Элемент: фтор (Fluorine)
Химический символ: F
Порядковый номер: 9
Год открытия: 1810
Стандартная атомная масса: 18.998403
Температура плавления: 53.48 К
Температура кипения: 85.03 К
Плотность при стандартных условиях: 1.696 г/л
Число стабильных изотопов: 1
Кристаллическая решётка: кубическая
История элемента номер девять во многом драматична. Открытие фтора как элемента связано с минералом флюоритом. По подсчетам историков науки, как минимум 19 ученых погибли или сильно пострадали при попытках получить чистый фтор.
Этот минерал впервые описан еще в 1530 году под названием fluorospar в книге Георгия Агриколы Bermannus, sive de re metallica dialogus. Название «флюорит» происходит от латинского глагола fluere, от которого происходит и английское flow – «течь». Кстати, из кристаллов флюорита, формула которого CaF2, делают высококачественные линзы для самых дорогих объективов.
Кристалл флюорита
В 1771 году швед Карл Шееле, обрабатывая флюорит серной кислотой, получил другую кислоту, растворявшую стекло. Ее так и назвали — плавиковая кислота. Другой великий химик, Антуан Лоран Лавуазье (сколько раз мы его уже упоминали!), предположил, что плавиковая кислота содержит новый химический элемент, «флуор» (фтор на английском так и называется — fluorine. Забавно, что именно в английском языке для совсем уж несведущих возможно путаница с флуореном – полициклическим углеводородом). Но честь открытия фтора как элемента часто отдают физику Андре-Мари Амперу (тому самому, в честь которого назван ампер), который в 1810 году сказал, что в плавиковой кислоте содержится элемент, аналогичный хлору. Осталось его выделить.
Нужно сказать, что именно Амперу мы обязаны русским названием элемента, от φθείρω «уничтожать, истреблять, губить». Английское fluorine предложил сэр Хэмфри Дэви.
Андре-Мари Ампер
И началась охота за чистым фтором, который почти сотню лет никому не удавалось выделить в чистом виде. А тот, кому удавалось, умирал и не мог рассказать о своем открытии.
Победу смог одержать француз Анри Муассан, который удачно женился и был обеспечен в средствах. Он мог потратить годы на решение проблемы, которая почти на протяжении века была не по зубам (и стоила жизни и здоровья) многим его предшественникам, — выделению чистого фтора.
Анри Муассан выделяет фтор
Муассан решил обратиться к электролизу. Какое-то время у него ничего не получалось, но он обратил внимание на то, что электроды и трубки оказываются разъеденными. Значит, фтор все-таки выделяется, но он оказался настолько реакционно активен, что реагировал сразу со всем, включая стекло и резину.
Химик решил создать химическую посуду из флюорита и проводить в ней электролиз жидкого чистого фтороводорода, охлажденного до отрицательных температур при помощи платиноиридиевых электродов.
Электролизер Муассана
26 июня 1886 года Муассан получил чистый фтор. Парижская академия наук, получив сообщение сравнительно молодого ученого, отрядила солидную комиссию для проверки, попросив провести эксперимент еще раз. И у Муассана ничего не получилось!
Вот как описывает этот драматический эпизод Манолов Калоян в книге «Великие химики»:
«Точно в назначенный час появились члены комиссии. Их было трое — Марселен Бертло, Анри Дебре и Эдмон Фреми. Муассан приступил к работе. Он собрал установку, налил охлаждающую смесь и подключил батарею. Минута, две, три… Установку словно заколдовали — никаких признаков реакции. Анри проверил все еще раз, но фтор не выделялся. Он разобрал установку, взял новые порции исходных веществ и попытался повторить эксперимент. Эта попытка тоже не привела к успеху. «Конец!» — подумал Муассан и беспомощно опустил руки. Ему хотелось провалиться сквозь землю, лишь бы не видеть строгих, недоумевающих взглядов знаменитых ученых — членов комиссии.
— Не волнуйтесь, — прервал замешательство Марселен Бертло. — Всякое случается. Может быть, нечистые реактивы. Иногда на первый взгляд незаметная мелочь неожиданно изменяет весь ход реакции. — Мы уверены, что произошла какая-то ошибка, — поддержал его профессор Фреми, — и надеемся, что вы ее скоро найдете.
Пожелав успехов в работе, ученые удалились, а Муассан еще долго неподвижно стоял возле своей установки.
«Это фтор мстит мне за то, что я заставил его подчиниться, что все-таки выделил его», — удрученно думал Муассан, невольно наделяя элемент сверхъестественной силой».
К счастью, всего через два дня Анри понял, что его подвела… собственная тщательность: он настолько хорошо очистил фтороводород, что он перестал проводить электрический ток! Немного безводного фторида калия в безводный фтороводород — и установка производила фтор со скоростью пять литров в час.
Воздух (1), фтор (2), хлор (3). Зарисовка Муассана
Муассан занялся исследованием свойств фтора при низких температурах. Оказалось, что даже при -185°C фтор реагирует с водородом и углеводами, а уж при комнатной температуре он отнимает электроны даже у кислорода: единственный элемент, который не образует оксиды. Наоборот, при реакции образуется фторид кислорода!
Кстати, шотландца, с которым Муассан исследовал жидкий фтор, звали Джеймс Дьюар. Да, да, тот самый, которому мы сейчас обязаны термосами.
Увы, здоровья Муассану исследование фтора не принесло. Сам химик говорил, что фтор отнял у него десять лет жизни, но это, наверное, оценка была сильно занижена: он прожил всего 54 года.
