Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Книги / Популярная библиотека химических элементов
Начало сайта / Книги / Популярная библиотека химических элементов

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Научно-популярные статьи

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Во главе двух академий

Как люди научились летать

Крушение парадоксов

Пионеры атомного века

Луи де Бройль. Революция в физике

Физики продолжают шутить

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Препринт

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Популярная библиотека химических элементов

Фтор

9
F
7 2
ФТОР
18,998
2s22p5

Самый активный, самый электроотрицательный, самый реакционно-способный, самый агрессивный элемент, самый-самый неметалл. Самый, самый, самый... Это слово или его синонимы нам придется повторять очень часто.

Ведь речь идет о фторе.

На полюсе периодической системы

Фтор – элемент из семейства галогенов, в которое входят также хлор, бром, йод и искусственно полученный радиоактивный астат. Фтору свойственны все особенности собратьев по подгруппе, однако он подобен человеку без чувства меры: все увеличено до крайности, до предела. Это объясняется прежде всего положением элемента №9 в периодической системе и его электронной структурой. Его место в таблице Менделеева – «полюс неметаллических свойств», правый верхний угол. Атомная модель фтора: заряд ядра 9+, два электрона расположены на внутренней оболочке, семь – на внешней. Каждый атом всегда стремится к устойчивому состоянию. Для этого ему нужно заполнить внешний электронный слой. Атом фтора в этом смысле – не исключение. Захвачен восьмой электрон, и цель достигнута – образован ион фтора с «насыщенной» внешней оболочкой.

Число присоединенных электронов показывает, что отрицательная валентность фтора равна 1–; в отличие от прочих галогенов фтор не может проявлять положительную валентность.

Стремление к заполнению внешнего электронного слоя до восьмиэлектронной конфигурации у фтора исключительно велико. Поэтому он обладает необычайной реакционной способностью и образует соединения почти со всеми элементами. Совсем недавно, в 50-х годах, большинство химиков считало, и на то были основания, что благородные газы не могут образовывать истинные химические соединения. Однако вскоре три из шести элементов «затворников» не смогли устоять перед натиском удивительно агрессивного фтора. Начиная с 1962 г. получены фториды, а через них – и другие соединения криптона, ксенона и радона.

Удержать фтор от реакции очень трудно, но зачастую не легче вырвать его атомы из соединений. Здесь играет роль еще один фактор – очень малые размеры атома и иона фтора. Они примерно в полтора раза меньше, чем у хлора, и вдвое меньше, чем у йода.

Влияние размера атома галогена на устойчивость галогенидов легко проследить на примере галоидных соединений молибдена (табл. 1).

Таблица 1


ГалогенFClBrI
Высшее устойчивое галоидное соединение молибденаMoF6MoCl5MoBr4MoI3

Очевидно, что чем больше размеры атомов галогена, тем меньше их размещается вокруг атома молибдена. Максимально возможная валентность молибдена реализуется только в соединении с атомами фтора, малый размер которых позволяет «упаковать» молекулу наиболее плотно.

Атомы фтора обладают очень высокой электроотрицательностью, т.е. способностью притягивать электроны; при взаимодействии с кислородом фтор образует соединения, в которых кислород заряжен положительно. Горячая вода сгорает в струе фтора с образованием кислорода. Не правда ли, исключительный случай? Кислород оказался вдруг не причиной, а следствием горения.

Не только вода, но и другие обычно негорючие материалы, такие, как асбест, кирпич, многие металлы, загораются в струе фтора. Бром, йод, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, сурьма, кремний, древесный уголь самовоспламеняются во фторе уже при обычной температуре, а при небольшом нагревании та же участь постигает и благородные платиновые металлы, известные своей химической пассивностью.

Поэтому не удивительно само название фтора. В переводе с греческого это слово означает «разрушающий».

Фтор или флюор?

Фтор – разрушающий – удивительно подходящее название. Однако за рубежом более распространено другое имя элемента №9 – флюор, что в переводе с латинского означает «текучий».

Это название больше подходит не к фтору, а к некоторым его соединениям и берет свое начало от флюорита или плавикового шпата – первого соединения фтора, использованного человеком. По-видимому, еще в древности люди знали о способности этого минерала снижать температуру плавления руд и металлургических шлаков, но, естественно, не знали его состава. Флюором назвали главную составную часть этого минерала, еще неизвестный элемент.

