【0号元素】专题氟元素简介

Fluorine是非金属化学元素，化学符号为F，原子序数为9。

氟是卤族元素之一，属周期系ⅦA族，在元素周期表中位于第二周期。氟元素的单质是F2，它是一种淡黄色有剧毒的气体。氟气的腐蚀性很强，化学性质极为活泼，是氧化性最强的物质之一，甚至可以和部分惰性气体在一定条件下反应 。氟是特种塑料、橡胶和冷冻机（氟氯烷）中的关键元素。由于氟的特殊化学性质，氟化学在化学发展史上有重要的地位。

物理性质

氟在标准状态下是淡黄色气体，液化时为黄色液体。 在-252℃时变为无色液体。

由于氟的特殊化学性质，导致其物理性质的测定的难度较大，一些数据的准确性并不是很高，下面的数据采用了参考资料中的最新数据或时间相近数据中有效数字位数较多者。

原子半径：71pm（F-F），64pm（F-C）；

离子半径：133pm；

密度：1.696g/L（273.15K，0℃）；

熔点：-219.66℃ ；

熔化热：510.36±2.1J·mol-1；

沸点：-188.12℃ ；

气化热：6543.69±12.55J·mol-1（84.71K，9.81kPa）；

蒸气压(l)(kPa)：

；

蒸气压(s)(kPa) ：

T(K)	53.56	60.50	69.57	77.17	81.59	85.05	89.40
P（kPa）	0.223	1.719	11.24	37.38	67.21	101.7	162.64

溶解度：与水反应 ；

临界温度：144K；

临界压力：55atm；

热导率：W/(m·K) 27.7。

化学性质

电子层排布：[He]2s2 2p5 ；

主氧化态：F（-1），F（0） ；

电负性：3.98（鲍林标度） ，4.10（阿莱-罗周标度） ，3.91（马利肯标度） ；

晶体结构：简单立方晶体；晶胞参数：a = 550 pm，b = 328 pm，c = 728 pm，α=β =γ= 90°；

化学键能(kJ /mol)：F-F：159；F-H：569 ；F-O：190；F-N：272；F-C：456 ；F-B：644 ；F-Al：582 ；

亲和能：328.16kJ·mol-1；

电离能（kJ/ mol）：I1：1681.0 ；I2：3374；I3： 6050；I4：8408；I5：11023；I6：15164；I7：17867；I8：92036；I9：106432；

单质解离能：157.7kJ·mol-1；

F-水和能：-506.3kJ·mol-1；

标准熵：F：158.6J·mol-1·K-1，F2：202.5J·mol-1·K-1；

标准电极电势：E∅(F₂/HF)=3.053V，E(F₂/F-)=2.87V。

氟是已知元素中非金属性最强的元素，这使得其没有正氧化态。氟的基态原子价电子层结构为2s2 2p5，且氟具有极小的原子半径，因此具有强烈的得电子倾向，具有强的氧化性，是已知的最强的氧化剂之一。

氟的卤素互化物有ClF、ClF3、BrF3、IF5等。

与单质的反应

氢与氟的化合反应异常剧烈，即使在-250℃的低温暗处下，也可以与氢气爆炸性化合，生成氟化氢

。

不但是氢气，氟可以与除O、N、He、Ne、Ar、Kr以外所有元素的单质反应，生成最高价氟化物。除具有最高价态的金属氟化物和少数纯的全氟有机化合物外，几乎所有化合物均可以与氟反应。即使是全氟有机化合物，如果被可燃物污染，也可以在氟气中燃烧。大多数有机化合物与氟的反应将会发生爆炸，碳或大多数烃与过量氟的反应，将生成四氟化碳及少量四氟乙烯或六氟丙烷。

由于氟强烈的氧化性，氟甚至可以和氙直接化和。由于反应条件的不同，产物可以是XeF2，XeF4，XeF6。

通常，由于氮对氟而言是惰性的，可用作气相反应的稀释气。氮和氟用辉光放电法可以化合为NF3。氟在与铜、镍或镁反应时，金属表面会形成致密的氟化物保护膜以阻止反应，因此氟气可保存在这些材料制成的容器中。

与化合物的反应

氟气与水的反应复杂，主反应为：

，生成氟化氢和氧气，副反应生成少量的过氧化氢、二氟化氧和臭氧 。

氟与氨气的反应为：

，但若氨气过量，除了生成NF3，还会生成N2F4，HNF2和N2F2等，若上述反应过于激烈，也只能得到氮气：

。

氟与一氧化氮反应，生成氟化亚硝酰：

。

氟与无水亚硝酸钠在加热条件下，或是令二氧化氮在氟中燃烧，可以得到氟化硝酰：

，

。

氟与稀释的叠氮化氢反应，生成叠氮氟化物：

。

一般情况下，氧与氟不反应，但存在两种已知的氧氟化物，即OF2和O2F2。在2%的氢氧化钠溶液中通入氟气，可以得到OF2：

。 氟气通过冰水的表面，可以制得次氟酸（HOF）。

通常氟与有机物反应会因过于剧烈而只能得到简单有机氟化物，但如果将氟稀释一定比例，也可以发生类似氯和溴的有机加成反应或是有机取代反应。

二氧化硅在氟气中可燃烧，生成氧：

。

氟还可以从许多含卤素的化合物中取代其它卤素。

（X为其他卤素）。

F的一些特殊性质可以从以下几个方面进行解释：

1. F的电负性最大；
2. 标准电极电势 F2/F-最大；
3. F的原子半径小，因此氟分子中孤对电子的排斥力相当大，并且氟无可利用的d轨道，因此不能形成d-pπ键，使得F-F键键能非常小；
4. 氟化物中，氟与其他元素形成的化学键非常强，离子型的卤化物中，一般氟化物晶格能U最大；共价型卤化物中，一般氟化物△fGm最负 。

