Фтор, как химический элемент

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 фреона	Формула	Точка плавления, °C	Точка кипения, °C
11	CFCl3	–111	23,7
12	CF2Cl2	–155	–29,8
13	CF3Cl	–180	–81,5
14	CF4	–188	–128
22	CHF2Cl	–160	–40,8
113	C2F3Cl3	–35	47,5

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 соединения	Формула	Точка плавления, °C	Точка кипения, °C	Агрегатное состояние
Монофторид хлора	ClF	–155,6	–100,1	Газ
Трифторид хлора	СlF3	–76,3	11,75	»
Монофторид брома	BrF	–33	20	Жидкость
Трифторид брома	BrF3	8,8	127,6	»
Пентафторид брома	BrF5	–61,3	40,5	»
Пентафторид йода	IF5	9,43	100,5	»
Гептафторид йода	IF7	Возг.	4,5	Газ
Окись фтора (дифтерит кислорода)	OF2	–223,8	–144,8	»
Трифторид азота	NF3	–208,5	–129,1	»
Перхлорил-фторид	FClO3	–146	–46,8	»
Фтор	F2	–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».