Это название настолько укоренилось в умах ученых, что логически оправданное предложение о переименовании элемента, выдвинутое в 1816 г. не нашло поддержки. А ведь в эти годы шли усиленные поиски флюора, уже было накоплено немало экспериментальных данных, подтверждавших разрушительные способности флюора и его соединений. Да и авторами предложения были не кто-нибудь, а крупнейшие ученые того времени Андрэ Ампер и Хэмфри Дэви. И все-таки фтор оставался флюором.

Жертвы? – Нет, герои

Первое упоминание о флюоре и флюорите относится к XV в.

В начале XVIII в. была открыта плавиковая кислота – водный раствор фтористого водорода, а в 1780 г. известный шведский химик Карл Вильгельм Шееле впервые высказал мысль, что в этой кислоте содержится новый активный элемент. Однако чтобы подтвердить догадку Шееле и выделить фтор (или флюор), химикам потребовалось больше 100 лет, целый век упорной работы многих ученых из разных стран.

Сегодня мы знаем, что фтор очень токсичен, что работа с ним и его соединениями требует большой осторожности и продуманных мер защиты. Первооткрыватели фтора могли об этом только догадываться, да и то не всегда. Поэтому история открытия фтора связана с именами многих героев науки. Английские химики братья Томас и Георг Нокс пытались получить фтор из фторидов серебра и свинца. Опыты окончились трагически: Георг Нокс стал инвалидом, Томас погиб. Та же участь постигла Д. Никлеса и П. Лайета. Выдающийся химик XIX в. Хэмфри Дэви, создатель водородной теории кислот, человек, впервые получивший натрий, калий, магний, кальций, стронций и барий, доказавший элементарность хлора, не смог решить проблемы получения всеразрушающего элемента. В ходе этих опытов он отравился и тяжело заболел. Ж. Гей-Люссак и Л. Тенар потеряли здоровье, так и не добившись сколько-нибудь обнадеживающих результатов.

Более удачливыми оказались А. Лавуазье, М. Фарадей, Э. Фреми. Их фтор «пощадил», но и они не добились успеха.

В 1834 г. Фарадею показалось, что ему, наконец, удалось получить неуловимый газ. Но вскоре он вынужден был признать: «Я не смог получить фтор. Мои предположения, подвергаясь строгому анализу, отпадали одно за другим...» В течение 50 (!) лет этот гигант науки пытался решить проблему получения фтора, но так и не смог одолеть ее...

Неудачи преследовали ученых, однако уверенность в существовании и возможности выделения фтора крепла с каждым новым опытом. Она основывалась на многочисленных аналогиях в поведении и свойствах соединений фтора с соединениями уже известных галогенов – хлора, брома и йода.

Были на этом пути и удачи. Фреми, пытаясь с помощью электролиза извлечь фтор из фторидов, нашел способ получения безводного фтористого водорода. Каждый опыт, даже неудачный, пополнял копилку знаний об удивительном элементе и приближал день его открытия. И этот день настал.

26 июня 1886 г. французский химик Анри Муассан подверг электролизу безводный фтористый водород. При температуре – 23°C он получил на аноде новое, чрезвычайно реакционноспособное газообразное вещество. Муассану удалось собрать несколько пузырьков газа. Это был фтор!

О своем открытии Муассан сообщил Парижской академии. Моментально была создана комиссия, которая через несколько дней должна была прибыть в лабораторию Муассана, чтобы увидеть все своими глазами.

Муассан тщательно подготовился к проведению повторного эксперимента. Он подверг исходный фтористый водород дополнительной очистке, и... высокопоставленная комиссия не увидела фтора. Опыт не воспроизводился, электролиза с выделением фтора не наблюдалось! Скандал?!

Но Муассану удалось найти причину. Оказалось, что лишь небольшие количества фтористого калия, содержащегося во фтористом водороде, делают его проводником электричества. Применение в первом опыте фтористого водорода без дополнительной очистки обеспечило успех: были примеси – шел электролиз. Тщательная подготовка второго опыта стала причиной неудачи.

