ฟลูออรีน - มันคืออะไร? คุณสมบัติของฟลูออรีน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

ฟลูออรีนเป็นองค์ประกอบทางเคมี (สัญลักษณ์ F เลขอะตอม 9) ซึ่งเป็นอโลหะที่อยู่ในกลุ่มของฮาโลเจน เป็นสารออกฤทธิ์และอิเลคโตรเนกาทีฟมากที่สุด ที่อุณหภูมิและความดันปกติ โมเลกุลฟลูออรีนจะเป็นก๊าซพิษสีเหลืองซีดที่มีสูตร F₂ เช่นเดียวกับเฮไลด์อื่นๆ โมเลกุลฟลูออรีนเป็นอันตรายอย่างยิ่งและทำให้เกิดการไหม้ของสารเคมีอย่างรุนแรงเมื่อสัมผัสกับผิวหนัง

ใช้

มีการใช้ฟลูออรีนและสารประกอบอย่างกว้างขวาง รวมถึงสำหรับการผลิตยา เคมีเกษตร เชื้อเพลิง น้ำมันหล่อลื่น และสิ่งทอ กรดไฮโดรฟลูออริกใช้ในการกัดกระจก ในขณะที่ฟลูออรีนพลาสมาใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และวัสดุอื่นๆ ความเข้มข้นต่ำของไอออน F ในยาสีฟันและน้ำดื่มอาจช่วยป้องกันฟันผุได้ ในขณะที่ยาฆ่าแมลงบางชนิดมีความเข้มข้นสูง ยาชาทั่วไปหลายชนิดเป็นอนุพันธ์ของไฮโดรฟลูออโรคาร์บอน ไอโซโทป ¹⁸F เป็นแหล่งของโพซิตรอนสำหรับการได้รับทางการแพทย์การถ่ายภาพเอกซเรย์ปล่อยโพซิตรอน และยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ใช้เพื่อแยกไอโซโทปของยูเรเนียมและผลิตยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

ประวัติการค้นพบ

แร่ที่ประกอบด้วยสารประกอบฟลูออรีนเป็นที่รู้จักกันเมื่อหลายปีก่อนการแยกองค์ประกอบทางเคมีนี้ ตัวอย่างเช่น แร่ธาตุ fluorspar (หรือ fluorite) ซึ่งประกอบด้วยแคลเซียมฟลูออไรด์ ถูกอธิบายในปี 1530 โดย George Agricola เขาสังเกตเห็นว่ามันสามารถใช้เป็นฟลักซ์ ซึ่งเป็นสารที่ช่วยลดจุดหลอมเหลวของโลหะหรือแร่ และช่วยทำให้โลหะที่ต้องการบริสุทธิ์ ดังนั้นฟลูออรีนจึงมีชื่อภาษาละตินจากคำว่า fluere (“to flow”)

ในปี 1670 เครื่องเป่าแก้ว ไฮน์ริช ชวานฮาร์ด ค้นพบว่าแก้วถูกกัดโดยการกระทำของแคลเซียมฟลูออไรด์ (ฟลูออไรด์) ที่บำบัดด้วยกรด Carl Scheele และนักวิจัยหลายคนในภายหลัง รวมทั้ง Humphry Davy, Joseph-Louis Gay-Lussac, Antoine Lavoisier, Louis Thénard ได้ทำการทดลองกับกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) ซึ่งได้มาโดยง่ายโดยการบำบัด CaF ด้วยกรดซัลฟิวริกเข้มข้น

ในท้ายที่สุด เห็นได้ชัดว่า HF มีองค์ประกอบที่ไม่รู้จักมาก่อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยาที่มากเกินไป สารนี้จึงไม่สามารถแยกออกได้เป็นเวลาหลายปี ไม่เพียงแต่แยกจากสารประกอบได้ยากเท่านั้น แต่ยังทำปฏิกิริยากับส่วนประกอบอื่นๆ ในทันทีด้วย การแยกธาตุฟลูออรีนออกจากกรดไฮโดรฟลูออริกเป็นสิ่งที่อันตรายอย่างยิ่ง และความพยายามในช่วงแรกๆ ทำให้นักวิทยาศาสตร์หลายคนตาบอดและเสียชีวิต คนเหล่านี้กลายเป็นที่รู้จักในนาม มรณสักขีฟลูออรีน”