Настоящее промышленное освоение фтора (и массовое его производство) началось в 1940-е годы. Фтор сыграл важнейшую роль в создании атомного оружия. Дело в том, что для создания атомной бомбы критически важно было отделить уран-235 от урана-238. Причем первого в природном уране – всего 0,711% по массе. И здесь на помощь пришел гексафторид урана. Дело в том, что уже при 56,4 градусах Цельсия это вещество возгоняется, превращаясь в самый тяжелый газ. Таким образом в центрифугах и отделяют 235UF6 от 238UF6.
Фторид урана
Вообще, нужно сказать, что химия фторидов очень интересна. Многие из них обладают очень необычными химическими свойствами. Так, фторид вольфрама WF6 – газ при нормальных условиях (его плотность – 13 граммов на литр, что в 11 раз тяжелее воздуха), фториды рения и молибдена – вообще жидкости, а рений – единственный из металлов, образующих гептафторид!
Гептафторид рения
Кроме того, фтор стал первым элементом, «распечатавшим» благородные газы – фториды ксенона стали первыми соединениями этих элементов.
Кристаллы тетрафторида ксенона
Как мы уже говорили, фтор – единственный элемент, способный оторвать электроны у кислорода. Поэтому существует не оксид фтора, а фторид кислорода. Фторид хлора, кстати, тоже. Его даже исследуют как потенциальное топливо, ибо эта Т-образная молекула – сильнейший окислитель.
Фторид хлора
Конечно же, очень много интересных и необычных фторорганических соединений используется человеком. Не будем говорить о фреонах, то ли разрушающих озоновую дыру, то ли нет. Не будем говорить и о тефлоне, за него пусть скажут «спасибо» все домохозяйки. Но даже если вычесть эти две огромные группы веществ, то можно вспомнить уникальный очень плотный перфторгептан, одновременно гидрофобный и «маслофобный», который используют для деацидификации бумаги (читай = спасения старинных книг и рукописей).
На иллюстрации – несмешиваемые слои перфторгептана (внизу) и воды (вверху). Краб не только не тонет в жидкости, но и не может «провалиться» в нее.
А ведь есть еще, например, перфтордекалин, который известен нам под торговым названием «Перфторан» (точнее, входит в смесь с таким названием). Это – отечественный кровезаменитель с функцией переноса кислорода. Или фторотан (C₂HBrClF₃) – прекрасный препарат для наркоза.
Перфтордекалин
Вообще, нужно сказать, что 20% всех современных фармацевтических препаратов содержат атомы фтора. Среди них, например, аторвастатин, который применяют при гипертонии, знаменитый антидепрессант прозак или синтетический кортикостероид флутиказон.
Флутиказон
Среди всех вариантов использования фтора, конечно самый необычный – применение изотопа 18F. Казалось бы, какая может быть польза от атома, который в среднем живет всего чуть более 100 минут? До середины 1970-х готов правильный ответ был – «никакой». Но затем придумали ПЭТ. Не полиэтилентерефталат, а позитронно-эмиссионную томографию.
Это кажется невероятным, но главный физический принцип в ПЭТ – это аннигиляция вещества и антивещества. Нам нужен короткоживущий изотоп, который распадается по бета(+)-распаду, испуская открытый в 1932 году в космических лучах позитрон, античастицу к электрону. Мы делаем органическую молекулу, меченную атомом этого изотопа – так называемый радиофармпрепарат (РФП), который вводится в организм. В организме происходит распад атома, позитрон, столкнувшись с первым атомом на своем пути, взаимодействует с электроном. Они аннигилируют, испуская два энергичных фотона – гамма-кванта.
ПЭТ головного мозга
Вокруг пациента – как и во всех томографах, есть труба. Однако в «трубе» ПЭТ – не магниты и не рентгеновский аппарат, как в МРТ или КТ, а особые сцинциляционные датчики, сейчас – на основе силиката лютеция. Когда в них попадает гамма-квант, в кристаллах возникает свечение, которое фиксирует фотоэлектронный умножитель. По тому, какие детекторы «включились», можно было установить, из какой точки анализируемого образца вылетели два гамма-кванта, просто проведя прямые -продолжения трубок-детекторов до их пересечения.
В нейровизуализации в качестве биологически активного соединения чаще всего выбирают глюкозу, которую метят изотопом фтор-18 с периодом полураспада чуть более 109 минут. Наш мозг занимает всего два процента массы тела, но потребляет 20% всей энергии. А энергию он берет из глюкозы, поэтому, будучи введенной в кровяное русло, она очень быстро оказывается именно в мозге. Для исследования головного мозга сначала на циклотроне производят фтор-18, затем синтезируют фтордеоксиглюкозу (ФДГ), в которой одна группа –OH заменена на 18F. Используется ПЭТ и при диагностике болезни Паркинсона, и тогда синтезируется радиофармпрепарат на основе леводопы. Тоже с 18F.
Фтордезоксиглюкоза
Ну и конечно же, нельзя не вспомнить зубную пасту «со фтором» (еще бывает «с кальцием»). Правда, если бы в зубной пасте был бы фтор и кальций, то, вероятнее всего, она бы взрывалась уже во рту. Но, конечно, там содержится фторид натрия. Дело в том, что наши зубы содержат фторапатит Ca5F(PO4)3, и считается, что «запасы фтора» надо пополнять. Однако если переусердствовать, то можно подхватить флюороз — крапчатость эмали. Так что все хорошо в меру.
Девятый элемент оказался и убийцей, и спасителем одновременно. Разрушительный уже по своему названию, он стал важнейшей составляющей лекарств, источником антивещества, помощником в создании ядерного оружия и компонентом самой совершенной оптики. Удивительный элемент!
Текст: Алексей Паевский
