Введение в химию фтора

Химия фтора — история освоения

Более 70 лет фтористые соединения используются в химической, электрической, космической и других промышленных направлениях. В технологических процессах с давних времен применялись относительно немногие (природные, например, криолиты) фториды металлов и их соединения. До этого попытки получить элементарный фтор в чистом виде были безрезультатными на протяжении около 100 лет. В 19 веке одна из основных задач химии считалась выделение чистого фтора. Это было решено в 1886 году французским ученым-химиком А. Муассаном. Получение свободного фтора дало возможность изучить его предсказанную ранее огромную реакционную способность. Эти отличительные свойства фтора и его соединений – фторидов – как раз и препятствовали ранее проводимым исследованиям.

Химия фтора

Открыватель фтора А. Муассан

Исследователей, после открытия чистого фтора, заинтересовали ранее не встречавшиеся свойства. Тогда еще ученые не задумывались о использовании фтора в промышленности, а изучали его свойства. Д.И. Менделеев писал, что «ныне и фтор, ….. совокупность общих химических сведений о фторе, как элементе, от этого выиграла немного».

Сложности в применении фтористых соединений.

В 40-х годах 20го века еще только единицы задумывались о его техническом применении. Например, в «Технической энциклопедии» 1934 г., под фтором значилось: «…фтор не имеет практического значения для промышленности». Это описание, вероятнее всего, и показывало текущее на тот момент отношение промышленности к чистому фтору.

Особые свойства химии фтора ( в том числе и его соединений, например натрия фтористого) заключаются, прежде всего, в достаточно интересных свойствах этого элемента: очень большой окислительный потенциал (больше чем у озона), наибольшая электроотрицательность (среди прочих элементов), малый объем (молекулярный и атомарный), очень большая энергия связи с другими элементами, малая энергия диссоциации молекулы – это основные свойства фтора, наиболее не похожие на остальные элементы таблицы Менделеева.

Большой тепловой эффект реакции фтора с гидразином, аммиаком и водородом, и некоторыми другими веществами позволил создавать на основе фтора достаточно сильные источники энергии. А также чем активнее фтор реагирует с другим веществом, тем сильнее энергия образующихся связей, и тем стабильнее образующееся при такой реакции вещество. В свою очередь такая сильная связь дает повышенную стабильность к последующим  химическим и температурным воздействиям на полученное вещество. Это и стало одним из важных свойств соединений для использования в новых технологиях того времени.

Сразу после открытия чистого фтора ученые стали изучать взаимодействие с углеродом. Но такие соединения длительное время не находили использования в промышленности. Лишь потребность в стабилизации атомной энергии стала толчком к изучению наиболее эффективных способов соединения фтора с органическими материалами, что привело к появлению большого количества фторуглеродов. Это вещества, состоящие из фтора и углерода, при этом повторяющие строение молекул углеводородов – в природе такие соединения не встречаются. Такие вещества обладают рядом специфических особенностей, наиболее важными из которых – небольшие межмолекулярные связи, химическая стойкость, термостойкость, пониженная температура кипения, слабое поверхностное натяжение, отличные диэлектрические свойства и др. Конечно же такое необычное сочетание свойств в одном материале стало определяющим для применения в целом ряде технологий того времени.

Некоторое применение Фторидов в промышленности:

— в охлаждающих устройствах (фреон – фторуглерод),

— использование в качестве теплоносителей (особенно актуально для авиации и ракетостроения),

— как газовые диэлектрики,

— как антипирен (гасящие свойства, используемые в ракетостроении),

— применяют как легко кипящий растворитель при изготовлении аэрозольных упаковок для распыления различных красящих веществ, моющих и бактериальных средств,

— при очистке углеводородных масел

— при полимеризации фторолефинов – основа фторопластов (например, фторопласт-4 выдерживает нагрев в 400 градусов и  химическистоек). Фторопласты так же применяются в медицине и пищевом производстве.

— в синтезе перфторэфиров – получение «вечных» смазок, которые очень стойки к окислению.

— способность уменьшать поверхностное натяжение жидких сред применяется для получения ПАВов – такие материалы служат для водо- и маслоотталкивания, защита от бактериального воздействия (обрабатывают текстиль, бумагу, кожу для повышения прочности, кислотостойкости и т.п.).

Отдельно отметим область применения неорганических фторидов:

фтористоводородная кислота (фтористый водород) как сильный катализатор в реакциях органической химии, при обработке руды для получения металлов, при производстве стекла и оптических стекол. Так же используют при получении светостойких красителей, антисептических и канцерогенных препаратов, анестетиков и др.

Интересно что чистый фтор является как бы пограничным между органической и неорганической химии. Особая способность по созданию соединений с металлами и не металлами дает возможность по созданию устойчивых материалов, не имеющих аналогов (с другими соединениями) по очень широкому спектру свойств. Этот элемент очень сильно раздвигает границы использования различных веществ в технологиях.