การค้นพบและการผลิต

ในที่สุด ในปี พ.ศ. 2429 นักเคมีชาวฝรั่งเศส อองรี มอยส์ซาน สามารถแยกฟลูออรีนได้ด้วยกระแสไฟฟ้าของส่วนผสมของโพแทสเซียมฟลูออไรด์ที่หลอมละลายและกรดไฮโดรฟลูออริก ด้วยเหตุนี้เขาจึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1906 วิธีการอิเล็กโทรไลต์ของเขายังคงถูกนำมาใช้ในปัจจุบันสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรมขององค์ประกอบทางเคมีนี้

การผลิตฟลูออรีนขนาดใหญ่ครั้งแรกเริ่มขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง มันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับขั้นตอนหนึ่งของการสร้างระเบิดปรมาณูซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตัน ฟลูออรีนถูกใช้เพื่อผลิตยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ (UF₆) ซึ่งใช้แยกไอโซโทปทั้งสองออกจากกัน ²³⁵U และออกจากกัน 238^{U. วันนี้ ต้องมี UF}6 _{ที่เป็นก๊าซเพื่อผลิตยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสำหรับพลังงานนิวเคลียร์}

คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของฟลูออรีน

ในตารางธาตุ ธาตุจะอยู่ด้านบนสุดของกลุ่ม 17 (เดิมคือกลุ่ม 7A) ซึ่งเรียกว่าฮาโลเจน ฮาโลเจนอื่นๆ ได้แก่ คลอรีน โบรมีน ไอโอดีนและแอสทาทีน นอกจากนี้ F ยังอยู่ในช่วงที่สองระหว่างออกซิเจนและนีออน

ฟลูออรีนบริสุทธิ์เป็นก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (สูตรทางเคมี F₂) มีกลิ่นฉุนเฉพาะตัวที่ความเข้มข้น 20 nl ต่อลิตรของปริมาตร เนื่องจากเป็นองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยาและอิเล็กโตรเนกาติเอทีฟมากที่สุด จึงสร้างสารประกอบร่วมกับธาตุส่วนใหญ่ได้อย่างง่ายดาย ฟลูออรีนมีปฏิกิริยามากเกินไปที่จะมีอยู่ในรูปของธาตุและมีลักษณะเช่นนี้สัมพันธ์กับวัสดุส่วนใหญ่ รวมทั้งซิลิกอน ซึ่งไม่สามารถเตรียมหรือเก็บไว้ในภาชนะแก้วได้ ในอากาศชื้น ทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างกรดไฮโดรฟลูออริกที่อันตรายเท่ากัน

ฟลูออรีนที่ทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนจะระเบิดได้แม้ในอุณหภูมิต่ำและในที่มืด ทำปฏิกิริยารุนแรงกับน้ำทำให้เกิดกรดไฮโดรฟลูออริกและก๊าซออกซิเจน วัสดุต่างๆ รวมทั้งโลหะและแก้วที่กระจายตัวอย่างประณีต เผาไหม้ด้วยเปลวไฟที่เจิดจ้าในไอพ่นของก๊าซฟลูออรีน นอกจากนี้ องค์ประกอบทางเคมีนี้ก่อให้เกิดสารประกอบที่มีก๊าซมีตระกูลคริปทอน ซีนอนและเรดอน อย่างไรก็ตาม มันไม่ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับไนโตรเจนและออกซิเจน

แม้จะมีกิจกรรมที่รุนแรงของฟลูออรีน แต่วิธีการสำหรับการจัดการและการขนส่งอย่างปลอดภัยก็สามารถใช้ได้แล้ว ส่วนประกอบอาจถูกเก็บไว้ในภาชนะเหล็กหรือโมเนล (โลหะผสมที่อุดมด้วยนิกเกิล) เนื่องจากฟลูออไรด์ก่อตัวบนพื้นผิวของวัสดุเหล่านี้ ซึ่งจะป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาเพิ่มเติม

ฟลูออไรด์คือสารที่มีฟลูออรีนเป็นไอออนที่มีประจุลบ (F^-) ร่วมกับธาตุที่มีประจุบวกบางชนิด สารประกอบฟลูออรีนกับโลหะเป็นเกลือที่เสถียรที่สุด เมื่อละลายในน้ำจะแบ่งออกเป็นไอออน ฟลูออรีนรูปแบบอื่นๆ คือสารเชิงซ้อน เช่น [FeF₄]^- และ H₂F+.

ไอโซโทป

ฮาโลเจนนี้มีหลายไอโซโทป ตั้งแต่ ¹⁴F ถึง ³¹F แต่องค์ประกอบไอโซโทปของฟลูออรีนมีเพียงหนึ่งในนั้น¹⁹F ซึ่งมี 10 นิวตรอน เนื่องจากเป็นนิวตรอนเพียงตัวเดียวที่มีความเสถียร ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ¹⁸F เป็นแหล่งของโพซิตรอนอันมีค่า

ผลกระทบทางชีวภาพ

ฟลูออรีนในร่างกายส่วนใหญ่จะพบในกระดูกและฟันในรูปของไอออน ฟลูออไรด์ของน้ำดื่มที่ความเข้มข้นน้อยกว่าหนึ่งส่วนต่อล้านช่วยลดอุบัติการณ์ของโรคฟันผุได้อย่างมาก - ตามที่สภาวิจัยแห่งชาติของ National Academy of Sciences แห่งสหรัฐอเมริกา ในทางกลับกัน การสะสมฟลูออไรด์มากเกินไปอาจนำไปสู่โรคฟลูออโรซิส ซึ่งปรากฏอยู่ในฟันที่มีรอยกระดำกระด่าง ผลกระทบนี้มักจะพบได้ในพื้นที่ที่เนื้อหาขององค์ประกอบทางเคมีนี้ในน้ำดื่มเกินความเข้มข้น 10 ppm

ฟลูออรีนและเกลือฟลูออไรด์เป็นพิษและควรจัดการด้วยความระมัดระวัง ควรหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับผิวหนังหรือดวงตาอย่างระมัดระวัง ปฏิกิริยากับผิวหนังจะทำให้เกิดกรดไฮโดรฟลูออริก ซึ่งจะแทรกซึมเข้าไปในเนื้อเยื่ออย่างรวดเร็วและทำปฏิกิริยากับแคลเซียมในกระดูก ทำลายพวกมันอย่างถาวร

ฟลูออรีนสิ่งแวดล้อม

การผลิตแร่ฟลูออไรท์ทั่วโลกประจำปีอยู่ที่ประมาณ 4 ล้านตัน และกำลังการผลิตรวมของแหล่งที่สำรวจมีไม่เกิน 120 ล้านตัน พื้นที่ทำเหมืองหลักสำหรับแร่นี้คือ เม็กซิโก จีน และยุโรปตะวันตก

ฟลูออรีนเกิดขึ้นตามธรรมชาติในเปลือกโลก ซึ่งสามารถพบได้ในหิน ถ่านหิน และดินเหนียว ฟลูออไรด์ถูกปล่อยสู่อากาศโดยการกัดเซาะของดินด้วยลม ฟลูออรีนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีมากเป็นอันดับที่ 13 ในเปลือกโลก - เนื้อหาเท่ากับ 950 ppm ในดิน ความเข้มข้นเฉลี่ยอยู่ที่ 330 ppm. ไฮโดรเจนฟลูออไรด์สามารถถูกปล่อยสู่อากาศอันเป็นผลมาจากกระบวนการเผาไหม้ทางอุตสาหกรรม ฟลูออไรด์ที่อยู่ในอากาศจะตกลงสู่พื้นหรือลงไปในน้ำ เมื่อฟลูออรีนจับกับอนุภาคขนาดเล็กมาก ฟลูออรีนจะคงอยู่ในอากาศเป็นเวลานาน

