元素

氟元素 牙膏和不粘锅中的元素

本文投稿作者 漂泊

从致命毒气氟气到走进万千厨房的特氟龙(聚四氟乙烯),氟元素显示了它双刃剑般的特性。制冷剂、洁齿剂、药物,氟元素在各个不同的领域发挥着巨大的用处,显示着它存在的价值。

氟的基本物理性质

分类 非金属、卤族元素
原子序号原子量 (18.99840)
电子配置 2s22p5
密度 1.696kg/m
融点 –219.66℃
沸点 –188.12℃
硬度
形状 淡黄色・气体
存在度 地球 47万4000ppm、宇宙2.38✕107
发现者 卡尔·威廉·舍勒(1774年)
主要的同位素 19F
用途例 氟树脂(聚四氟乙烯),洁齿剂(NAF),制冷剂(氟里昂),药品(有机氟化合物)
前后的元素 氧ー氟ー氖

 

自然界的氟元素与氟气的制备

氟气是一种非常活泼的有毒气体,其极易与各种化学物质反应形成稳定的化合物,所以自然界中不存在氟单质。萤石(氟化钙CaF2)和冰晶石(NaAlF3)这两种矿物是氟元素在自然界的主要存在形式。1774年瑞典化学家舍勒在研究硫酸与萤石的反应时发现HF,并于1789年提出它的酸根与盐酸酸根性质相似的猜想。而后法国化学家盖·吕萨克等继续进行提纯氢氟酸的研究。但是由于氟化物非常稳定,所以氟单质一直没有被制备出来。

萤石

冰晶石

 

1886年法国化学家莫瓦桑采用液态氟化氢作电解质,在其中加入氟氢化钾(KHF₂)增强其导电性,他用铂制的U形管盛装电解液,以铂铱合金作为电极材料,并用萤石制作管口旋塞,在接合处用虫胶封固,电降槽(铂制U形管)以氯乙烷(C₂H₅Cl)作冷凝剂。在实验进行时,电解槽温度保持在-23℃。电解开始后,阳极放出了黄绿色气体,他把气流通过硅时燃起耀眼的火光,氟气被成功分离,这证实了氟元素的存在。

莫瓦桑发现氟的成就使他获得了卡柴奖金(Prix la Caze),1896年获得英国皇家科学会的戴维奖章; 1903年德国化学会赠与他霍夫曼奖章; 1906年获诺贝尔化学奖。由于他长期接触一氧化碳及含氟的剧毒气体,健康状况较常人先衰,1907年2月20日便与世长辞,年仅54岁。

 

约瑟夫·亨利·莫瓦桑

1852-1907年。法国化学家。巴黎大学教授。莫瓦桑一生硕果累累,他曾发明了以他的名字命名的电炉——莫氏电炉,这种电炉可以简单而迅速地熔炼各种金属。他自己用它制出了铀、钨、钒、铬、钛、铝等十几种金属。他因发现氟元素的卓越贡献被授予1906年诺贝尔化学奖。

 

氟预防龋齿

一些无毒的氟化物常用于作为牙膏的添加剂,用以预防龋齿,这些可溶的氟化物可以与牙齿的主要成分羟基磷酸钙反应生成氟磷酸钙,由于氟原子相对于羟基与磷酸钙的晶格更匹配,所以氟磷酸钙更加坚硬,溶解度也更小,这层形成在牙齿表面的氟磷酸钙使得细菌分泌的有机酸不容易腐蚀牙齿形成牙菌斑,因为被认为可以用来预防龋齿。

很多日常的食品中都含有氟,特别是海产品,人体所需的氟主要来自饮用水。但是如果每日摄入量4mg以上就会造成氟中毒,损害健康。

富含氟的食物

厨房神器特氟龙

特氟龙是由杜邦公司发明的一种氟树脂,它的学名是聚四氟乙烯,是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物,其结构简式为 -[-CF2-CF2-]n- 。这种材料具有非常优良的物理化学性质,它能抵抗大多数的化学物质,具有超强的抗腐蚀能力,而且具有很强的抗老化能力,能在高温和低温下使用。这些优异的性质使得聚四氟乙烯广泛应用于不粘锅涂层等众多的应用领域,发挥着非常重要的作用。

氟利昂

氟利昂是杜邦公司发明的一种制冷剂,曾在全球广泛使用,它指的是饱和烃的氟氯代物,通常常温下都是无色气体或易挥发液体,无味或略有气味,无毒或低毒,化学性质稳定。

氟利昂在大气中的平均寿命达数百年,所以排放的大部分仍留在大气层中,其中很大一部分会停留在对流层,一小部分升入平流层。在对流层的氟利昂分子很稳定,几乎不发生化学反应。但是,当它们上升到平流层后,在强烈紫外线的作用下,氟利昂会被分解,含氯的氟利昂分子会离解出氯原子(称为“自由基”),然后同臭氧发生连锁反应(氯原子与臭氧分子反应,生成氧气分子和一氧化氯基;一氧化氯极不稳定,很快又变回氯原子,氯原子又与臭氧反应生成氧气和一氧化氯基……)。如此周而复始,结果一个氯氟利昂分子就能破坏多达10万个臭氧分子。即一千克氟利昂可以捕捉消灭约七万千克臭氧。这会导致巨大的臭氧空洞,使得到达地球表面的紫外线增强,威胁人类健康。

由于氟利昂的巨大危害,1987年9月联合国通过了“蒙特利尔协定”,要求禁止使用氟利昂制冷剂。

南极臭氧空洞

除此之外,氟元素还有很多不同的用途,很多的药物分子中都含有氟元素。另外利用238UF6235UF6扩散速率的不同,我们还可以分离出铀的同位素。氟元素是一种应用特别广泛的元素。

 

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Peng Li

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