Fluorowce

FLUOROWCE, halogeny - pierwiastki chemiczne stanowiące 17 grupę (dawniej VII grupę główną) układu okresowego pierwiastków: fluor (F), chlor (Cl), brom (Br), jod (I) i astat (At); w warunkach normalnych fluor i chlor są gazami, brom - cieczą, jod i astat - ciałami stałymi; w związkach mają stopnie utlenienia od-I (połączenia najtrwalsze) do VII; są pierwiastkami silnie elektroujemnymi, najbardziej reaktywnymi; mają właściwości utleniające; typowe niemetale; z wodorem tworzą fluorowcowodory, których wodne roztwory są mocnymi kwasami, tworzącymi bardzo pospolite sole - halogenki; łączą się wzajemnie ze sobą, dając tzw. związki międzyfluorowcowe (międzyhalogenowe),
np. ClF, Br2Cl, IF3, ClF5, IF7.
Fluorowce występują w przyrodzie, z wyjątkiem sztucznie otrzymanego, promieniotwórczego astatu; najbardziej rozpowszechniony jest chlor. Fluorowce znalazły zastosowanie głównie jako środki dezynfekujące, utleniające oraz w syntezach organicznych do fluorowcowania; związki fluorowców są stosowane w niemal wszystkich dziedzinach przemysłu (chemicznym, farmaceutycznym, mikro- i optoelektronicznym, metalurgicznym i innych). Największe znaczenie ma chlor i jego związki.

Fluor
W średniowieczu stosowano przy wytopie metali topnik obniżający ich temperaturę topnienia. Był to fluoryt zawierający fluorek wapnia CaF2. Przez długi okres podejmowano nieudane próby wydzielenia wolnego fluoru. Dokonał tego dopiero w 1886 roku francuski chemik Henri Moissan wydzielając ten pierwiastek w stanie wolnym przez elektrolizę ciekłego fluorowodoru z dodatkiem fluorku potasowego. Nazwa pierwiastka pochodzi od łacińskiego fluere - płynąć.
Fluor jest gazem o słabym żółtozielonym zabarwieniu i ostrym zapachu. Jego atom ma największe zdolności do przechodzenia w jon fluorkowy F-. Fluor nie występuje w stanie wolnym, ale jego udział w budowie skorupy ziemskiej jest znaczny (0,072%).
Fluor jest bardzo aktywny chemicznie. Nie tworzy związków tylko z tlenem i lżejszymi helowcami. Reakcje z pozostałymi pierwiastkami przebiegają bardzo gwałtownie nawet w niskich temperaturach. Łączy się on z wodorem wybuchowo tworząc fluorowodór HF. Fluor ma zdolność łączenia się z wodorem zawartym w związkach, rozkładając chlorowodór, bromowodór, amoniak i wodę. Na miedź, ołów i metale szlachetne fluor działa powoli ponieważ tworzy się na ich powierzchni pasywna warstewka fluorku, która chroni je od reakcji z fluorem. Ze wszystkimi niemetalami, oprócz diamentu i grafitu fluor tworzy fluorki. Suchy fluor nie działa na szkło. W obecności śladów wilgoci reaguje gwałtownie ze szkłem tworząc tetrafluorek krzemu SiF4 - dlatego wykorzystywany jest do trawienia szkła.
Wolny fluor otrzymuje się wyłącznie na drodze elektrolizy ciekłego fluorowodoru zawierającego 20% fluorku potasu w temperaturze 240 K lub stopu HF i KF w temperaturze 373 K - w tem sposób otrzymywany jest na skale przemysłową.
Teflon jest to wielocząsteczkowy polimer zawierający atomy fluoru, stosuje się go do pokrywania patelni; charakteryzuje się on właściwością zmniejszania tarcia, dlatego też potrawy smażone na takiej powierzchni nie przywierają do niej i nie przypalają się. Z tego samego powodu teflon stosuje się w olejach silnikowych, tworzy on na metalowych częściach śliską powłokę, co ułatwia rozruch i pracę silnika oraz zmniejsza zużycie paliwa i oleju.
W latach pięćdziesiątych światową karierę zrobiły organiczne związki fluoru - freony - pochodne fluorowcowe metanu i etanu. Najbardziej znanym jest dichlorodifluorometan o wzorze CF2Cl2 Ze względu na to, że jest nietoksyczny i niepalny, a jego temperatura wrzenia wynosi - 30oC znalazł on zastosowanie jako czynnik chłodzący w lodówkach i zamrażarkach a także jako wypełniacz w pojemnikach z aerozolami środków kosmetycznych (dezodorantów) i leków.
