Фтор
Если вас когда-нибудь спросят о том, какое из химических веществ самое активное, то можете смело отвечать, что это фтор. В атмосфере фтора сгорают металлы, жидкий фтор прожигает бетон, фтор может даже сжечь воду и окислить кислород! Не прореагировать с фтором можно только в двух случаях: если вы уже с ним прореагировали или если вы – один из трёх инертных газов: гелий, неон или аргон. Со всеми остальными веществами, неважно, простыми или сложными, органическими или неорганическими фтор непременно вступит в химическую реакцию. В противоположность агрессивному ко всему фтору, среди его соединений, то есть веществ, уже повстречавших на своём пути фтор, можно найти одни из самых химически инертных материалов. Сегодня будем разбирать этот противоречивый элемент с порядковым номером девять.
Одно из соединений фтора – фтористоводородная или плавиковая кислота используется для художественного травления стекла. Фото: stainedglassartist/Flickr.com CC BY-ND 2.0
Свой строптивый нрав фтор начал проявлять ещё задолго до того, как учёные смогли выделить его в виде чистого вещества. В 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле экспериментировал с минералом под названием плавиковый шпат, обрабатывая его серной кислотой. Получившееся вещество оказалось настолько активным, что разъело даже стеклянные колбы. Шееле справедливо решил, что ему удалось выделить неизвестную ранее кислоту, которую он назвал плавиковой по названию минерала. О том, что это была фтористоводородная кислота, исследователь на тот момент не знал, к тому же до получения настоящего газообразного фтора оставалось ещё долгих 76 лет.
Жидкий фтор при температуре -196 °C. Фото: Prof. Dr. Sebastian Riedel/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0
Кстати, вы знаете, почему минерал флюорит называют плавиковым шпатом, фтор в английском языке называется «флюорин», и какая связь у всего этого с флюорографией? Запутались? Всё довольно просто. Минерал флюорит, который состоит из фторида кальция, издавна добавляли в железную руду, чтобы расплавить её при более низкой температуре – так и сталь проще плавится и угля в печи меньше загружать, в общем, одна экономия. Отсюда и берётся эта приставка «флюо», что на латинском языке имеет значение «течение». Поэтому и минерал – флюорит и шпат – плавиковый. А что же такое шпат? Возможно, вы слышали такое загадочное словосочетание «полевые шпаты» – так называют разнообразные минералы, обладающие одним характерным свойством: они раскалываются на обломки, по форме напоминающие бруски или кирпичики. С ними и связано слово «шпат», имеющее немецкие корни, поэтому полевой шпат, облегчающий выплавку железа и стал называться плавиковым шпатом.
Кристалл флюорита. Фото: Parent Géry/Wikimedia Commons
А как же флюорография, ведь в кабинете с одноимённым названием ваши лёгкие вступают в контакт исключительно лишь с рентгеновскими лучами, а вовсе не с плавиковыми шпатами или что того хуже – с фтором. Всё дело в том, что для получения изображения лёгких используется фотоснимок специального флюоресцирующего экрана, который в реальном времени превращает невидимые рентгеновские лучи в видимый свет. Само же явление флюоресценции было впервые обнаружено у знакомого нам плавикового шпата – флюорита. Вот такое непростое хитросплетение минералов, химических элементов и медицинской диагностики.
Флюоресценция флюорита в ультрафиолетовых лучах. Фото: James St. John/Flickr.com CC BY 2.0
От этимологических экскурсов перейдём поближе к химии фтора. Для начала возьмём всё тот же плавиковый шпат и заглушим с его помощью стекло. К закладыванию оконных проёмов кирпичиками пусть даже из плавикового шпата глушение стекла не имеет ничего общего – глушением называется процесс получения цветного непрозрачного стекла или смальты. Чтобы получить смальту, к обычному стеклу добавляют соединения фтора – фториды, среди которых есть и фторид кальция или флюорит. В отличие от цветного, но прозрачного стекла, из которого делают витражи, глушеное стекло содержит множество мельчайших кристалликов размером меньше одного микрона. Эти кристаллики прозрачны, но их показатель преломления отличается от окружающего их материала, в результате свет, проходя через такое стекло, многократно и хаотично преломляется и, попросту говоря, запутывается. Разглядеть предметы сквозь такое стекло уже точно не получится. Зато мозаики из смальты получаются превосходные, с глубокими и разнообразными цветами.
Мозаика из цветного непрозрачного стекла. Фото: Michele Truex/Flickr.com CC BY-NC 2.0
У фтора и стекла есть ещё одна тесная связь. Помните, когда Карл Шееле впервые выделил плавиковую кислоту, она разъела ему всю стеклянную посуду? Оказывается этой агрессивной способности фтористоводородной кислоты можно придумать полезное применение и даже не одно. Само травление стекла с помощью плавиковой кислоты было известно довольно давно, однако в ранг искусства этот процесс перевёл Эмиль Галле, знаменитый французский художник эпохи модерна. Широкую славу ему принесла особая техника травления плавиковой кислотой по многослойному стеклу, за счёт которой мастер добивался тончайших цветовых переходов. Тем же, кто не смог достичь художественных высот Галле, осталось лишь рутинно наносить на изделия из стекла различные маркировки вроде ГОСТов или залечивать поцарапанные стеклянные поверхности.
