Přeskočit na obsah

Fluor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Fluor
  [He] 2s2 2p5
19 F
9
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
↓ Periodická tabulka ↓
Tekutý fluor za kryogenních teplot

Tekutý fluor za kryogenních teplot

Obecné
Název, značka, číslo Fluor, F, 9
Cizojazyčné názvy lat. fluorum
Skupina, perioda, blok 17. skupina, 2. perioda, blok p
Chemická skupina Halogeny
Koncentrace v zemské kůře 270 až 625 ppm
Koncentrace v mořské vodě 1,3 mg/l
Vzhled plyn: velmi světle žlutý, kapalina: jasně žlutá, pevná: alpha je neprůhledný, beta je průhledný
Identifikace
Registrační číslo CAS
Atomové vlastnosti
Relativní atomová hmotnost 18,998403
Atomový poloměr 50 pm
Kovalentní poloměr 71 pm
Van der Waalsův poloměr 135 pm
Elektronová konfigurace [He] 2s2 2p5
Oxidační čísla −I, 0
Elektronegativita (Paulingova stupnice) 3,98
Ionizační energie
První 1 681,0 kJ/mol
Druhá 3 374,2 kJ/mol
Třetí 6 050,4 kJ/mol
Látkové vlastnosti
Krystalografická soustava Krychlová
Molární objem 11,20×10−6 m3/mol
Mechanické vlastnosti
Hustota 1,696 kg/m3
Skupenství Plynné
Tlak syté páry 100 Pa při 50 K
Rychlost zvuku 286 m/s
Termické vlastnosti
Tepelná vodivost 27,7 W⋅m−1⋅K−1
Termodynamické vlastnosti
Teplota tání −218,62 °C (54,53 K)
Teplota varu −188,12 °C (85,03 K)
Skupenské teplo tání 0,510 kJ/mol
Skupenské teplo varu 6,54 kJ/mol
Měrná tepelná kapacita 813 Jkg−1K−1
Elektromagnetické vlastnosti
Standardní elektrodový potenciál 2,87 V
Magnetické chování Nemagnetický
Bezpečnost
GHS03 – oxidační látky
GHS03
GHS05 – korozivní a žíravé látky
GHS05
GHS06 – toxické látky
GHS06
[1]
Nebezpečí[1]
R-věty R8, R26, R35
S-věty S9, S26, S28, S36/37/39, S45
Izotopy
I V (%) S T1/2 Z E (MeV) P
17F umělý 64,49 s ε β+ 2,760 5 17O
18F umělý +1 109,77 min ε β+ 1,655 9 18O

IT 1,121 36 18O
19F 100% je stabilní s 10 neutrony
20F umělý 11,00 s β 7,025 20Ne
21F umělý 4,158 s β 5,684 21Ne
Není-li uvedeno jinak, jsou použity
jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa).
Kyslík F Neon

Cl

Fluor (chemická značka F, latinsky fluorum) je nekovový prvek, značně toxický, zelenožlutý plyn, chemicky mimořádně reaktivní. Vyznačuje se vysokou elektronegativitou. Je nejlehčím prvkem z řady halogenů. V historii se ho lidé pokoušeli velmi dlouho získat, ale kvůli jeho vysoké reaktivitě se to podařilo teprve roku 1886 Henrimu Moissanovi elektrolýzou chlazené směsi KHF2 v HF. Za výrobu fluoru získal Nobelovu cenu.

Fluor se na Zemi vyskytuje pouze ve sloučeninách a to v nevelkém množství. Nejvýznamnější minerály fluoru jsou kazivec CaF2 a fluorapatit Ca5(PO4)3F, které se používají k jeho výrobě. Fluor se vyrábí elektrolýzou roztoku KHF2 v HF. Kvůli extrémní reaktivitě a problémům s jeho skladováním se fluor spotřebovává ihned na místě výroby.