Jednak na początku lat siedemdziesiątych zaczęto przypuszczać, że freony mogą przedostawać się do wysokich warstw atmosfery. Tam na wysokości 30-50 km gromadzi się ozon - alotropowa odmiana tlenu o wzorze O3. Ozon powstaje i rozpada się pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Chroni on Ziemię przed tą częścią promieniowania słonecznego, która jest bardzo niebezpieczna dla życia. Freony docierając do warstwy ozonowej zakłócają ten cykl, bo rozpadając się na węgiel, chlor i fluor przyspieszają reakcję rozpadu cząsteczek ozonu. Dlatego wiele krajów zakazało już używania freonów do rozpylaczy i zaleciło ograniczenie jego stosowania w chłodnictwie. W aerozolach freon może być z powodzeniem zastąpiony przez butan (używany w zapalniczkach), natomiast zastąpienie go w przemyśle chłodniczym to już dużo trudniejszy problem. Warstwa ozonu ma największą koncentrację nad biegunami i w okresie wczesnej wiosny. Stężenie ozonu podaje się w dobsonach - na cześć uczonego, który badał ozon. Z badań prowadzonych w Obserwatorium Geofizycznym w Belsku (pod Warszawą) wynika, że w porównaniu z wynikami stężenia ozonu w tych okolicach od roku 1979 zmniejszyła się ona od 438 dobsonów do zaledwie 193 w roku 1992. Warstwa ochronna staje się więc coraz cieńsza.
Globalnie: fluor wykorzystuje się przede wszystkim do otrzymywania fluorowanych związków organicznych. Duże zastosowanie ma teflon (polimer tetrafluoroetylenu) i freony. Fluor używa się także do produkcji fluorku uranu, wykorzystywanego w technice jądrowej. W postaci florowodoru jest używany do trawienia szkła, porcelany i innych krzemianów, w postaci kriolitu - do produkcji aluminium, emalii, szkła mlecznego, w postaci fluorytu - w hutnictwie ( topnik ),w przemyśle optycznym, stomatologicznym do zwalczania próchnicy zębów, w postaci fluorku sodowego NaF - do zwalczania szkodników, w postaci fluorku boru BF3 oraz HF jako katalizator, a w postaci fluorokrzemianów Me2SiF6 jako środek dezynfekcyjny w browarnictwie.
Dla naszego zdrowia najważniejsza jest informacja, że fluor w bardzo małych stężeniach jest niezbędny do prawidłowego budowania kości i zębów, w skład których wchodzi apatyt. Istotne jest zwłaszcza przyswajanie fluoru przez młode organizmy w okresie kształtowania się kośćca i zębów.
W wielu krajach poważnym problemem jest próchnica - choroba zębów. Pojawia się w wyniku działania obecnych w jamie ustnej bakterii, które już w kilka godzin po umyciu zębów tworzą tzw. płytkę nazębną. Bakterie płytki nazębnej przetwarzają ślady obecnych w jamie ustnej cukrów na kwasy. Spadek poziomu pH poniżej 5 staje się niebezpieczny dla szkliwa zębów. Odpowiedni poziom fluoru w organizmie zwiększa odporność szkliwa zębów na rozpuszczanie w kwasach i przeciwdziała osadzaniu się bakterii na powierzchni zębów.
Organizm przyswaja fluor głównie z wodą pitną, ale zawarty w niej poziom jest często niewystarczający. Dlatego na całym świecie fluorkuje się wodę, dodając do niej fluorokrzemian sodu Na2SiF6 lub fluorek sodu NaF. W Polsce robi się to tylko w kilkunastu miastach wojewódzkich.
Innym sposobem zapobiegania próchnicy jest fluoryzowanie zębów dzieci w szkołach podstawowych za pomocą żelów zawierających związki fluoru. Należy również myć zęby pastami zawierającymi związki fluoru (NaF, SnF2 i fluoroamina).
Z drugiej strony: fluor charakteryzuje się bardzo wysoką toksycznością. Wolny pierwiastek jest bardzo agresywny w stosunku do komórek ciała. Powyżej dawki dziennej 0,15mg jest silnie trujący. Zatrucia występują w hutach aluminium, fabrykach nawozów sztucznych i kopalniach apatytu.
