 吳國慶等.無機化學(第四版)下冊.北京:高等教育出版社,2003
- 3. 鍾興厚、蕭文錦、袁啓華、婁潤和.無機化學叢書 第六卷.北京:科學出版社,1995
- 4. 張祖德.無機化學(修訂版).合肥:中國科技大學出版社,2010
- 5. 嚴宣申,王長富.普通無機化學.北京:高等教育出版社,1999
- 6. 邢其毅、裴偉偉、徐瑞秋、裴堅.基礎有機化學.北京:高等教育出版社,2005
- 7. 德國科學家首次證實自然界中存在氟氣 .浙江大學求是新聞網,轉發中國科學報[引用日期2015-01-24]
- 8. 宋天佑等.無機化學(上冊)第二版.北京:高等教育出版社,2010