Ze sloučenin fluoru se nejvíce využívá kyselina fluorovodíková, jako základní průmyslová chemikálie, kryolit, který se používá na snížení teploty tání bauxitu při výrobě hliníku a fluorid uranový, který slouží k rozdělení izotopů uranu pro použití v jaderných elektrárnách. Fluor se dále využívá na výrobu teflonu a dalších syntetických organických polymerů. Fluor patří také k biogenním prvkům. Vyskytuje se v kostech a zubech.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti

[editovat | editovat zdroj]
Zjednodušená struktura atomu fluoru
Krystalická struktura β-fluoru.

Fluor je plyn v silné vrstvě zelenožlutý s dráždivým zápachem, který připomíná chlorovodík. Fluor je extrémně jedovatý a toxický plyn, který leptá dokonce i sklo. Kapalný fluor má banánově žlutou barvu. Disociační enthalpie molekuly fluoru je velmi nízká a blíží se disociační enthalpii molekuly jodu, což se vysvětluje malou pevností vazby v molekule fluoru (menší překryv vazebných orbitalů), což může být způsobeno větším odpuzováním atomů fluoru vlivem velkého odpuzování volných elektronových párů.

Ve svých sloučeninách má pouze oxidační číslo −1, velmi vzácně může mít fluor v některých komplexech oxidační číslo 0 a opravdu pouze formální oxidační číslo +1 má v kyselině fluorné, ve skutečnosti zde má oxidační číslo −1, jelikož má vyšší elektronegativitu než vodík i kyslík. Pro všechny halogeny obecně platí, že halogen s menším protonovým číslem (lehčí) je schopen vytěsnit halogen s větším protonovým číslem (těžší) z jeho halogenidu. Lehčí halogen přechází v halogenid a těžší halogen z halogenidu v halogen. Fluor vytváří převážně iontové sloučeniny s iontovou vazbou a pouze s některými sloučeninami vytváří kovalentní vazbu.

Fluor je extrémně reaktivní plyn, který se ochotně až explozivně slučuje již za studena s vodíkem, bromem, jodem, sírou, fosforem, arsenem, antimonem, borem, křemíkem a s mnoha kovy. Některé kovy reagují s fluorem za normálních teplot nebo při mírném zahřátí jen na povrchu a vzniklý povlak brání další reakci – pasivace. Při silnějším zahřívání reakce pokračuje do hloubky a některé kovy, jako zinek, cín nebo hliník, dokonce vzplanou. Za červeného žáru působí fluor dokonce i na zlato a platinu. Působením fluoru na vodu vzniká fluorovodík a kyslík, který obsahuje také malé množství ozonu, za jistých podmínek však působením fluoru na vodu vzniká fluorovodík a kyselina fluorná.

Kvůli své silné reaktivitě vytěsňuje fluor většinu anionů ze sloučenin a sám přechází v anion[zdroj?]sklo, které je chemickou podstatou oxidu křemičitého, reaguje s fluorem za vzniku fluoridu křemičitého a kyslíku. Jelikož je fluor extrémně reaktivní plyn, není jednoduché jej připravit ani dlouhodobě skladovat.

Historický vývoj

[editovat | editovat zdroj]

Nejstarší známá doložená sloučenina fluoru je kazivec (fluorit) CaF2, který popisuje Georgius Agricola roku 1529 jako tavidlo. Roku 1670 v Norimberku Heinrich Schwanhard zjistil, že působením silné kyseliny na kazivec se uvolňují kyselé páry, které leptají sklo – od této doby se fluorovodík využívá k uměleckému leptání skla. Roku 1678 popsal J. S. Elsholtz při zahřívání kazivce modrobílé světélkování a roku 1750 popisuje Johan Gottschalk Wallerius stejný jev – v roce 1852 George Gabriel Stokes navrhuje pro tento jev název fluorescence. Roku 1768 provedl Andreas Sigismund Marggraf první chemické pokusy s kazivcem. Roku 1802 našel D. P. Morichini fluoridy ve vápenatých fosíliích a v zubech a Jöns Jacob Berzelius v kostech. André-Marie Ampère navrhl 12. srpna 1812 název nového prvku, který je údajně součástí kazivce a kyseliny fluorovodíkové. Návrh byl le fluore (z latinského fleue – téci) a poslal jej Humphry Davymu, který ho roku 1813 přijal.