Fluorek amonowy NH4F - biała substancja krystaliczna o silnym zapachu amoniaku, w temperaturze 40C rozkłada się , wydzielając amoniak i przechodząc w kwaśny fluorek amonowy; również w roztworze wodnym rozkłada się. Otrzymywany przez reakcję wodorotlenku amonowego i kwasu fluorowodorowego i następnie krystalizację. Stosowany w analizie chemicznej, metalurgii, galwanotechnice i do trawienia szkła.
Fluorek sodowy NaF - biały krystaliczny proszek, topnieje w temperaturze 988C, temperatura wrzenia 1700C, słabo rozpuszczalny w wodzie. Otrzymywany przez wprowadzenie fluorowodoru do roztworu wodorotlenku sodowego lub węglanu sodowego. Stosowany do impregnowania drewna, jako środek bakteriobójczy w przemyśle fermentacyjnym.
Fluorek wapniowy CaF2 - bezpieczna substancja krystaliczna. Temperatura topnienia 1403C, temperatura wrzenia 2500C, trudno rozpuszczalny w wodzie. Występuje w przyrodzie w minerale fluorycie. Otrzymywany przez działanie kwasem fluorowodorowym na węglan wapniowy. Stosowany do otrzymywania fluorowodoru, do trawienia szkła, jako składnik emalii.
Fluor jest często występującym pierwiastkiem w przyrodzie. Występuje głównie w postaci minerałów: fluorytu CaF2, apatytu Ca5(PO)4*3(OH,F) i kriolitu Na3AlF6. Zajmuje on pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej 15 miejsce (procenty wagowe).

Chlor
· Nazwa pierwiastka pochodzi od greckiego chloros - zielonożółty
· Chlor otrzymał Karl Wilhelm Scheele w 1774 r., jako pierwiastek zidentyfikował go sir Humphry Davy w 1810 r.
· Zielonożółty, drażniący gaz
Chlor to gaz, którego zapach zna każdy, kto używa chlorku bielącego lub korzysta z basenu kapięlowego. W więszkym stężeniu chlor działa na człowieka zabójczo. Był stosowany jako gaz bojowy podczas I wojny światowej.
Obecnie chlor jest stosowany jako środek bielący i bakteriobójczy, znajduje również zastosowanie w produkcji wielu związków i tworzyw sztucznych. Niewiele pierwiastków wiąże się z metalami równie łatwo jak chlor.
Chlor należy do flurowców.
Jako fluorowiec, chlor jest bardzo reaktywny i tworzy z prawie wszystkimi metalami związki na stopniu utlenienia -I. Podobnie jak inne fluorowce, wolny chlor tworzy dwuatomową cząsteczkę Cl2.
Chlor jest niemetalem, stanowiącym w temperaturze pokojowej zielonożółty, silnie korodujący gaz.
W laboratorium można otrzymać niewielkie ilości chloru przez utlenienie jonów Cl- w roztworze kwaśnym. Najprostsza metoda polega na zmieszaniu kwasu solnego (HCl) z dwutlenkiem manganu (MnO2).
MnO2 + 4HCl ---> MnCl2 + 2H2O + Cl2

Brom
Z greckiego bromum - cuchnący. Pierwiastek chemiczny o charakterystycznym ostrym zapachu. Należy do grupy fluorowców; czerwonobrunatna, lotna ciecz; miesza się z wodą i rozpuszczalnikami organicznymi; niemetal; bardzo aktywny chemicznie, reaguje bezpośrednio z większością metali i niektórymi niemetalami oraz organicznymi związkami zawierającymi wiązania nienasycone.
Występuje w stanie związanym w wodzie morskiej, w skorupie ziemskiej (jako bromokarnalit i bromosylwinit w pokładach soli kamiennej i potasowej) oraz w organizmach roślinnych, zwierzęcych (zwłaszcza morskich). Stosowany w produkcji barwników, leków, środków dezynfekcyjnych. Szeroko są stosowane sole kwasu bromowodorowego - bromki. Brom działa trująco i parząco -- wchodzi w skład niektórych bojowych środków trujących. Roztwór wodny bromu, np. woda bromowa, jest używany w laboratoriach chemicznych jako utleniacz (zamiast czystego bromu). Brom odkrył w 1826 Antoine Jerome Balard.
Brom jest bardzo aktywny chemicznie. Nie tworzy związków tylko z tlenem i helowcami. Reakcje z pozostałymi pierwiastkami często przebiegają gwałtownie (z potasem, arsenem, fosforem i siarką). Szczególnie łatwo brom reaguje ze sproszkowanymi metalami. Po zainicjalizowaniu reakcji łączy się on z wodorem tworząc bromowodór HBr. Brom ma silne właściwości utleniające (mniejsze niż chlor), utlenia jodki do wolnego jodu.