И все-таки удача определенно сопутствовала Муассану. Вскоре ему удалось найти недорогой и надежный материал для аппаратов, в которых получается фтор. Эта проблема была не менее сложной, чем получение неподатливого элемента. Фтористый водород и фтор разрушали любую аппаратуру. Еще Дэви испытывал сосуды из кристаллической серы, угля, серебра и платины, но все эти материалы разрушались в процессе электролиза соединений фтора.

Первые граммы фтора Муассан получил в платиновом электролизере с электродами из иридиево-платинового сплава. Несмотря на низкую температуру, при которой проводился опыт, каждый грамм фтора «уничтожал» 5...6 г платины.

Платиновый сосуд Муассан заменил медным. Конечно, и медь подвержена действию фтора, но как алюминий защищается от воздуха окисной пленкой, так и медь «укрывалась» от фтора за пленкой непреодолимого для него фторида меди.

Электролиз до сих пор остается практически единственным методом получения фтора. С 1919 г. в качестве электролита используются расплавы бифторидов. Материалы современных электролизеров и электродов – это медь, никель, сталь, графит. Все это во много раз удешевило производство элемента №9 и дало возможность получать его в промышленных масштабах. Однако принцип получения фтора остался тем же, что предлагали Дэви и Фарадей и впервые осуществил Муассан.

Фтор и многие его соединения представляют не только большой теоретический интерес, но и находят широкое практическое применение. Соединений фтора очень много, использование их настолько многосторонне и обширно, что для рассказа обо всем интересном, что связано с этим элементом, не хватило бы и 100 страниц. Поэтому в нашем рассказе вы встретите только самые интересные фтористые соединения, прочно вошедшие в нашу промышленность, в нашу жизнь, в наш быт и даже в наше искусство – соединения, без которых (это можно сказать без преувеличения) немыслим прогресс.

Гидрид фтора и... вода

Что общего может быть у всеразрушающего фтора и «мирной» привычной воды? Казалось бы – ничего. Но поостережемся поспешных выводов. Ведь воду можно рассматривать как гидрид кислорода, а плавиковая кислота HF – не что иное, как гидрид фтора. Итак, мы имеем дело с ближайшими химическими «родственниками» – гидридами двух сильных окислителей.

Известны гидриды всех галогенов. Их свойства изменяются закономерно, однако фтористый водород во многом ближе к воде, нежели к другим галоидоводородам. Сравните диэлектрические постоянные: для HF и Н2О они очень близки (83,5 и 80), в то время как для гидридов брома, йода и хлора эта характеристика значительно ниже (всего 2,9...4,6). Температура кипения HF +19°C, тогда как HI, HBr и НСl переходят в газообразное состояние уже при минусовых температурах.

Одно из природных соединений фтора – минерал криолит – называют нетающим льдом. Действительно, огромные кристаллы криолита очень похожи на ледяные глыбы.

В одном из рассказов писателя-фантаста И.А. Ефремова описана встреча в космосе с обитателями планеты, на которой во всех жизненно важных окислительных процессах участвует фтор, а не кислород. Если такая планета существует, то можно не сомневаться, что ее обитатели утоляют жажду... фтористым водородом.

На Земле фтористый водород служит другим целям.

Нюрнбергский художник Швангард еще в 1670 г. смешивал плавиковый шпат с серной кислотой и этой смесью наносил рисунки на стекло. Швангард не знал, что компоненты его смеси реагируют между собой, а «рисует» продукт реакции. Это не помешало внедрению открытия Швангарда. Пользуются им и в наши дни. На стеклянный сосуд наносится тонкий слой парафина. Художник рисует по этому слою, а затем опускает сосуд в раствор плавиковой кислоты. В тех местах, где неуязвимая для фтористого водорода парафиновая «броня» снята, кислота разъедает стекло, и рисунок навсегда запечатлевается на нем. Это старейшее применение фтористого водорода, но отнюдь не единственное.

Достаточно сказать, что менее чем через 20 лет после создания первых промышленных установок для получения фтористого водорода его годовое производство в США достигло 125 тыс. т.

Стекольная, пищевая, нефтяная, атомная, металлургическая, химическая, авиационная, бумажная – вот далеко не полный перечень тех отраслей промышленности, где фтористый водород находит самое широкое применение.