Příprava fluoru se velmi dlouhou dobu nedařila, protože ihned po přípravě plyn zreagoval s vodou nebo se stěnami nádob. Poprvé se fluor podařilo připravit až 26. května 1886 Henrimu Moissanovi, který ho připravil elektrolýzou chlazeného roztoku kyselého fluoridu draselného KHF2, rozpuštěného v bezvodém kapalném fluorovodíku v přístroji s platinovými a iridiovými elektrodami ve tvaru U, který byl těsně uzavřen zátkou z fluoridu vápenatého CaF2. Vzniklý plyn reagoval s křemíkem za vzniku plamene. Příprava se podařila po 74 neúspěšných letech. Henri Moissan získal za objev fluoru a vynález elektrické pece roku 1906 (dva měsíce před svou smrtí) Nobelovu cenu.

Roku 1900 vznikly první chemické manufaktury na výrobu kryolitu Na3[AlF6], který se používá jako tavidlo při výrobě hliníku. Roku 1928 Thomas Midgley, A. L. Henne a R. R. McNary připravili freon CCl2F2, který je nehořlavý a netoxický plyn, který se začal používat v chladírenském průmyslu. V letech 19281930 připravili Otto Ruff a R. Keim interhalogenidy fluoru (sloučeniny fluoru s jinými halogenidy) a roku 1962 byla připravena poslední interhalogenidní sloučenina W. Mayaou – ClF5. Roku 1938 připravil Roy J. Plunkett teflon. Roku 1971 byla poprvé připravena kyselina fluorná HOF ve vážitelném množství S. Rozenem.

Výskyt v přírodě

[editovat | editovat zdroj]

Fluor se v zemské kůře vyskytuje jako 13. nejrozšířenější prvek (na dvanáctém místě je mangan 1060 ppm a na čtrnáctém místě baryum 390 ppm). V zemské kůře je fluor přítomen v koncentraci 544 ppm (mg/kg). Voda oceánů obsahuje pouze přibližně 1 mg F/l, tento nízký obsah je způsoben tím, že většina fluoridů je ve vodě nerozpustná. Ani ve vesmíru není fluor příliš bohatě zastoupen. Předpokládá se, že na jeden atom fluoru připadá přes 30 milionů atomů vodíku.

Na Zemi je fluor přítomen pouze ve formě sloučenin, a to v nepříliš velkém množství. K jeho nejvýznamnějším minerálům patří fluorit (neboli kazivec) CaF2, kryolit Na3[AlF6] a fluoroapatit Ca5(PO4)3(F, Cl). Kryolit patří k vzácným minerálům, který se ve velkém množství vyskytuje pouze v Řecku. Malé množství fluoru se vyskytuje v topazu Al2SiO4(OH, F)2, sellaitu MgF2, villiaumitu NaF, bastnezitu (Ce, La)(CO3)F, carobbiit KF, frankdicksonit BaF2, griceit LiF, tveitit-(Y) Ca14Y5F43 a zavarickit BiOF.

Průmyslová výroba fluoru v Prestonu

Výroba plynného fluoru je technicky značně obtížná a vzhledem k reaktivitě volného fluoru i poměrně riziková. Vzhledem k vysoké elektronové afinitě fluoru lze jeho výrobu uskutečnit pouze elektrolyticky. První výroba fluoru se zdařila roku 1886 Henrimu Moissanovi, který ho připravil elektrolýzou chlazeného roztoku hydrofluoridu draselného KHF2, rozpuštěného v bezvodém kapalném fluorovodíku v přístroji s platinovými a iridiovými elektrodami ve tvaru U, který byl těsně uzavřen zátkou z fluoridu vápenatého CaF2.