Brom na skalę przemysłową otrzymuje się z wody morskiej. Poddaje się ją działaniu chloru, który utlenia bromki do wolnego bromu. Tak otrzymany brom wydmuchuje się strumieniami powietrza i zagęszcza przez pochłonięcie w roztworze węglanu sodu. Po zakwaszeniu tego roztworu znowu wydziela się brom, który usuwa się przez destylację.
Wolny brom można też otrzymać przez elektrolizę roztworu bromku magnezu. Wtedy brom wydziela się na anodzie.
Brom nie jest często występującym pierwiastkiem w przyrodzie i nie występuje w stanie wolnym. Występuje głównie w postaci bromków: bromku sodu NaBr i potasu KBr. Zajmuje on pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej 53 miejsce (procenty wagowe).

Astat
Ten reaktywny fluorowiec został po raz pierwszy wyizolowany przez francuskiego wytwórcę saletry Bernarda Curtois w 1811 roku. Odkrycie to zostało potwierdzone przez dwóch francuskich chemików: Charlesa Desormes i Nicholasa Clementa. Jego właściwości zbadał w 1813 roku inny znany francuski chemik Joseph Louis Gay-Lussac. On też nadał pierwiastkowi nazwę.
Jod, w odróżnieniu od innch fluorowców, jest ciałem stałym w pokojowej temperaturze. Jest połyskliwą, niebiesko-czarną substancją sublimującą po podgrzaniu i dającą fioletowe opary o drażniącym zapachu. Opary te łatwo można zestalić w procesie resublimacji na chłodnej powierzchni. W czystej postaci jod jest trujący. W naturze występuje tylko jeden trwały jego izotop. Jest, tak jak inne flurowce, bardzo reaktywny. Słabo rozpuszcza się w wodzie, ale jest dobrze rozpuszczalny w wodnym roztworze jodku potasu (KI). Rozpuszcza się także w alkoholach, chloroformie i innych organicznych rozpuszczalnikach. Tworzy bogatą rodzinę związków, w których występuje na wielu stopniach utlenienia. Najchętniej reaguje z metalami tworząc jodki, z niemetalami reakcje przebiegeją wolniej.
Nazwa pochodzi od greckiego słowa iodes - fiolet.
Jod jest stosunkowo słabo rozpowszechnionym pierwiastkiem. Woda morska zawiera duże jego ilości. Znaczne ilości jodu występują w tkankach roślin morskich - brunatnic. Na lądzie jego duże ilości występują m.in. w Chile, towarzysząc saletrze chilijskiej.
Pod względem występowania w wierzchniej warstwie skorupy ziemskiej (litosfera, hydrosfera, atmosfera) zajmuje ok. 68 mejsca (procenty wagowe).
Otrzymywany jest głównie jako produkt uboczny oczyszczania saletry chilijskiej.
Jod to ważny mikroelement naszych organizmów, w których występuje jako składnik hormonów (hormon wzrostu). Brak jodu powoduje zaburzenia wzrostu i działalności tarczycy. W medycynie jod i jego alkoholowe roztowry (jodyna) wykorzystuje się do dezynfekcji. Używany jest także w fotografice i do produkcji barwników. Izotopy promieniotwórcze jodu znalazły zastosowanie w nauce, szczególnie w medycynie. Związki tego pierwiastka stosowane są także jako silne utleniacze.
Astat został odkryty przez D.R.Corson, K.R.MacKenzie, E.Segre w Stanach Zjednoczonych w 1940 roku. Jego nazwa pochodzi od greckiego astatos - niestabilny.
Astat jest promieniotwórczym niemetalem. Nie występuje w przyrodzie, został otrzymany sztucznie z bizmutu. Nie posiada żadnego stabilnego izotopu.

Właściwości chemiczne astatu są podobne do właściwości pozostałych fluorowców. W stanie wolnym jest lotny i łatwo rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych. Tworzy jony At- oraz jony, w których występuje na dodatnich stopniach utlenienia: AtO- i AtO3-.
Astat otrzymano przez bombardowanie w cyklotronie izotopu bizmutu 20983Bi rozpędzonymi cząstkami. Astat to pierwiastek otrzymany sztucznie - nie występuje w naturze.
Astat ze względu na krótkie okresy półtrwania najbardziej stabilnych izotopów (do 8.5 godziny) do tej pory nie znalazł zastosowań.