Фтористый водород способен изменять скорость многих реакций и используется в качестве катализатора самых разнообразных химических превращений.

Одна из основных тенденций современной химии – проведение реакций в неводных средах. Наиболее интересным и уже широко применяющимся неводным растворителем стал фтористый водород.

Фтористый водород – очень агрессивный и опасный реагент, но он незаменим во многих отраслях современной индустрии. Поэтому приемы обращения с ним настолько усовершенствованы, что для грамотного химика наших дней фтористый водород стал почти так же безопасен, как для обитателей неведомой фторной планеты.

Фтор и металлургия

Алюминий – наиболее распространенный металл земной коры, запасы его огромны, однако производство алюминия начало развиваться лишь в конце прошлого века. Кислородные соединения алюминия очень прочны, и восстановление их углем не дает чистого металла. А для получения алюминия методом электролиза требуются его галоидные соединения и прежде всего криолит, содержащий и алюминий и фтор. Но криолита в природе мало, кроме того, в нем низко содержание «крылатого металла» – всего 13%. Это почти в три раза меньше, чем в бокситах. Переработка бокситов затруднена, но, к счастью, они способны растворяться в криолите. При этом получается низкоплавкий и богатый алюминием расплав. Его электролиз – единственный промышленный способ получения алюминия. Нехватка природного криолита компенсируется искусственным, который в огромных количествах получают при помощи фтористого водорода.

Таким образом, наши достижения в развитии алюминиевой промышленности и в самолетостроении в значительной степени – следствие успехов химии фтора и его соединений.

Несколько слов о фторорганике

В 30-х годах нашего века были синтезированы первые соединения фтора с углеродом. В природе подобные вещества встречаются исключительно редко, и никаких особых достоинств за ними не замечалось.

Однако развитие многих отраслей современной техники и их потребности в новых материалах привели к тому, что в наши дни существуют уже тысячи органических соединений, в состав которых входит фтор. Достаточно вспомнить о фреонах – важнейших материалах холодильной техники, о фторопласте-4, который по праву называют пластмассовой платиной.

Этим материалам посвящены отдельные заметки. А пока мы перейдем к следующей главе, которая называется...

Фтор и жизнь

Казалось бы, такое словосочетание не совсем правомерно. «Характер» у элемента №9 весьма агрессивный; его история напоминает детективный роман, где что ни страница, то отравление или убийство. К тому же и сам фтор, и многие его соединения использовались для производства оружия массового уничтожения: во второй мировой войне трифторид хлора немцы применяли как зажигательное средство; несколько фторсодержащих соединений рассматривались в США, Англии и Германии как секретные отравляющие вещества и производились в полузаводских масштабах. Не секрет, что без фтора вряд ли удалось бы получить атомное оружие.

Работа с фтором опасна: малейшая неосторожность – и у человека разрушаются зубы, обезображиваются ногти, повышается хрупкость костей, кровеносные сосуды теряют эластичность и становятся ломкими. В результате – тяжелая болезнь или смерть.

И все-таки заголовок «Фтор и жизнь» оправдан. Впервые это доказал... слон. Да, да – слон. Обычный, правда ископаемый, слон, найденный в окрестностях Рима. В его зубах случайно был обнаружен фтор. Это открытие побудило ученых провести систематическое изучение химического состава зубов человека и животных. Было установлено, что в состав зубов входит до 0,02% фтора, который поступает в организм с питьевой водой. Обычно в тонне воды содержится до 0,2 мг фтора. Нехватка фтора приводит к гниению зубов – кариесу.

Искусственное добавление фтора к воде в тех местах, где обнаруживается его недостаток, приводит к устранению новых случаев заболевания и уменьшению кариеса у больных людей. Тут же оговоримся – большой избыток фтора в воде вызывает острое заболевание – флюороз (пятнистая эмаль). Извечная дилемма медицины: большие дозы – яд, малые – лекарство.

Во многих местах построены установки для искусственного фторирования воды.

Особенно эффективен этот способ профилактики кариеса у детей. Поэтому в некоторых странах соединения фтора (в исключительно малых дозах) добавляют в... молоко.

Существует предположение о том, что фтор необходим для развития живой клетки и что он входит вместе с фосфором в состав животных и растительных тканей.