Roku 1919 vypracoval Argo[2] nový způsob výroby fluoru. Základem procesu je elektrolýza taveniny hydrofluoridu draselného KHF2 při 240 °C – 250 °C v elektricky vyhřívané měděné nádobě, která je zároveň katodou. Anoda je grafitová tyč obklopená diafragmou, která zabraňuje přístupu vodíku k anodě. Roku 1928 se při výrobě začal používat dihydrofluorid draselný KH2F3 namísto hydrofluoridu draselného, čímž se snížila teplota taveniny, a měděná nádoba byla nahrazena hořčíkovou nebo z Monelova kovu. Roku 1936 zavedl L. A. Bigelow pro výrobu velmi čistého fluoru výrobu z hydrofluoridu draselného KHF2 při 250 °C v dobře utěsněné niklové nádobě za použití grafitových elektrod.

Dnes se výroba fluoru provádí ve dvou typech elektrolyzérů. V prvním se elektrolýza provádí při teplotě 72 °C a elektrolyzuje se dihydrofluorid draselný KH2F3 a v druhém se elektrolýza provádí při 240 °C a elektrolyzuje se hydrofluorid draselný. V obou typech se používají negrafitizovatelné kompaktní tyče z uhlíku, které tvoří anody, a oba typy mají plášť z měkké oceli, která je zároveň katodou. První typ má několik výhod – uvnitř komor je nižší tlak plynného fluorovodíku, který se při vyšší teplotě uvolňuje, elektrolyzér má sníženou možnost koroze a anody mají delší životnost. Plyny vycházející z elektrolyzéru se oddělují krátkou přepážkou nebo diafragmou. Laboratorní elektrolyzéry pracují proudu při 10–50 A a průmyslové elektrolyzéry při proudu 4 000–6 000 A a napětí 8–12 V. V praxi se používají elektrolyzéry o rozměrech 3*0,8*0,6 m, které obsahují až 1 t elektrolytu. Za 1 h provozu se vyrobí 3–4 kg fluoru a ve velkém průmyslovém podniku se vyrobí až 9 tun kapalného fluoru za den.

Celková roční produkce fluoru je v USA a Kanadě přibližně 5 000 tun, ve Velké Británii se vyrobí ročně o něco méně fluoru a v České republice se fluor průmyslově nevyrábí, ale výrobny na menší množství existují. Obtížná není jen výroba fluoru, ale také následné uchování vyrobeného fluoru. Obvykle se používají kovové tlakové nádoby pokryté vrstvou teflonu, do kterých se vejde objem 2,27 tun kapalného fluoru. Často se však výroba koncipuje tak, aby byl vyrobený fluor co nejrychleji spotřebován přímo na místě výroby, např. při následné organické syntéze.

Elementární fluor se používá jako surovina v chemickém průmyslu. V 50. letech 20. století se uvažovalo o využití kapalného fluoru nebo jeho směsi s kapalným kyslíkem jako okysličovadla v kapalinových raketových motorech vzhledem k vyššímu dosahovanému specifickému impulsu. Problémy s výrobou a skladováním, spolu s jeho nebezpečím pro obsluhu, vedly k tomu, že tato myšlenka byla brzy opuštěna. Přesto v tehdejším SSSR byly postaveny a vyzkoušeny prototypy motorů pracujících s touto pohonnou látkou. V dnešní době se pro raketové motory velmi intenzivně studují sloučeniny fluoru s kyslíkem a dusíkem.

