フッ素：歴史、特性、構造、入手、リスク、用途 - 化学

フッ素は、シンボルFとハロゲン属する17点のリード基を有する化学元素です。最も反応性が高く電気陰性であるという点で、周期表の他の元素よりも優れています。ほとんどすべての原子と反応するため、無数の塩と有機フッ素化合物を形成します。

通常の状態では、黄緑色のガスと混同される可能性のある淡黄色のガスです。下の画像に示すように、液体状態では黄色が少し濃くなり、氷点で凝固すると完全に消えます。

試験管内の液体フッ素。出典：Fulvio314

その反応性は、そのガスの揮発性の性質にもかかわらず、地球の地殻に閉じ込められたままであることです。特にバイオレットの結晶で知られる蛍石の形で。また、その反応性により、潜在的に危険な物質になります。触れるものすべてに激しく反応し、炎に燃えます。

ただし、その副産物の多くは、用途によっては無害で有益な場合さえあります。たとえば、イオンまたはミネラルの形態で添加されるフッ化物の最も一般的な使用法（フッ化物塩など）は、歯のエナメル質の保護に役立つフッ化物練り歯磨きの調製です。

フッ素は、他の多くの元素の高い数や酸化状態を安定させることができるという特徴があります。フッ素原子の数が多いほど、化合物の反応性が高くなります（ポリマーでない場合）。同様に、分子マトリックスへの影響も大きくなります。良くも悪くも。

歴史

蛍石の使用

1530年に、ドイツの鉱物学者Georgius Agricolaは、鉱物蛍石が金属の精製に使用できることを発見しました。蛍石は、蛍石、フッ化カルシウム（CaF ₂）からなるフッ素鉱物の別名です。

それまでフッ素元素は発見されていなかったため、蛍石の「フルオワール」はラテン語の「流れる」を意味する「フルアー」に由来しています。なぜなら、これはまさに蛍石や蛍石が金属に対して行ったことでした。それは彼らがサンプルを離れるのを助けました。

フッ酸の調製

1764年、Andreas Sigismud Margraffはフッ化水素酸の調製に成功し、蛍石を硫酸で加熱しました。ガラスレトルトは酸の作用で溶けたため、ガラスを金属に置き換えました。

それはまた、1771年のカールシェーレ、同じ方法で酸を調製した後、マーグラフが原因であるとされています。1809年、フランスの科学者Andre-Marie Ampereは、フッ化水素酸またはフッ化水素酸は、水素と塩素に類似した新しい元素で構成される化合物であると提案しました。

科学者たちはフッ化水素酸を長期間使用してフッ化物を分離しようとしました。しかし、その危険性はこの意味での進歩を困難にしました。

ハンフリーデービー、ジョセフルイスゲイルサック、ジャックテナールは、フッ化水素（水を含まず、ガス状のフッ化水素酸）を吸入したときに激しい痛みを感じました。科学者のPaulin LouyetとJerome Nicklesは、同様の状況下で中毒で死亡しました。

エドモンド・フレミー、フランスの研究者は、フッ化水素カリウム（KHF酸性化することにより、フッ化水素の毒性を回避するために、乾燥フッ酸を作成しようとした₂）が、電解時の電流のいかなる導通はなかったです。

隔離

1860年、イギリスの化学者ジョージゴアは、乾燥フッ化水素酸の電気分解を試み、少量のフッ素ガスを分離することに成功しました。しかし、水素とフッ素が激しく再結合したため、爆発が起こりました。ゴアは爆発が酸素漏れに起因するとしました。

1886年、フランスの化学者アンリモワソンが初めてフッ素を分離することに成功しました。以前は、要素を分離しようとしたときにフッ化水素中毒によってMoissonの作業が4回中断されました。

モワソンはフレミーの学生であり、フッ素を分離するために彼の実験に依存していました。Moissonは、電解にフッ化カリウムとフッ化水素酸の混合物を使用しました。得られた溶液は、アノードで収集された電気およびフッ素ガスを伝導しました。つまり、正に帯電した電極です。

Moissonは、電極がプラチナとイリジウムの合金で作られた耐食性の機器を使用しました。電気分解では、彼はプラチナ容器を使用し、電解液を-23ºF（-31ºC）の温度に冷却しました。

最後に、1886年6月26日、アンリモイスソンはフッ素の分離に成功しました。これにより、1906年にノーベル賞を受賞することができました。

フッ化物への関心

フッ化物研究への関心は一時的に失われた。しかし、原爆製造のためのマンハッタン計画の開発は、再びそれを後押ししました。

アメリカの会社デュポンは、1930年から1940年の間に、冷媒として使用されるクロロフルオロカーボン（Freon-12）などのフッ素化製品を開発しました。テフロンという名前でよく知られているポリテトラフルオロエチレンプラスチック。これにより、フッ素の生産と消費が増加しました。