Фтор находит широкое применение при синтезе различных медицинских препаратов. Фторорганические соединения успешно применяются для лечения болезней щитовидной железы, особенно базедовой болезни, хронических форм диабета, бронхиальных и ревматических заболеваний, глаукомы и рака. Они также пригодны для профилактики и лечения малярии и служат хорошим средством против стрептококковых и стафилококковых инфекций. Некоторые фторорганические препараты – надежные обезболивающие средства.

Фтор и жизнь – именно этот раздел химии фтора достоин наибольшего развития, и будущее – за ним. Фтор и смерть? Можно и нужно работать и в этой области, но для того, чтобы получать не смертоносные отравляющие вещества, а различные препараты для борьбы с грызунами и другими сельскохозяйственными вредителями. Такое применение находят, например, монофторуксусная кислота и фторацетат натрия.

И лед, и пламень

Как приятно бывает в жаркий летний день достать из холодильника бутылку ледяной минеральной воды...

В большинстве холодильников – и промышленных, и домашних – хладоагентом, веществом, создающим холод работает фторорганическая жидкость – фреон.

Фреоны получаются при замене атомов водорода в молекулах простейших органических соединений на фтор или фтор и хлор.

Таблица 2


Номер фреонаФормулаТочка плавления, °CТочка кипения, °C
11CFCl3–11123,7
12CF2Cl2–155–29,8
13CF3Cl–180–81,5
14CF4–188–128
22CHF2Cl–160–40,8
113C2F3Cl3–3547,5

Простейший углеводород – метан CH4. Если все атомы водорода в метане заменить на фтор, то образуется тетрафторметан CF4 (фреон-14), а если фтором замещается только два атома водорода, а два другие – хлором, то получится дифтордихлорметан СF2Сl2 (фреон-12). В табл. 2 приведены важнейшие характеристики нескольких подобных соединений.

В домашних холодильниках обычно работает фреон-12. Это бесцветный, нерастворимый в воде и негорючий газ с запахом, похожим на запах эфира. Фреоны 11 и 12 работают также в установках для кондиционирования воздуха. В «шкале вредности», составленной для всех применяемых хладагентов, фреоны занимают последние места. Они даже безвреднее «сухого льда» – твердой двуокиси углерода.

Фреоны исключительно устойчивы, химически инертны. Здесь, как и в случае фторопластов, мы сталкиваемся с тем же удивительным явлением: с помощью наиболее активного элемента – фтора – удается получить химически очень пассивные вещества. Особенно устойчивы они к действию окислителей, и это не удивительно – ведь их атомы углерода находятся в высшей степени окисления. Поэтому фторуглероды (и, в частности, фреоны) не горят даже в атмосфере чистого кислорода. При сильном нагревании происходит деструкция – распад молекул, но не окисление их. Эти свойства позволяют применять фреоны еще в ряде случаев: их используют как пламегасители, инертные растворители, промежуточные продукты для получения пластмасс и смазочных материалов.

Сейчас известны тысячи фторорганических соединений различных типов. Многие из них применяются в важнейших отраслях современной техники.

Во фреонах фтор работает на «индустрию холода», но с его помощью можно получать и очень высокие температуры. Сравните эти цифры: температура кислородо-водородного пламени 2800°C, кислородо-ацетиленового 3500°C, при горении водорода во фторе развивается температура 3700°C. Эта реакция уже нашла практическое применение во фтористо-водородных горелках для резания металла. Кроме того, известны горелки, работающие на фторхлоридах (соединения фтора с хлором), а также на смеси трехфтористого азота и водорода. Последняя смесь особенно удобна, так как трехфтористый азот не вызывает коррозии аппаратуры. Естественно, во всех этих реакциях фтор и его соединения играют роль окислителя. Можно использовать их и в качестве окислителя в жидкостных реактивных двигателях. В пользу реакции с участием фтора и его соединений говорит многое. Развивается более высокая температура – значит, и давление в камере сгорания будет больше, возрастет тяга реактивного двигателя. Твердых продуктов горения в результате таких реакций не образуется – значит, опасность забивки сопел и разрыва двигателя в этом случае также не грозит.

