(卤族化学元素)

氟是一种卤族化学元素,它的化学符号是F,它的原子序数是9。氟化物是以氟离子的形式,广泛分布于自然界。氟是一种反应性能极高的元素,被称为是“化学界顽童”。但氟一旦与其它元素结合,就会成为耐热、难以被药品和溶剂侵蚀的具有“高度安全性能”的化合物,氟树脂等高分子化合物具有防粘、防水、防油、润滑、弯曲率低、电气性能好等优异性能。氟元素被广泛应用于家庭用品、办公自动化设备、半导体、汽车等领域。氟原子非常小,仅次于氢原子。

中文名
外文名
fluorine
符号
F
序号
9
族群
卤族
周期
第2周期
元素分区
p区
原子质量
18.9994 原子量单位
密度
1.696 g/L(0 ℃)
外观
淡黄色气体
熔点
-219.6℃
沸点
-188.1℃
CAS号
7782-41-4
物理状态
淡黄色刺激性气体
受管制信息
本品受管制

1简介

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氟是一种非金属化学元素,化学符号F,原子序数9。氟是卤族元素之一,属周期系ⅦA族,在元素周期表中位于第二周期。氟元素的单质是F2,它是一种淡黄,剧毒的气体。氟气的腐蚀性很强,化学性质极为活泼,是氧化性最强的物质之一,甚至可以和部分惰性气体在一定条件下反应。氟是特种塑料、橡胶和冷冻机(氟氯烷)中的关键元素。由于氟的特殊化学性质,氟化学在化学发展史上有重要的地位。

基本信息

元素名称:氟

拼音:fú

英文名:fluorine

元素符号:F

元素相对原子质量:18.9984032 

元素类型:非金属

CAS号 :7782-41-4

EINECS号 :231-954-8

原子体积:(立方厘米/摩尔)12.6

密度:(千克/立方米):1516(85K,液态),1.696(273.15K,气态)

元素在太阳中的含量:(ppm) 0.5

元素在海水中的含量:(ppm)

太平洋表面 0.0001

地壳中含量:(ppm)950

质子数:9

中子数:10

原子序数:9

所属周期:2

所属族数:ⅦA

氧化态:Main F-1

核电荷数:9

电负性:4(鲍林标度)

电子层分布:2-7

电子层:K-L

外围电子层排布:2s² 2p5

2历史

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早在16世纪前半叶,氟的天然化合物萤石(CaF2)就被记述于欧洲矿物学家的著作中,当时这种矿石被用作熔剂,把它添加在熔炼的矿石中,以降低熔点。因此氟的拉丁名称 fluorum从fluo(流动)而来。它的元素符号由此定为F。

氟

1771年瑞典化学家舍勒制得氢氟酸。此后的一百多年中,戴维盖·吕萨克、诺克斯兄弟等很多人为制取单质氟而中毒,鲁耶特、尼克雷因中毒太深而献出了自己的生命。

拉瓦锡在1789年的化学元素表中将氢氟酸基当作是一种元素。到1810年戴维确定了氯气是一种元素。

1812年,法国科学家安培根据氢氟酸和盐酸的相似性质和相似组成,大胆推断氢氟酸中存在一种新元素。他并建议参照氯的命名给这种元素命名为fluorine。但单质状态的氟却迟迟未能制得。

1886年6月26日,法国化学家弗雷米的学生亨利·莫瓦桑制得单质状态的氟,莫瓦桑因此获得1906年诺贝尔化学奖。

氟,安德烈·玛丽·安培将之命名为Fluorine,该词来自拉丁文fluere(帮助熔融的物质),也就是氟化钙(萤石)的最初用途;之后安培改称为phthorine(破坏的),该词来自希腊文;但是绝大部分语言多半已固定使用修改自Fluorine的名词,因此此一名称只有希腊至21世纪仍在使用。日文音译德文Fluor的第一个发音而称之为“弗素”,韩文过去也使用该词,但现代多半以谚文拼写为“플루오린”。

3性质

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物理性质

氟在标准状态下是淡黄色气体,液化时为黄色液体。在-252℃时变为无色液体。

由于氟的特殊化学性质,导致其物理性质的测定的难度较大,一些数据的准确性并不是很高,下面的数据采用了参考资料中的最新数据或时间相近数据中有效数字位数较多者。

原子半径:71pm(F-F),64pm(F-C); 