1986年に、フッ素の分離から約1世紀後の会議で、アメリカの化学者Karl O. Christeは、K ₂ MnF ₆とSbF _5の間の反応によるフッ素の調製のための化学的方法を発表しました。

物理的及び化学的性質

外観

フッ素は淡黄色のガスです。液体状態では明るい黄色です。一方、ソリッドは不透明（アルファ）または透明（ベータ）にすることができます。

原子番号（Z）

9。

原子量

18,998 u

融点

-219.67°C

沸点

-188.11°C

密度

室温で：1.696 g /L。

融点（液体）：1.505 g / mL。

気化熱

6.51 kJ / mol。

モルカロリー容量

31 J /（mol K）。

蒸気圧

58 Kの温度では、蒸気圧は986.92 atmです。

熱伝導率

0.0277 W /（m K）

磁気秩序

反磁性

におい

特徴的な刺激性および刺激性の臭い、20 ppbでも検出可能。

酸化数

-1、これはフッ素アニオン、Fに対応^-。

イオン化エネルギー

-最初：1,681 kJ / mol

-2番目：3,374 kJ / mol

-3番目：6.147 KJ / mol

電気陰性

ポーリングスケールで3.98。

これは、電気陰性度が最も高い化学元素です。つまり、それが結合している原子の電子に対して高い親和性を持っています。このため、フッ素原子は分子の特定の領域で大きな双極子モーメントを生成します。

その電気陰性度には別の効果もあります。それに結合している原子は電子密度が非常に低いため、正の電荷を獲得し始めます。これは、正の酸化数です。化合物に含まれるフッ素原子が多いほど、中央の原子の酸化数は正になります。

例えば、OFに₂酸素+2（Oの酸化数有する²⁺ F ₂^-）。UFに₆、ウランは+6の酸化数（U有する⁶⁺ F ₆^- ;）同じことが、SF中の硫黄で発生₆（S ^{6 +} F ₆^-）。そして最後にAgF ₂があり、銀は+2の酸化数でさえあります。

したがって、これらの元素は、フッ素と化合物を形成するときに、最も正の酸化数で処理されます。

酸化剤

フッ素は最も強力な酸化元素であるため、酸化できる物質はありません。このため、本来無料ではありません。

反応性

フッ素は、ヘリウム、ネオン、アルゴン以外のすべての元素と組み合わせることができます。また、常温では軟鋼や銅を侵しません。ゴム、木、布などの有機物と激しく反応します。

フッ素は希ガスのキセノンと反応して、強力な酸化剤である二フッ化キセノンXeF _{2を形成し}ます。また、水素と反応してハロゲン化物、フッ化水素、HFを形成します。次に、フッ化水素が水に溶解して、有名なフッ化水素酸（ガラスとして）を生成します。

酸性酸の酸性度は、昇順で分類されています。

HF <HCl <HBr <HI

硝酸はフッ素と反応して、硝酸フッ素FNO ₃を形成します。一方、塩酸はフッ素と激しく反応して、HF、OF ₂、ClF _{3を生成し}ます。

構造と電子構成

二原子分子

空間充填モデルで表現されたフッ素分子。出典：ガブリエルボリバル

基底状態のフッ素原子には7つの価電子があり、電子構成によれば2sおよび2p軌道にあります。

2s ² 2p ⁵

原子価結合理論（TEV）は、2つのフッ素原子Fがそれぞれの原子価オクテットを完成させるために共有結合していると述べています。

ネオン希ガスと等電子になるのに必要な電子は1つだけなので、これはすぐに起こります。そしてその原子は非常に小さく、非常に強力な有効核電荷があり、環境から電子を容易に要求します。

分子F ₂（上の画像）には、共有結合FFが1つあります。遊離F原子と比較してその安定性にもかかわらず、非常に反応性の高い分子です。同核、無極性、そして電子に熱心です。そのため、F _2のようなフッ素は非常に有毒で危険な種です。

F ₂は無極性であるため、その相互作用はその分子量とロンドンの散乱力に依存します。ある時点で、両方のF原子の周りの電子雲が変形し、隣接する分子に別の分子を誘導する瞬間的な双極子を生じさせる必要があります。彼らがゆっくりと弱くお互いを引き付けるように。

液体と固体

F ₂分子は非常に小さく、空間内で比較的速く拡散します。気相では、淡い黄色（ライムグリーンと混同される可能性があります）を示します。温度が-188°Cに下がると、分散力がより効果的になり、F ₂分子が合体して液体を形成します。