Но у фтора, как составной части ракетного топлива, есть ряд крупных недостатков. Он очень токсичен, коррозионно-активен и имеет очень низкую температуру кипения. Сохранить его в виде жидкости труднее, чем другие газы. Поэтому более приемлемы здесь соединения фтора с кислородом и галогенами.

Некоторые из этих соединений по своим окислительным свойствам не уступают жидкому фтору, но имеют огромное преимущество; в обычных условиях это или жидкости, или же легко сжижаемые газы. Сравните их свойства, проанализировав данные табл. 3.

Таблица 3


Название соединенияФормулаТочка плавления, °CТочка кипения, °CАгрегатное состояние
Монофторид хлораClF–155,6–100,1Газ
Трифторид хлораСlF3–76,311,75»
Монофторид бромаBrF–3320Жидкость
Трифторид бромаBrF38,8127,6»
Пентафторид бромаBrF5–61,340,5»
Пентафторид йодаIF59,43100,5»
Гептафторид йодаIF7Возг.4,5Газ
Окись фтора (дифтерит кислорода)OF2–223,8–144,8»
Трифторид азотаNF3–208,5–129,1»
Перхлорил-фторидFClO3–146–46,8»
ФторF2–227,6–188,1»

Среди фторгалоидных соединений наиболее удобны для использования в ракетном топливе трифторид хлора и пентафторид брома. Известно, например, что еще в 1956 г. в США трехфтористый хлор рассматривался как возможный окислитель реактивного горючего. Высокая химическая активность затрудняет применение подобных веществ. Однако эти затруднения не абсолютны и преодолимы.

Дальнейшее развитие химии коррозионных процессов, получение более коррозионно-устойчивых материалов, успехи в синтезе новых окислителей на основе фтора, вероятно, позволят осуществить многие замыслы ракетостроителей, связанные с использованием элемента №9 и его соединений. Но мы не будем заниматься предсказаниями. Современная техника развивается стремительно. Быть может, через несколько лет появятся какие-то принципиально новые типы двигателей, а ЖРД отойдут в область истории... В любом случае бесспорно, что фтор еще не сказал своего последнего слова в освоении космического пространства.

Распространенность

Среднее содержание фтора в почвах равнин 0,02%.

В каждом литре морской воды 0,3 мг фтора. В раковинах устриц его в 20 раз больше.

В коралловых рифах заключены миллионы тонн фторидов. Среднее содержание фтора в живых организмах в 200 раз меньше, чем в земной коре.

Как выглядит фтор?

В обычных условиях фтор – бледно-желтый газ, при температуре –188°C – жидкость канареечно-желтого цвета, при –228°C фтор замерзает и превращается в светло-желтые кристаллы. Если температуру понизить до –252°C, эти кристаллы обесцветятся.

Как пахнет фтор?

Запахи хлора, брома и йода, как известно, трудно отнести к разряду приятных. В этом отношении фтор мало отличается от своих собратьев – галогенов. Его запах – резкий и раздражающий – напоминает одновременно запахи хлора и озона. Одной миллионной доли фтора в воздухе достаточно, чтобы человеческий нос уловил его присутствие.

В долине тысячи дымов

Газы вулканического происхождения иногда содержат фтористый водород. Наиболее известный природный источник таких газов – фумаролы Долины Тысячи Дымов (Аляска). Ежегодно с вулканическим дымом в атмосферу уносится около 200 тыс. т. фтористого водорода.

Свидетельствует Дэви

«Я предпринял эксперимент по электролизу чистой фтористоводородной кислоты с большим интересом, так как он давал наиболее вероятную возможность убедиться в действительной природе фтора. Но при осуществлении процесса встретились значительные трудности. Жидкая фтористоводородная кислота немедленно разрушала стекло и все животные и растительные вещества. Она действует на все тела, содержащие окиси металлов. Я не знаю ни одного вещества, которое бы не растворялось в ней, за исключением некоторых металлов, древесного угля, фосфора, серы и некоторых соединений хлора».

Фтор и атомная энергия

Роль фтора и его соединений в производстве ядерного горючего исключительна. Можно смело утверждать, что не будь фтора, в мире до сих пор не было бы ни одной атомной электростанции, а общее число исследовательских реакторов нетрудно было бы сосчитать на пальцах.

Общеизвестно, что ядерным горючим может служить не всякий уран, а лишь некоторые его изотопы, в первую очередь 235U.