Fluor se dříve využíval k přípravě těžko dostupných fluoridů a dnes se využívá jako velmi účinné oxidační činidlo. Většího praktického uplatnění než čistý fluor dosahují jeho sloučeniny:

Anorganické sloučeniny fluoru

[editovat | editovat zdroj]

Organické sloučeniny fluoru

[editovat | editovat zdroj]
Výrobky z teflonu
Tkaniny s fluorem bývají obvykle hydrofobní

Uhlovodíky, v nichž jsou atomy vodíku kompletně nahrazeny atomy halogenů, se vyznačují mimořádnou chemickou stabilitou a nejsou prakticky vůbec toxické. Výroba organických sloučenin fluoru se velmi rychle započala rozvíjet na začátku 20. století.

  • První významný úspěch při výrobě sloučenin fluoru byl objev inertních fluorovaných olejů, mazacích tuků a polymerů, které jsou velmi odolné, nehořlavé, netoxické – tedy zcela inertní. Jejich použití je velmi všestranné. Oleje a tuky slouží k mazání namáhaných součástek a ložisek a oleje s vysokými měrnými tepelnými kapacitami se používají zároveň také jako chladicí kapaliny.
  • Polymer, známý pod obchodním názvem teflon (chemicky polytetrafluorethylen [CF2-CF2]n), je mimořádně chemicky a tepelně odolný. Má velmi mnohostranné využití od pokrývání povrchu kuchyňského nádobí po výrobu odolných chemických aparatur pro práci s agresivními médii, nádob pro uchovávání silných kyselin a reaktivních organických sloučenin. Dobrých elektrických izolačních vlastností a tepelné odolnosti teflonu využívá elektrotechnický průmysl. Z teflonu se vyrábějí velmi odolná těsnění pro průmyslové účely i využití v domácnostech.
  • Freony, jsou organické sloučeniny, které vždy obsahují nejméně 2 atomy fluoru a dva další atomy jiného halogenu (nejčastěji chloru) – nejznámější je dichlordifluormethan CCl2F2. Tyto halogenouhlovodíky dosáhly v posledních několika desetiletích masového uplatnění především v těchto oborech:
    • Chladírenská technika, kde nahradily dříve používaný toxický amoniak nebo oxid siřičitý. Dodnes jsou freony chladicím médiem desítek milionů chladniček i automobilových a bytových klimatizačních jednotek po celém světě.
    • Výroba pěnových hmot (pěnový polystyren, pěnový polyurethan apod.), kde se využívaly jako pěnicí činidlo.
    • Hnací náplň do sprejů, především pro svoji zdravotní nezávadnost a nehořlavost.
    • Dnes se však z ekologických důvodů produkce freonů celosvětově snižuje, protože se podílí na vzniku ozonové díry.

Sloučeniny fluoru

[editovat | editovat zdroj]

Jelikož je fluor schopen tvořit své sloučeniny pouze v jediném oxidačním čísle F−I, je počet jeho anorganických sloučenin velmi omezen (jediné kladné oxidační číslo má fluor v kyselině fluorné, ale zde jde pouze o formální význam tohoto oxidačního čísla). V komplexních sloučeninách vystupuje fluor velmi často jako ligand, avšak jeho komplexy nejsou většinou nijak stabilní. Naproti tomu je fluor schopen tvořit velmi mnoho organických sloučenin.

Anorganické sloučeniny

[editovat | editovat zdroj]

Fluor nevytváří mnoho anorganických sloučenin. Největší počet jeho sloučenin reprezentují fluoridy, ve kterých dosahují atomy kovů svých maximálních oxidačních čísel (fluoridy jsou popsány u jednotlivých prvků s nimiž fluor tvoří sloučeniny). Zvláštní skupinou fluoridů jsou interhalogenidové sloučeniny, což jsou sloučeniny halogenu s halogeny. Jelikož má fluor nejvyšší hodnotu elektronegativity vytváří také několik sloučenin s kyslíkem. Poslední ze sloučenin fluoru, avšak průmyslově nejdůležitější, jsou jeho dvě kyseliny – kyselina fluorovodíková HF a kyselina fluorná HOF.