Ваза «Дождь в пруду оставляет пузырьки», Эмиль Галле 1889. Фото: Alexandre Prévot/Flickr.com CC BY-SA 2.0
Если в нашем доме не расположилась стекольная мастерская или минералогический музей, то у нас всё равно есть хорошие шансы найти интересные соединения фтора. Для начала подойдём к зеркалу и улыбнёмся – так мы «увидим» фтор, который содержится в зубной эмали в виде фторапатита. Фторапатит – это производная вещества с названием гидроксиапатит, который в свою очередь составляет основу твёрдых тканей организма: костей и зубов. Однако химический состав такого апатита непостоянен, отдельные химические «кирпичики» вещества могут замещаться другими элементами. Например, ионы фтора превращают часть гидроксиапатита в фторапатит, попутно увеличивая прочность и химическую стойкость зубной эмали. Если же на гидроксиапатит действует кислота, которую, например, производят бактерии, обитающие в ротовой полости, то он может постепенно растворяться, а тут и до кариеса совсем недалеко. Именно поэтому в состав зубной пасты добавляют соединения фтора.
Производители зубных паст часто добавляют в их состав соединения фтора. Фото: Peter Gibson/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Но любое химическое вмешательство в дела биохимические это, как известно, палка о двух концах. С одной стороны, фтор укрепляет зубы и защищает от кариеса, а с другой стороны избыток фтора в организме приводит к неприятному заболеванию – флюорозу. Существует ещё одно мнение, что неправильно рассматривать зубы лишь с «простой» химической точки зрения, и для объяснения зубных болезней необходимо рассматривать зуб как полноценный и сложный орган. Кстати, обладатели одних из самых крепких зубов – бобры, весьма оригинально решили проблему химической стойкости своего рабочего инструмента. В составе их зубной эмали оказалось очень много соединений железа, за счёт которых достигается феноменальная прочность, а сопутствующий этому жёлтый цвет резцов у бобра – лишь показатель здоровья зубов этих талантливых строителей плотин.
Канадский бобр (Castor canadensis). Фото: Ralph Arvesen/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Дальше в поисках «домашнего» фтора нам следует пройти на кухню и взять в руки сковородку или кастрюлю с антипригарным покрытием. С большой вероятностью это покрытие будет изготовлено из материала, известного как тефлон. Хотя справедливости ради, нужно сказать, что тефлон – это название товарной марки, под которой компания DuPont выпускала и выпускает полимерное соединение с названием политетрафторэтилен. Тефлон постигла та же участь, как в своё время аспирин и вазелин – товарные названия настолько приросли к самому продукту, что их стали повсеместно использовать, уже не глядя на фирму-производителя. Но что-то мы отошли от химии в сторону юриспруденции, поэтому вернёмся назад к тефлону. По сути это полимер, который состоит всего из двух типов атомов: углерода и фтора. Их химический союз оказался настолько прочным, что его не могут разрушить ни сильные кислоты, ни органические растворители, и даже самому фтору не так просто подступиться к этому веществу. Вдобавок этот материал остаётся твёрдым при температурах, при которых другие полимеры уже давно превратились бы в жидкость, он не смачивается ни водой, ни жирами, отлично изолирует электрические проводники и имеет низкое трение – перечислять его достоинства можно ещё очень долго.
На тефлоновой поверхности одинаково неуютно чувствуют себя и капли воды и капельки масла. Фото: Thomas/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Есть у тефлона и один недостаток, который, правда, можно считать логичным продолжением его неоспоримых достоинств. С этим материалом чрезвычайно сложно работать: его нельзя покрасить и к нему практически невозможно что-нибудь приклеить. Поэтому, чтобы нанести тефлоновое покрытие на сковородку, нужно или наплавить полимер на шершавую металлическую поверхность, либо химически модифицировать сам тефлон, оторвав от него некоторые атомы фтора и заменив их на более активные химические группы. Недавно был предложен ещё один нестандартный способ соединения тефлона с другими полимерами – плазменная обработка поверхности. Взаимодействие с плазмой делает тефлон благосклонным к образованию связей с силиконовым полимерным материалом.