液体のフッ素（最初の画像）は、それぞれのガスよりも黄色に見えます。その中で、F ₂分子はより近く、より多くの程度で光と相互作用します。興味深いことに、ひずんだ立方晶フッ素結晶が-220°Cで形成されると、色が薄くなり、透明な固体として残ります。

F ₂分子が非常に接近しているため（ただし、分子の回転は停止していません）、電子がある程度安定しているため、電子のジャンプが大きすぎて、光が結晶と相互作用することすらできません。

結晶相

この立方晶はβ相に対応します（同じF _2のままであるため、同素体ではありません）。さらに温度が-228℃まで下がると、固体のフッ素が相転移します。立方晶は単斜晶、α相になります：

フッ素のアルファ相の結晶構造。出典：Benjah-bmm27。

β-Fとは異なり₂、α-F _2は不透明とハードです。おそらくそれは、F ₂分子が単斜晶系の固定位置で回転する自由度をもはや持たないためです。彼らは光とより大きな程度で相互作用しますが、それらの電子を励起することなく（表面的には不透明度を説明します）。

α-Fの結晶構造₂。従来のX線回折法により研究することが困難であったβからα相への移行は非常に発熱性であるからです結晶が実質的に爆発したと同時に、放射線とほとんど相互作用しなかった理由。

ドイツの科学者（フロリアン・クラウスらは）完全にα-Fの構造を解読する前にそれは50年かかりました_2をより高い精度での中性子回折技術のおかげで。

見つけて入手する場所

フッ素は、宇宙で最も一般的な元素の24位です。ただし、地球の質量は13 ^voの元素であり、地殻の濃度は950 ppm、海水中の濃度は1.3 ppmです。

土壌のフッ化物濃度は150〜400 ppmで、一部の土壌では濃度が1,000 ppmに達することがあります。大気中には0.6 ppbの濃度で存在します。ただし、一部の都市では最大50 ppbが記録されています。

フッ素は主に3つの鉱物から得られます：蛍石または蛍石（CaF ₂）、フルオロアパタイトおよび氷晶石（Na ₃ AlF ₆）。

蛍石処理

蛍石鉱物で岩石を集めた後、一次破砕と二次破砕を行います。二次破砕により、非常に小さな岩片が得られます。

次に、岩の破片はボールミルに運ばれ、粉末にされます。水と試薬を加えてペーストを形成し、これを浮選タンクに入れます。加圧下で空気を注入して気泡を形成するため、蛍石は水面に浮いてしまう。

蛍石が収集されて乾燥オーブンに運ばれる間に、ケイ酸塩と炭酸塩が沈殿します。

蛍石が得られると、それは硫酸と反応してフッ化水素を生成します：

CaF ₂ + H ₂ SO ₄ => 2 HF + CaSO ₄

フッ化水素の電気分解

フッ素の製造では、モイスソンが1886年に使用した方法にいくつかの変更を加えた方法に従います。

電気分解は、溶融フッ化カリウムとフッ化水素酸の混合物からなり、モル比は1：2.0〜1：2.2です。溶融塩の温度は70〜130℃です。

陰極はモネル合金または鋼で構成され、陽極はグラファイトカーボンです。電気分解中のフッ素生成プロセスの概要は次のとおりです。

2HF => H ₂ + F ₂

電気分解チャンバーを冷却するために水が使用されますが、凝固を防ぐために、温度は電解質の融点より上でなければなりません。電気分解で生成された水素は陰極で収集され、フッ素は陽極で収集されます。

同位体

フッ素には18の同位体があり、100％の存在量の¹⁹ Fが唯一の安定同位体です。¹⁸ Fは109.77分の半減期を持っており、長い半減とフッ素の放射性同位体である - 人生。¹⁸ Fは、陽電子の供給源として使用されます。

生物学的役割

哺乳類または高等植物におけるフッ素の代謝活性は知られていない。ただし、一部の植物や海綿は、有毒化合物であるモノフルオロ酢酸を合成し、その破壊を防ぐための保護剤として使用します。

リスク

フッ化物の過剰摂取は、腎機能の変化だけでなく、成人の骨フッ素症および子供の歯のフッ素症とも関連しています。このため、米国公衆衛生局（PHS）は、飲料水中のフッ化物の濃度は0.7 mg / Lを超えないようにすることを提案しました。

一方、米国環境保護庁（EPA）は、フッ化物が骨に蓄積する骨格のフッ素症を避けるために、飲料水中のフッ化物の濃度を4mg / L以下にする必要があることを確立しました。これは骨の衰弱と骨折につながる可能性があります。

