118 элементов. Глава 9. Элемент-убийца

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 простого вещества при стандартных условиях: 1.696 г/л

Число стабильных изотопов: 1

Кристаллическая решётка: кубическая

История элемента номер девять во многом драматична. По подсчетам историков науки, как минимум 19 ученых погибли или сильно пострадали при попытках получить чистый фтор (достаточно вспомнить ирландских химиков Томаса и Георга Нокса, пытавшихся выделить фтор из фторидов свинца и серебра. Томас погиб, а Георг остался инвалидом).

Открытие фтора как элемента связано с минералом флюоритом. 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». Дело в том, что минерал оказался относительно легкоплавким (температура плавления – 1360 градусов Цельсия).

Кристалл флюорита

В 1768 году берлинский химик Андреас Сигизмунд Маргграф и независимо в 1771 году швед Карл Шееле, обрабатывая флюорит серной кислотой, получил другую кислоту, растворявшую стекло. Ее так и назвали — плавиковая кислота, не потому, что «плавит» стекло, а потому, что она получается из плавикового шпата. 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 в английском языке похожее до путаницы название имеет флуорен – полициклический углеводород, название которого обусловлено присущей этому соединению флуоресценции).

Андреас Сигизмунд Маргграф

Но приоритет открытия фтора как элемента часто отдают физику Андре-Мари Амперу (тому самому, в честь которого назван ампер), который в 1810 году указал, 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 же 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.

Победу смог одержать француз Анри Муассан, который удачно женился и был обеспечен в средствах. Благодаря этому он мог потратить годы на решение проблемы, которая оказалась 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 реакционноспособен, что реагировал сразу со всеми окружающими материалами, включая стекло и резину.

Муассан решил изготовить химическую посуду из флюорита и проводить в ней электролиз жидкого чистого фтороводорода, охлажденного до отрицательных температур при помощи платино-иридиевых 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 Калоян Манолов 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 Муассан 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 начала производить фтор с производительностью пять литров в час.

Воздух (1), фтор (2), хлор (3). Зарисовка Муассана

Практически сразу 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, образуя фторид кислорода, а не оксид фтора!

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, сильно заниженная оценка: он прожил всего 54 года. Пусть и получил в 1906 году Нобелевскую премию, обойдя Дмитрия Менделеева, которого, по некоторым версиям «отложили» на 1907 год, чтобы успеть вручить ее сильно больному Муассану. Увы, в 1907 году скончался и сам Муассан, и Менделеев (и еще один номинант 1906 года – великий Марселен Бертло)…

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 бинарные соединения фтора вообще очень интересны и сделали много прорывов в химии. При этом некоторые фториды из них обладают крайне необычными физико-химическими свойствами.

Выше мы писали об очень летучем гексафториде урана. А вот фторид вольфрама WF₆ – вообще газ при нормальных условиях (его плотность – 13 граммов на литр, что в 11 раз тяжелее воздуха), фториды рения и молибдена –жидкости, а рений – единственный из металлов, образующих гептафторид!

Гептафторид рения

Кроме того, фтор стал элементом, «распечатавшим» инертность благородные газы – фториды ксенона стали первыми их соединениями.

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

Человечество использует очень много интересных и необычных фторорганических соединений. Несколько десятилетий назад очень много говорили о фреонах (фторзамещенных предельных углеводородах), который используется как хладагент в холодильниках, предположительно ответственных за образование «озоновой дыры». Нужно вспомнить и о тефлоне, за него пусть скажут «спасибо» все домохозяйки, пользующиеся посудой с соответствующим покрытием. Но даже если исключить эти две огромные группы веществ, то можно вспомнить уникальный плотный перфторгептан (он тяжелее воды в 1,7 раза), 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 входит в состав смеси, известной нам под торговым названием «Перфторан». Это – отечественный кровезаменитель с функцией переноса кислорода. Или фторотан (C_₂HBrClF_₃) – прекрасный препарат для наркоза.

Перфтордекалин

Вообще, нужно сказать, что 20% всех современных фармацевтических препаратов так или иначе содержат фтор. 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. Для этого требуется короткоживущий изотоп, который распадается по механизму бета(+)-распада, испуская открытый в 1932 году в космических лучах позитрон, античастицу к электрону. Далее синтезируют органическую молекулу, меченную атомом этого изотопа – так называемый радиофармпрепарат (РФП), который вводится в организм. В организме происходит распад атома, и позитрон, столкнувшись с первым же атомом на своем пути, взаимодействует с электроном. Они аннигилируют, испуская два высокоэнергетических фотона – гамма-кванта.

ПЭТ головного мозга

В ПЭТ-томографе, как и во всех томографах, пациент помещается внутрь. Однако в «трубе» ПЭТ располагаются не магниты и не рентгеновский источник, как в МРТ или КТ, а особые сцинциляционные датчики, сейчас их делают на основе силиката лютеция. Когда в них попадает гамма-квант, в кристаллах возникает свечение, которое фиксирует фотоэлектронный умножитель. По тому, какие детекторы «включились», можно установить, из какой точки анализируемого образца вылетели те самые два гамма-кванта.

В нейровизуализации в качестве биологически активного соединения чаще всего выбирают глюкозу, которую и метят изотопом фтор-18, атомом которого замещают одну из групп -ОН. Наш мозг весит всего два процента от 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 мозгу. Используется ПЭТ и при диагностике болезни Паркинсона, и тогда синтезируется радиофармпрепарат на основе леводопы. Тоже с ¹⁸F.

Фтордезоксиглюкоза

Из кристаллов флюорита, формула которого CaF₂, и с которого мы начали свой рассказ, вытачивают высококачественные линзы для самых дорогих фото- и кинообъективов.

Ну и конечно же, нельзя не вспомнить зубную пасту «со фтором» (еще бывает «с кальцием»). Правда, если бы в зубной пасте были бы элементарные фтор и кальций, тоона бы взрывалась уже в тюбике. 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 заработать 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

Следите за нашими публикациями в наших пабликах в VK, Телеграм, Дзен и ЖЖ.

Материал подготовлен ИОНХ РАН для проекта «Виртуальный музей химии: продолжение осмотра» при грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Проект выполняется в рамках Десятилетия науки и технологий