Один из видов плазмы – коронный разряд, который возникает при резких неоднородностях электрического поля. На фото: коронный разряд на экране высоковольтной линии. Фото: Nitromethane/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Удивительные свойства соединений фтора с углеродом совсем не заканчиваются на тефлоне. Одни из самых интересных веществ, содержащих в своём составе фтор, это перфторированные жидкости. Они, как и все органические соединения, «насыщенные» фтором, весьма неохотно вступают во взаимодействие с другими веществами. А это значит, что такая молекула, попав в организм, не будет вступать в химические реакции, нарушать работу ферментов или вмешиваться в биохимические процессы. Так какой же тогда от неё может быть прок? Оказалось, что у таких жидкостей есть одно важное свойство – они хорошо растворяют кислород. Настолько хорошо, что когда исследователи поместили в насыщенную кислородом перфторированную жидкость крысу, она смогла дышать «под водой» целых 10 минут. Кстати говоря, впервые такие опыты были сделаны почти полвека назад, что однако, не мешает и в наше время показывать эффектные эксперименты, особенно если взять животное покрупнее мыши, например, таксу. Что до серьёзного использования, то на основе подобных жидкостей были созданы и успешно использованы на практике искусственные заменители крови: японский «Флюозол» и российский «Перфторан».
Таксам всё-таки лучше плавать в воде, а не в перфторированных жидкостях. Фото: Four Doxn/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
От жидких соединений фтора и углерода перейдём к соединениям газообразным, таким как гексафторид серы, известный ещё как электрический газ или просто элегаз. Впервые это вещество выделил французский химик Анри Муассан, тот самый, который впервые смог получить газообразный фтор. Как и соединения углерода и фтора элегаз тоже весьма инертное вещество, однако своё электрическое название гексафторид серы получил не за химические, а за свои уникальные физические свойства. Он отличный изолятор, неплохо гасит электрические разряды и к тому же способен очень сильно увеличивать свой объём при нагреве. Это свойство очень полезно при охлаждении электрических устройств: нагретая поверхность создаёт мощную циркуляцию элегаза, который за счёт этого эффективно отводит тепло.
Элегазовые трансформаторы тока ТГФМ-110 на станции Похвистнево, Самарская область. Фото: Vivan755/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Фтору могут быть благодарны не только электрики за элегаз, но и антропологи за помощь в разоблачении грандиозной мистификации. В 1912 году научный мир облетела сенсация: в местечке с названием Пилтдаун, что находится в графстве на юге Англии, обнаружены окаменелые останки вида, который посчитали недостающим звеном на пути эволюции от обезьяны к современному человеку. Это была настолько долгожданная находка, что даже некоторые противоречия в анатомическом строении останков долгое время не смущали большинство учёных. Хотя по мере накопления знаний об эволюционном развитии скелета человека, всё яснее становилось, что «пилтдаунский человек» - это самая настоящая фальшивка. Точку в деле человека из Пилтдауна помог поставить фтор, вернее фторный анализ возраста окаменелостей. Дело в том, что кости, долгое время пролежавшие в земле, обогащаются фтором из почвенных вод. Поэтому чем древнее кости, тем больше в них должно быть фтора. В итоге «пилтдаунский человек» оказался вовсе не из далёкого плейстоцена, а из относительно близкого средневековья. К тому же и человеком назвать его было можно лишь с натяжкой: нижнюю челюсть мистификаторы взяли у орангутана и для пущей убедительности просто подпилили её до нужных размеров.
Нижняя челюсть «пилтдаунского человека» когда-то принадлежала орангутану. Фото: David Wynia/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Напоследок расскажем одну химическую историю из разряда «невозможное возможно», с помощью фтора, конечно же. В периодической системе Менделеева существует группа элементов, которую называют инертные или благородные газы. Их инертность и благородство заключается в том, что они не вступают ни в какие химические реакции, по крайней мере, так считали все химики до 1962 года. Что же случилось в этом уже далёком от нас году? Американский химик Нил Бартлетт решил проверить, что будет, если попытаться провести реакцию между инертным газом ксеноном и одним из самых сильных окислителей – гексафторидом платины. Если бы опыт не удался, то в этом не было бы ничего удивительного. Однако в действительности в ходе эксперимента получились жёлтые кристаллы, озадачившие сначала самого Бартлетта, а потом и всё химическое сообщество. Получение соединения благородного газа для химика – это почти то же самое, что для математика получить результат от деления числа на ноль. Успех Нила Бартлетта в синтезе соединений ксенона, платины и фтора распространился в дальнейшем и на другие инертные газы. Хотя троице газов удалось сохранить своё благородство – гелий, неон и аргон всё ещё отказываются образовывать с фтором настоящие химические соединения. Впрочем, это не помешало получить интересное соединение гелия с натрием.
Кристаллы дифторида ксенона XeF2. Фото: Andif1/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
Конечно, история фтора на этом не заканчивается, потому что просто невозможно охватить всю информацию об этом чрезвычайно интересном элементе. Фтор может представать в совершенно разных обличиях: от разрушающего и ядовитого газа, до инертного твёрдого тефлона и спасительного жидкого перфторана. Даже в разных языках его называют по-разному. Вот такое сосредоточение противоречий в одном элементе.