其它

一些含氟化合物具有极强的路易斯酸性，例如BF3，SbF5等，将SbF5溶于液态氟化氢，可以得到氟锑酸，这是一种超强酸。

研究历史

1774年瑞典化学家舍勒在研究硫酸与萤石的反应时发现HF，并于1789年提出它的酸根与盐酸酸根性质相似的猜想。而后法国化学家盖·吕萨克等继续进行提纯氢氟酸的研究，到了1819年无水氢氟酸虽然仍未分离，但其对玻璃以及硅酸盐反应的本质已被阐明：

CaSiO₃ + 6 HF → CaF₂ + SiF₄ + 3H₂O；SiO₂ + 4 HF → SiF₄ + 2H₂O

19世纪初期安培给戴维的信函中指出氢氟酸中存在着一种未知的化学元素，正如盐酸中含有氯元素，并建议把它命名为“Fluor”，词源来自拉丁文及法文， 原意为“流动 （flow， fluere）”之意。

在此之后，1813年戴维，1836年乔治·诺克斯及托马士·诺克斯，1850年弗累密，1869年哥尔， 都曾尝试制备出氟单质，但最终都因条件不够或无法分离而失败，他们因长期接触含氟化合物中毒而健康受损。

1886年的6月弗累密的学生莫瓦桑总结前人分离氟元素失败的原因， 并以他们的实验方案作为基础，刚开始曾选用低熔点的三氟化磷及三氟化砷进行电解， 阳极上有少量气泡冒出，但仍腐蚀铂电极，而大部分气泡仍未升上液面时被液态氟化砷吸收而失败。

1886年莫瓦桑采用液态氟化氢作电解质， 在其中加入氟氢化钾（KHF2） 使它成为导电体； 以铂制U形管盛载电解液，铂铱合金作电极材料，萤石制作管口旋塞，接合处以虫胶封固，电降槽（铂制U形管）以氯乙烷（C2H5Cl）作冷凝剂，实验进行时，电解槽温度降至-23℃。6月26日那天开始进行实验，阳极放出了气体，他把气流通过硅时燃起耀眼的火光，根据他的报告：被富集的气体呈黄绿色，氟元素被成功分离。

莫氏发现氟的成就，使他获得卡柴奖金（Prix la Caze），1896年获英国皇家科学会赠戴维奖章；1903年德国化学会赠他霍夫曼奖章；1906年获诺贝尔化学奖 。他因长期接触一氧化碳及含氟的剧毒气体，健康状况较常人先衰，1907年2月20日与世长辞，年仅54岁。

主要用途

• 利用氟的强氧化性，可以制取UF6（g）。利用238UF6与235UF6扩散速率的不同，来分离出铀的同位素 ；
• 用于合成氟利昂等冷却剂 ；
• 用于制氟化试剂（二氟化氙等）以及金属冶炼中的助熔剂（冰晶石等）等 ；
• ClF3与BrF3可作火箭燃料的氧化剂 ；
• 用于制杀虫剂与灭火剂 ；
• 氟代烃可用于血液的临时代用品 ；
• 氟化物玻璃（含有ZrF4、BaF2、NaF）的透明度比传统氧化物玻璃大百倍，即使在强辐射下也不变暗；氟化物玻璃纤维制成的光导纤维，效果比SiO2的光导纤维效果大百倍 ；
• 含氟塑料和含氟橡胶有特别优良的性能 ，用于氟氧吹管和制造各种氟化物；
• 氟元素也添加于牙膏中作为含氟牙膏，氟化钠与牙齿中的碱式磷酸钙反应生成更坚硬和溶解度更小的氟磷酸钙。

元素分布

自然界

氟是自然界中广泛分布的元素之一。氟在地壳的存量为6.5×10-2% ，存在量的排序数为13。 自然界中氟主要以萤石（CaF2），冰晶石（Na3[AlF6]）及以氟磷灰石（Ca10(PO4)6F2）存在 。

德国科学家首次证实自然界中存在氟气，德国慕尼黑理工大学的Florian Kraus与其他合作者，如慕尼黑路德维希—马克西米利大学的JornSchmedt auf der Günne，第一次原位证实氟气是使呕吐石发出恶臭气味的罪魁祸首。他们在曾引起矿工恶心呕吐的区域附近采集到豆大的一块呕吐石样品，然后用固体核磁共振谱仪分析它们。这项技术不需要打碎样品就可以原位探测里面的氟气。

人体分布

氟元素在正常成年人体中约含2克～3克，人体含氟约2.6g，主要分布在骨骼、牙齿中 ，在这两者中积存了约90%的氟，血液中每毫升含有0.04微克～0.4微克。

人体所需的氟主要来自饮用水。人体每日摄入量4mg以上会造成中毒，损害健康。