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9F
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外觀
氣態:淡黃色
液體:亮黃色
固態:透明(β),不透明 (α)
Small sample of pale yellow liquid fluorine condensed in liquid nitrogen
低溫中的液態氟
概況
名稱·符號·序數 氟(fluorine)·F·9
元素類別 鹵素
·週期· 17·2·p
標準原子質量 18.9984032(5)[1]
電子排布

[氦] 2s2 2p5[2]
2, 7

氟的电子層(2, 7)
歷史
發現 安德烈-瑪麗·安培(1810年)
分離 亨利·莫瓦桑[2](June 26, 1886年)
命名 漢弗里·戴維
物理性質
物態 氣態
密度 (0 °C, 101.325 kPa
1.696[3] g/L
沸點時液體密度 1.505[4] g·cm−3
熔點 53.53 K,−219.62 °C,−363.32[5] °F
沸點 85.03 K,−188.12 °C,−306.62[5] °F
臨界點 144.4 K,5.215[4] MPa
汽化熱 6.51[3] kJ·mol−1
比熱容 (Cp) (21.1 °C) 825[4] J·mol−1·K−1
(Cv) (21.1 °C) 610[4] J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫(K) 38 44 50 58 69 85
原子性質
氧化態 −1
電負性 3.98[2](鲍林标度)
電離能

第一:1,681[6] kJ·mol−1
第二:3,374[6] kJ·mol−1
第三:6,147[6] kJ·mol−1

更多
共價半徑 64[7] pm
范德華半徑 135[8] pm
雜項
晶體結構

簡單立方

氟具有簡單立方晶體結構

此處的結構是指1大氣壓、熔點以下的固體氟。[9]
磁序 抗磁性[10]
熱導率 0.02591[11] W·m−1·K−1
CAS號 [2] 7782-41-4[2]
最穩定同位素

主条目:氟的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
18F 微量 109.77分 β+ (96.9%) 0.634 18O
ε (3.1%) 1.656 18O
19F 100% 穩定,带10个中子
參考文獻[12]


是一种卤族化学元素,它的化学符号F,它的原子序数是9。

名稱由來[编辑]

最初安德烈-玛丽·安培將之命名為Fluorine,該詞来自拉丁文fluere(意为流动),也就是氟化钙(萤石)的最初用途——降低熔点;之後安培改稱為phthorine(Φθόριο,破壞的),該詞来自希臘文;但是絕大部分語言多半已固定使用修改自Fluorine的名詞,因此此一新名稱只有希臘至今仍在使用。

日文音譯德文Fluor的第一個發音而稱之為「弗素」。

19世紀70年代化學家徐壽將H、O、N、F、Cl譯為輕氣、養氣、淡氣、弗氣、綠氣,直至1933年,化學家鄭貞文在其主持編寫出版的《化學命名原則》一書中改成氫、氧、氮、氟、氯,一直沿用至今。[13]

性质[编辑]

氟是一种具有极强腐蚀性的淡黄色双原子气体[14]。氟气的气味不同氯气,没有氯气的臭味,而是极其辛辣刺激,好比鼻子上涂了风凉油后吸一大口浓氨水的感觉。于是自然界电负性最强的元素(3.98鲍林标度),也是最强的单质氧化剂。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。由于氟的电负性是所有元素中最强的(鲍林标度),因此在所有的化合物中,氟都獲得电子,即显-1氧化态,或者说化合价是-1。在少量氟气通过冰面时反应生成不稳定的氟氧酸(HOF),其中的F仍为-1氧化态(氧为0价,氢为+1还原态)。

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XeF2XeF6XeO3以及的氟化物等。此外,氟单质也用于获得一些高价的过渡金属化合物,比如Cs2CuF6AuF5UF6等。

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%氧化镁甘油悬浮液。而FSO3HSbF5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。参见超强酸