Нелегко разделять изотопы, отличающиеся один от другого только числом нейтронов в ядре, причем чем тяжелее элемент, тем меньше ощущается разница в весе. Разделение изотопов урана осложняется еще и тем, что почти все современные методы разделения рассчитаны на газообразные вещества или летучие жидкости.

Уран кипит при температуре около 3500°C. Из каких материалов пришлось бы изготовить колонны, центрифуги, диафрагмы для разделения изотопов, если бы пришлось работать с парами урана?! Исключительно летучее соединение урана – его гексафторид UF6. Он закипает при 56,2°C. Поэтому разделяют не металлический уран, а гексафториды урана-235 и урана-238. По химическим свойствам эти вещества, естественно, не отличаются друг от друга. Процесс разделения их идет на стремительно вращающихся центрифугах.

Разогнанные центробежной силой молекулы гексафторида урана проходят через мелкопористые перегородки: «легкие» молекулы, содержащие 235U, проходят сквозь них чуть быстрее «тяжелых».

После разделения гексафторид урана превращают в тетрафторид UF4, а затем и в металлический уран.

Гексафторид урана получают в результате реакции взаимодействия урана с элементарным фтором, но эта реакция трудно управляема. Более удобно обрабатывать уран соединениями фтора с другими галогенами, например СlF3, BrF и BrF6. Получение тетрафторида урана UF4 связано с использованием фтористого водорода. Известно, что в середине 60-х годов в США на производство урана затрачивалось почти 10% всего фтористого водорода – порядка 20 тыс. т.

Процессы производства таких важных для ядерной техники материалов, как торий, бериллий и цирконий, также включают в себя фазы получения фтористых соединений этих элементов.

Пластмассовая платина

Лев, пожирающий Солнце. Этот символ означал у алхимиков процесс растворения золота в царской водке – смеси азотной и соляной кислот. Все драгоценные металлы химически очень устойчивы. Золото не растворяется ни в кислотах (кроме селеновой), ни в щелочах. И только царская водка «пожирает» и золото и даже платину.

В конце 30-х годов в арсенале химиков появилось вещество, против которого бессилен даже «лев». Не по зубам царской водке оказалась пластмасса – фторопласт-4, известная также под названием тефлон. Молекулы тефлона отличаются от полиэтиленовых тем, что все атомы водорода, окружающие главную цепь (... – С – С – С – ...), заменены фтором.

Фторопласт-4 получают полимеризацией тетрафторэтилена – бесцветного неядовитого газа.

Полимеризация тетрафторэтилена была открыта случайно. В 1938 г. в одной из зарубежных лабораторий внезапно прекратилась подача этого газа из баллона. Когда баллон вскрыли, выяснилось, что он заполнен неизвестным белым порошком, оказавшимся политетрафторэтиленом. Исследование нового полимера показало его удивительную химическую стойкость и высокие электроизоляционные свойства. Сейчас из этого полимера прессуют многие важнейшие детали самолетов, машин, станков.

Широко используются и другие полимеры, в состав которых входит фтор. Это политрифторхлорэтилен (фторопласт-3), поливинилфторид, поливинилиденфторид. Если вначале полимеры, содержащие фтор, были лишь заменителями других пластмасс и цветных металлов, то сейчас они сами стали незаменимыми материалами.

Самые ценные свойства фторсодержащих пластмасс – их химическая и термическая устойчивость, небольшой удельный вес, низкая влагопроницаемость, отличные электроизоляционные характеристики, отсутствие хрупкости даже при очень низких температурах. Эти свойства обусловили широкое применение фторопластов в химической, авиационной, электротехнической, атомной, холодильной, пищевой и фармацевтической промышленности, а также в медицине.

Очень перспективными материалами считаются и фторсодержащие каучуки. В разных странах уже создано несколько типов каучукоподобных материалов, в молекулы которых входит фтор. Правда, ни один из них по совокупности свойств не возвышается над остальными каучуками в такой же мере, как фторопласт-4 над обычными пластмассами, но ценных качеств у них немало. В частности, они не разрушаются дымящейся азотной кислотой и не теряют эластичности в большом интервале температур.

 

Неон

Оглавление


Дата публикации:

25 февраля 2002 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика