Нахождение в природе. История получения фтора

Фтор – распространенный элемент в природе, содержание фтора в земной коре составляет  0,06 мас. %. В свободном состоянии фтор не встречается. Важнейшими минералами, содержащими фтор, являются CaF₂ – флюорит (плавиковый шпат) (Прибайкалье), Na₃AlF₆ – криолит, 3Са₃(PO₄)₂  CaF₂ – фторапатит (Кольский полуосторов).

История открытия фтора связана с минералом флюоритом (плавиковым шпатом) CaF₂. В давние времена флюорит использовался в металлургии для понижения температуры плавления руды и шлаков.

В 1771 году обработкой флюорита серной кислотой шведский химик Карл Шееле приготовил кислоту, которую он назвал «плавиковой»:

CaF₂ + H₂SO₄ (конц.)  2 HF + СaSO₄.

Французский ученый Антуан Лавуазье предположил, что в состав этой кислоты входит новый химический элемент, который он предложил назвать «флюорем», что в переводе означает «текущий» (Лавуазье считал, что плавиковая кислота – это соединение флюория с кислородом, ведь, по мнению Лавуазье, все кислоты должны содержать кислород). Однако выделить новый элемент он не смог. За новым элементом укрепилось название «флюор».

Длительные попытки выделить этот элемент в свободном виде не привели к успеху. Многие ученые, пытавшиеся получить его в свободном виде, погибли при проведении таких опытов или стали инвалидами. Это и английские химики братья Т. и Г. Ноксы, и французы Жозеф-Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар, и многие другие. Сам Гемфри Дэви, первым получивший в свободном виде натрий, калий, кальций и другие элементы, в результате экспериментов по получению фтора электролизом отравился и тяжело заболел.

В 1816 году для нового элемента было предложено другое название – фтор (от греч. phtoros – разрушение, гибель). Это название элемента принято только в русском языке, французы и немцы продолжают называть фтор fluor, англичане –fluorine. Получить фтор в свободном виде не смог и такой выдающийся ученый, как Майкл Фарадей.

Только в 1886 году французский химик Анри Муассан, используя электролиз жидкого фтороводорода HF, охлажденного до температуры – 23°C (в жидкости должно содержаться немного фторида калия KF, который обеспечивает ее электропроводимость), смог на аноде получить первую порцию нового, чрезвычайно реакционноспособного газа. В первых опытах для получения фтора Муассан использовал очень дорогой электролизер, изготовленный из платины (Pt) и иридия (Ir). При этом каждый грамм полученного фтора «съедал» до 6 г платины. Позднее Муассан стал использовать значительно более дешевый медный электролизер.

Получение фтора

1. Фтор получают электролизом расплава KF  HF (при 250 ºС) или KF  2HF (при 100 ºС). Процесс электролиза проводят в медных, никелевых или стальных электролизерах, катоды – медные или стальные, аноды – угольные (данные материалы не разрушаются фтором при температуре электролиза). Стенки электролизера покрываются плотной пленкой фторида, препятствующей коррозии. Для предотвращения взрыва при взаимодействии фтора с выделяющимся водородом в электролизере установлен стальной цилиндр, разделяющий катодное и анодное пространство (рис. 1).

Рис. 1. Схема электролизера для получения фтора

Электролизу подвергается HF, а KF обеспечивает электрическую проводимость расплава:

3 HF  H₂F⁺ + HF₂^–

А: HF₂^– – 2е^–  F₂ + 2HF

К: H₂F⁺ + 2е^–  Н₂ + 2HF

2. В лабораторных условиях фтор получают разложением высших фторидов металлов (церия, марганца):

, где Ме = Ce, Mn