フッ化物は副甲状腺の損傷と関連しており、骨構造のカルシウムが減少し、血漿のカルシウム濃度が高くなります。

過剰なフッ化物に起因する変化には、歯科フッ素症、骨格フッ素症、および副甲状腺の損傷があります。

歯のフッ素症

歯のフッ素症は、歯のエナメル質に小さな筋や斑点が見られる場合に発生します。6歳未満の子供は、フッ化物を含むうがい薬を使用しないでください。

骨格フッ素症

骨フッ素症では、骨だけでなく関節の痛みや損傷を診断できます。骨は硬化して弾力性を失い、骨折のリスクが高まります。

用途

歯磨き粉

フッ化物のいくつかの無機塩は、練り歯磨きの配合における添加物として使用され、歯のエナメル質を保護するのに役立つことが示されています。出典：Pxhere。

フッ化物の使用に関するセクションから始めます。最もよく知られているのは、多くの練り歯磨きの成分としての使用です。これは、間のコントラストのみを使用しないで非常に有毒かつ危険な分子F ₂及びFアニオンが^-理解することができる（時々はないが）、その環境に依存して有益であることができます。

食べ物、特にお菓子を食べるとき、細菌は唾液の酸性度を高めることによってそれを分解します。次に、pHが歯のエナメル質を分解および脱灰するのに十分なほど酸性になるポイントがあります。ヒドロキシアパタイトが分解します。

しかし、この方法でF ^-イオン相互作用のCaと²⁺フルオロアパタイトマトリックスを形成します。ヒドロキシアパタイトよりも安定していて耐久性があります。または、少なくとも、これは歯に対するフッ化物アニオンの作用を説明するために提案されたメカニズムです。より複雑で、pH依存性のヒドロキシアパタイトとフルオロアパタイトのバランスが取れている可能性があります。

これらのF ^-アニオンは塩の形態で歯科歯に入手可能です。例：NaF、SnF ₂（有名なフッ化第一スズ）、NaPOF。しかしながら、Fの濃度は^-それ以外の場合は、身体に悪影響を生じさせるように、低い（0.2％未満）でなければなりません。

水のフッ化物処理

練り歯磨きと同じように、フッ化物塩は飲料水源に加えられ、それを飲む人の虫歯に対抗します。濃度はまだずっと低いはずです（0.7 ppm）。しかし、発がん性の可能性があるとされているため、この習慣はしばしば不信感と論争の対象となっています。

酸化剤

F ₂ガスは非常に強力な酸化剤として機能します。これにより、多くの化合物が酸素と熱源にさらされたときよりも速く燃焼します。それがオゾンを置き換えることさえできるロケット燃料混合物で使用された理由です。

ポリマー

多くの用途では、フッ素の寄与は、Fによるものではない₂またはF ^-が、直接、有機化合物の一部としてのそれらの電気陰性原子を含みます。本質的には、CFリンクについて話している。

構造によっては、CF結合を備えたポリマーまたはファイバーは通常疎水性であるため、フッ酸の浸潤や攻撃に抵抗しません。さらに良いことに、それらは優れた電気絶縁体であり、パイプやガスケットなどのオブジェクトを作成するための有用な材料になる可能性があります。テフロンとナフィオンは、これらのフッ素化ポリマーの例です。

薬剤師

フッ素の反応性は、複数の無機または有機フッ素化合物の合成への使用を疑わしくしています。有機物、特に薬理効果のある有機物では、ヘテロ原子の1つをF原子に置き換えると、生物学的標的に対する作用が（プラスまたはマイナスに）増加します。

そのため、製薬業界では、フッ素原子を追加することにより、一部の薬物の修飾が常に検討されています。

除草剤や殺菌剤でも非常によく似ています。それらのフッ化物は、昆虫および真菌害虫に対するそれらの作用および有効性を高めることができます。

ガラス彫刻

フッ化水素酸は、ガラスやセラミックに対する攻撃性が高いため、これらの材料の薄くて繊細な部分を彫刻するために使用されてきました。通常、コンピューターのマイクロコンポーネントの製造、または電球用です。

ウラン濃縮

元素状フッ素の最も関連性の高い用途の1つは、ウランを²³⁵ U として濃縮することです。このために、ウラン鉱物はフッ化水素酸に溶解され、UF _4を生成します。次に、この無機フッ化物はF ₂と反応して、UF ₆（²³⁵ UF ₆および²³⁸ UF ₆）に変化します。

続いて、ガス遠心分離により、²³⁵ UF ₆は²³⁸ UF ₆から分離され、後で酸化されて核燃料として貯蔵されます。

参考文献

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