Organické sloučeniny

[editovat | editovat zdroj]

Organické sloučeniny fluoru se v přírodě téměř nevyskytují a jsou výsledkem chemické syntézy. Mezi nejznámější patří:

Biologický význam

[editovat | editovat zdroj]
Aplikace fluoridu v Panamě

Přestože fluor není klasickým biogenním prvkem, je známo, že jeho příjem je žádoucí především pro vývoj zdravých zubů a jejich ochranu před zubním kazem.[5] Vznik fluorhydroxyapatitu (pentahydrát) vytváří pro agresivní prostředí dutiny prostředek, jak zabránit útoku organických kyselin na sklovinu (hydroxyapatit je po dekarboxylaci disociován s fluorem). Rozpustnost této sloučeniny je 1000krát nižší. Dále stimuluje fyziologické pochody (tvorba organických sloučenin v játrech a ledvinách, zprostředkuje vazbu fosforečnanu vápenatého ve tkáních).

Některé zubní pasty proto mají záměrně zvýšený obsah sloučenin fluoru (fluorid sodný, fluorid cínatý, fluorofosforečnan sodný[6]). Kromě toho se v některých zemích světa, zejména ve Spojených státech amerických, provádí umělé zvyšováni obsahu fluoru v pitné vodě (tzv. fluorování vody).[7]

Zdravotní rizika

[editovat | editovat zdroj]

Přípustné množství fluoru v zubních pastách je v EU 1500 ppm,[6] při vyšších koncentracích roste riziko vzniku dentální fluorózy doprovázené hnědými skvrnami na zubech.[8] Při jednorázovém požití pouhých 150 mg fluoridu sodného (NaF) může dojít k nevolnosti, zvracení, průjmu a akutní bolesti břicha,[9] akutní otrava se léčí infuzí vápenatých iontů.[9] Fluoridový anion je protoplasmatický jed, zasahující do funkce enzymů, neurotoxický a váže ionty vápníku.

  1. a b Fluorine. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov [online]. PubChem [cit. 2021-05-24]. Dostupné online. (anglicky) 
  2. ARGO, W.L. Preparation of Fluorine. Trans. Am. Electrochem. Soc.. Roč. 1919, čís. 35, s. 335–345. 
  3. S. Rozen: Eur. J. Org. Chem. 2005, 2433
  4. Miroslav Šuta: Stockholmská úmluva: Tucet špinavců dostal 9 nových parťáků Archivováno 12. 5. 2009 na Wayback Machine., respekt.cz, 10.5.2009
  5. Essential nutrients in drinking water (Draft) [online]. WHO [cit. 2016-03-28]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2012-10-19. 
  6. a b LOVEREN, C. van. Toothpastes. [s.l.]: Karger Medical and Scientific Publishers 168 s. Dostupné online. ISBN 9783318022070. (anglicky) 
  7. The British Fluoridation Society; The UK Public Health Association; The British Dental Association; The Faculty of Public Health. One in a Million: The facts about water fluoridation. 3. vyd. Manchester: British Fluoridation Society, 2012. Dostupné online. Dostupné také na: [1]. ISBN 0-9547684-0-X. Kapitola The ethics of water fluoridation, s. 88–92.  Archivováno 30. 4. 2015 na Wayback Machine.
  8. MORE, Judy. Infant, Child and Adolescent Nutrition: A Practical Handbook. [s.l.]: CRC Press 265 s. Dostupné online. ISBN 9781444149890. S. 7. (anglicky) 
  9. a b O'DONNELL, T. A. The Chemistry of Fluorine: Comprehensive Inorganic Chemistry. [s.l.]: Elsevier 113 s. Dostupné online. ISBN 9781483146423. (anglicky) 

Literatura

[editovat | editovat zdroj]
  • Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973
  • Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974
  • Heinrich Remy, Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961
  • N. N. Greenwood – A. Earnshaw, Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427-38-9

Externí odkazy

[editovat | editovat zdroj]