ในบรรยากาศ 0.6 พันล้านขององค์ประกอบทางเคมีนี้มีอยู่ในรูปของหมอกเกลือและสารประกอบคลอรีนอินทรีย์ ในเขตเมืองความเข้มข้นถึง 50 ส่วนต่อพันล้าน

การเชื่อมต่อ

ฟลูออรีนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่สร้างสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ที่หลากหลาย นักเคมีสามารถแทนที่อะตอมของไฮโดรเจนได้ ทำให้เกิดสารใหม่มากมาย ฮาโลเจนที่มีปฏิกิริยาสูงก่อให้เกิดสารประกอบที่มีก๊าซมีตระกูล ในปีพ.ศ. 2505 นีล บาร์ตเล็ตต์สังเคราะห์ซีนอนเฮกซะฟลูออโรแพลทิเนต (XePtF6) นอกจากนี้ยังได้รับคริปทอนและเรดอนฟลูออไรด์อีกด้วย สารประกอบอีกชนิดหนึ่งคืออาร์กอนฟลูออโรไฮไดรด์ซึ่งมีความเสถียรที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น

งานอุตสาหกรรม

ในสถานะอะตอมและโมเลกุล ฟลูออรีนใช้สำหรับการกัดด้วยพลาสม่าในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ จอแบน และระบบไมโครไฟฟ้า กรดไฮโดรฟลูออริกใช้กัดกระจกในโคมไฟและผลิตภัณฑ์อื่นๆ

ฟลูออรีนเป็นส่วนประกอบสำคัญในการผลิตยา เคมีเกษตร เชื้อเพลิงและสารหล่อลื่นร่วมกับสารประกอบบางชนิดวัสดุและสิ่งทอ องค์ประกอบทางเคมีจำเป็นในการผลิตอัลเคนที่เป็นฮาโลเจน (ฮาลอน) ซึ่งในทางกลับกัน ถูกใช้อย่างแพร่หลายในระบบปรับอากาศและระบบทำความเย็น ต่อมาห้ามใช้คลอโรฟลูออโรคาร์บอนดังกล่าวเนื่องจากมีส่วนในการทำลายชั้นโอโซนในบรรยากาศชั้นบน

ซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์เป็นก๊าซเฉื่อยที่ไม่เป็นพิษอย่างยิ่งซึ่งจัดอยู่ในประเภทก๊าซเรือนกระจก หากไม่มีฟลูออรีน จะไม่สามารถผลิตพลาสติกที่มีแรงเสียดทานต่ำ เช่น เทฟลอนได้ ยาชาหลายชนิด (เช่น sevoflurane, desflurane และ isoflurane) เป็นอนุพันธ์ของ CFC โซเดียมเฮกซาฟลูออโรอะลูมิเนต (ไครโอไลต์) ใช้ในกระแสไฟฟ้าอะลูมิเนียม

ฟลูออไรด์ ซึ่งรวมถึง NaF ถูกนำมาใช้ในยาสีฟันเพื่อป้องกันฟันผุ สารเหล่านี้ถูกเติมลงในแหล่งน้ำของเทศบาลเพื่อให้มีฟลูออไรด์ในน้ำ อย่างไรก็ตาม แนวทางปฏิบัตินี้ถือเป็นข้อขัดแย้งเนื่องจากผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์ ที่ความเข้มข้นสูง NaF ถูกใช้เป็นยาฆ่าแมลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการควบคุมแมลงสาบ

ในอดีต ฟลูออไรด์ถูกใช้เพื่อลดจุดหลอมเหลวของโลหะและแร่และเพิ่มความลื่นไหล ฟลูออรีนเป็นส่วนประกอบสำคัญในการผลิตยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์ ซึ่งใช้ในการแยกไอโซโทปออกจากกัน ¹⁸F ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิต 110 นาที ปล่อยโพซิตรอน และมักใช้ในการเอกซเรย์ปล่อยโพซิตรอนทางการแพทย์