一般单质氟气以特制铜镍合金钢瓶贮存。在有机化学中使用氟气可以直接氟化羰基羟基官能团,其中使用的是掺有5%或10%氟的干燥氮气。

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。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。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(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。[15]

长链的简单全氟代有机物一般从长的直链单羧酸出发制备,通过电解它们和氟氢化钾的混合物,使链上的氢原子全部被氟原子取代,(如:全氟辛酸)再进一步合成其他化合物。

发现和单质制备[编辑]

因为氟的化合物很稳定,所以氟单质很难分离。使用一般的化学方法,往往只能得到氟化氢。也正是这个原因,很多曾经尝试分离单质氟的化学家因此中毒,甚至献出生命。

元素氟最终是由法国化学家亨利·莫瓦桑在1886年6月26日用合金为阳极、金属铂为电解槽,电解氟化钾的20%无水氟化氢熔融液的方法首先分离出来的。此时距离元素氟的被发现已然近一百年,而亨利·莫瓦桑本人也因此获得1906年的诺贝尔化学奖

现在工业上仍然使用电解法制备单质氟。

实验室中用化学方法制备单质氟是1986年Karl Christe报导的。以HFKFSbCl5KMnO4为原料,首先分别制备出K2MnF6和SbF5,再以K2MnF6和SbF5为原料制备MnF4,MnF4不稳定,可分解放出F2

\rm 2KMnO_4 + 2KF + 10HF + 3H_2O_2 \longrightarrow 2K_2MnF_6 + 8H_2O + 3O_2
\rm SbCl_5 + 5HF \longrightarrow SbF_5 + 5HCl
\rm K_2MnF_6 + 2SbF_5 \longrightarrow 2KSbF_6 + MnF_4  (在423K)
\rm 2MnF_4 \longrightarrow 2MnF_3 + F_2

不过该方法并无工业价值,只是证实了纯化学方法制备单质氟的可行性。

用途[编辑]

氟的用途包括:

  • 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)。
  • 含氟农药。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,但若吞食過量,可能導致休克甚至死亡。
  • 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鈾-235鈾-238。和鈈-239一样,前者可以用于制造核弹。当一定形状的鈾-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。而鈾-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[编辑]

  1. ^ Wieser, Michael E.; Coplen, Tyler B. Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2010, 83: 359–396. doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 Aigueperse et al. 2005,"Fluorine", p. 1.
  3. ^ 3.0 3.1 Aigueperse et al. 2005,"Fluorine", p. 2.
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Compressed Gas Association. Handbook of compressed gases. Springer. 1999. 365. ISBN 9780412782305. 
  5. ^ 5.0 5.1 Dean 1999, p. 3.29.
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Dean 1999, p. 4.6.
  7. ^ Dean 1999, p. 4.35.
  8. ^ Kim, Sung-Hoon. Functional dyes. Elsevier. 2006. 257. ISBN 9780444521767. 
  9. ^ Young, David A.. Phase Diagrams of the Elements (Report). Springer. 2011-06-10: p. 10. 
  10. ^ Mackay,Mackay & Henderson 2002, p. 72.
  11. ^ Yaws & Braker 2001, p. 385.
  12. ^ Chiste, V.; Be, M. M. F-18. Table de radionucleides. Laboratoire National Henri Becquerel. 2006 [15 June 2011]. 
  13. ^ 劉懷樂. 化學鑑源與略考. 化學教育. 1994, (04) [2013-02-25]. 
  14. ^ Theodore Gray. Real visible fluorine. The Wooden Periodic Table. 
  15. ^ Bernhard Stump, Christian Eberle, W. Bernd Schweizer, Marcel Kaiser, Reto Brun, R. Luise Krauth-Siegel, Dieter Lentz, François Diederich. Pentafluorosulfanyl as a Novel Building Block for Enzyme Inhibitors: Trypanothione Reductase Inhibition and Antiprotozoal Activities of Diarylamines. ChemBioChem. 2009, 10 (1): 79. doi:10.1002/cbic.200800565. PMID 19058274.