离子半径:133pm; 

密度:1.696g/L(273.15K,0℃);

熔点:-219.66℃ ;

熔化热:510.36±2.1J·mol-1; 

沸点:-188.12℃[1] ;

气化热:6543.69±12.55J·mol-1(84.71K,9.81kPa);

蒸气压(l)(kPa): 蒸汽压(l)(kPa)

溶解度:与水反应 ;

临界温度:144K;

临界压力:55atm;

热导率:W/(m·K) 27.7

化学性质

电子层排布:[He]2s2 2p5 ;

主氧化态:F(-I),F(0) ;

电负性:3.98(鲍林标度) ,4.10(阿莱-罗周标度),3.91(马利肯标度);

晶体结构:简单立方;晶胞参数:a = 550 pm,b = 328 pm,c = 728 pm,α=β =γ= 90°;

化学键能(kJ /mol):F-F:159;F-H:569;F-O:190;F-N:272;F-C:456;F-B:644 ;F-Al:582;

亲和能:328.16kJ·mol-1; 

电离能(kJ/ mol):I1:1681.0;I2:3374;I3: 6050;I4:8408;I5:11023;I6:15164;I7:17867;I8:92036;:I9:106432;

单质解离能:157.7kJ·mol-1;

F-水和能:-506.3kJ·mol-1; 

标准熵:F:158.6J·mol-1·K-1,F2:202.5J·mol-1·K-1; 

标准电极电势:E∅(F₂/HF)=3.053V,E(F₂/F-)=2.87V。

氟是已知元素中非金属性最强的元素,这使得其没有正氧化态。氟的基态原子价电子层结构为2s2 2p5,且氟具有极小的原子半径,因此具有强烈的得电子倾向,具有强的氧化性,是已知的最强的氧化剂之一。

氟的卤素互化物有ClF、ClF3、BrF3、IF6等。 

活性

在常温下,能同绝大多数元素单质发生化合反应,并剧烈放热。和氢气即使在-250摄氏度的黑暗中混合也能发生爆炸,故液氟和液氢也用作高能火箭的液体燃料。由于氟的电负性在所有除氖外的元素中最强(阿伦标度),而目前(2012)还没有制得氖的化合物,因此在所有的化合物中,氟都显-1氧化态,一化合价。在少量氟气通过冰面时反应生成不稳定的次氟酸(HFO),其中的F仍为-1氧化态。

由于氟的高度活性,稀有气体的化合物也是最早从氟或含氟化合物开始制备的。最早得到的是六氟合铂酸氙(XePtF6),此后还得到XeF2、XeF6、XeO3以及氪的氟化物等。此外,氟单质也用于获得一些高价的过渡金属化合物,比如Cs2CuF6、AuF5、UF6等。

惰性

链烷基上的氢可以完全或部分被氟取代。完全被氟取代的化合物通常称为“全氟代物”。与碳氢化合物不同,由于氟原子半径略大于氢原子,所以全氟碳链上的氟原子排列略呈螺旋状。这一类化合物具有与众不同的惰性。 

不粘性

一般全氟的高分子非常稳定,耐热耐寒、抗腐蚀性强。如聚四氟乙烯(Teflon),可以耐高达260摄氏度的温度,不沾水和一般有机溶剂。故被用于制作不粘锅,以及一些化学反应容器。

溶解性

只有氟单质、三氟化氯、五氟化氯和熔融碱金属可以在高温下腐蚀聚四氟乙烯。全氟代有机物在室温下与一般溶剂难以互溶(醚、酯等除外),而加热后,溶解度有所增加。这类全氟代有机物用作溶剂时,在溶液中和有机溶剂、水分成单独的一个相,一般称作“氟碳相”。随着氟链的增长或者增多,全氟代有机物在有机溶剂和全氟溶剂中的溶解度都会显著下降。QSAR的计算表明,有机分子中,如果氟原子的质量比重超过60%,就可以呈现出“全氟”的特性。

腐蚀性

氟及其一些化合物都有毒和较强的腐蚀性。氢氟酸可以腐蚀玻璃。而氟离子在人体组织内有渗透性。氢氟酸接触皮肤如不及时处理可以腐烂至骨而造成永久性的损伤,而氟离子可以和钙离子结合而使人发生中毒。而且氢氟酸的灼伤不易被发觉,一般是麻痹1-2小时后才有疼痛感。一旦接触氢氟酸,应该立即用大量水冲洗,并涂上20%氧化镁的甘油悬浮液。而FSO3H、SbF5等化合物具有远强于硫酸等一般强酸的酸性,特定比例的混合物甚至可以分解石蜡。

特殊性质 

卤族元素具有一些相似的性质,但是由于F的原子半径特殊的小,使得F有一些特殊的性质。    

1. 主要氧化数: F 无正氧化数   

2. 解离能:F-F < Cl-Cl   

3. 分解水:F2氧化H2O   

4. 第一电子亲合能: F < Cl > Br > I   

5. 卤化物热力学稳定性:氟化物最稳定   

6. 卤化物配位数(C.N.):氟化物最大   AsF3 AsCl3 AsBr3 AsI3   AsF5 AsCl5 (-50℃分解)   PbF4 PbCl4 (R.T.分解)   

F的一些特殊性质可以从以下几个方面进行解释:   

1. F的电负性最大;   

2.标准电极电势 F2/F-最大;   

3. F的原子半径 r最小; 形成共价键化合物p∏- p ∏或p∏-d ∏存在, F-F键能较小,   

4. 热力学离子型卤化物:氟化物晶格能U最大。      

5. 共价型卤化物:氟化物Δf GmO最负。   Δ rHm= S+1/2 D+ I+(- E)+(- U)   F 的解离能低,NaF 晶格能力最大, 生成焓更负, 热力学稳定性强。   

注:氟化氢(氢氟酸)是唯一可使二氧化硅溶解的酸,生成易溶于水的氟硅酸

4用途

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制造含氟高分子材料(如聚四氟乙烯塑料、含氟质子交换膜如杜邦公司Nafion膜等)。由于有机分子中的氟原子和三氟甲基等有强的亲酯性,故在农药分子中引入氟原子可以显著降低其用量。氟碳相的应用。利用氟碳相在高温与有机相互溶、低温下则不互溶的性质,可以用于萃取有机相中的含氟化合物。也可以由此特性使用亲氟或含氟的催化剂,在反应过程中使包含催化剂的氟碳相和有机相互溶,而反应完成后则降温,使大部分催化剂仍然留在氟碳相中,从而节约催化剂的用量。不少商家在牙膏中加入含氟化合物,可以有效防止蛀牙。

含“氟”牙膏含“氟”牙膏


氯氟碳化合物(氟氯代烷)(俗称氟里昂Freon)或者溴氟碳化合物等。被用作灭火剂和空调制冷剂。需要指出的是,导致臭氧层分解的是氟里昂因光解产生的氯自由基,而非氟原子。所以现在一些绿色冰箱制造商所打的“不含氟”口号容易造成“氟元素破坏臭氧层”的误解。其中的“氟”应为含氯的“氟里昂”。六氟化铀(UF6),用于使用气体扩散法分离同位素U-235和U-238。和Pu-239一样,前者可以用于制造核弹。当一定形状的U-235超过临界质量后,中子可以引发其链式反应而瞬间释放巨大能量。后者U-238则只能用于增殖弹。气体扩散法利用六氟化铀-235和六氟化铀-238分子质量的微小差异,通过扩散来富集前者。由于扩散速率和分子量的平方根成反比,所以这个方法需要庞大且耐腐蚀(六氟化铀易水解,并释放出有毒且腐蚀性的UO2F2和HF)的设备,因而代价高昂。二战时美国的“曼哈顿工程”就是通过这个方法浓缩到足够制造核弹的U-235的。人造血液。一些全氟醚类化合物可以携带氧气和部分人体需要的养料和排泄物等。在需要全身换血时,可以用它暂时代替病人体内的血液;由于其挥发性,待几天后可自行排出。因为全氟化合物很稳定,一般很少有毒副作用。

参考资料

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标签: 化学元素 卤族

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  • 更新时间:2015-12-10
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