Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

В поисках неуловимого фтора

Елена Субботина, Максим Бороноев

Девятый элемент таблицы Менделеева — фтор — наряду с хлором, бромом, йодом и астатом относится к галогенам. Все галогены — активные окислители. Фтор среди них самый агрессивный, поэтому встречается в природе только в виде соединений. Его взаимодействие с другими веществами часто сопровождается воспламенением и даже взрывом. Химики разных стран упорно пытались получить фтор в чистом виде, но это оказалось одной из самых трудных экспериментальных задач за всю историю химии.

Карл Вильгельм Шееле.
Анри Муассан в своей лаборатории проводит эксперимент по получению фтора. В созданном им аппарате два электрода (катод и анод), выполненные из платины, находятся в U-образной трубке, куда залита смесь HF и KF. Прибор помещён в сосуд для охлаждения. При пропускании тока на аноде выделяется фтор, а на катоде водород.
При криогенных температурах (ниже 120К, или –153°С)фтор представляет собой жёлтую жидкость, а при нормальных условиях — бесцветный газ; в толстых слоях он становится зеленовато-жёлтым.
Луи Жак Тенар.
Жозеф Луи Гей-Люссак.
Андре-Мари Ампер.

Первый шаг к открытию фтора сделал в 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742—1786). Он знаменит тем, что открыл молибден, барий, хлор, определил в составе воздуха кислород и азот, разработал технологию производства фосфора… Изучая свойства плавикового шпата*, Шееле обнаружил, что при взаимодействии этого минерала с серной кислотой выделяется чрезвычайно активное вещество, способное разъедать всё, с чем вступает в контакт, даже стенки стеклянной лабораторной колбы. В процессе экспериментов Шееле пришёл к выводу, что полученное соединение представляет собой кислоту, впоследствии названную им «плавиковой» (по названию минерала, из которого он её получил).

Выделить плавиковую кислоту в чистом виде удалось в 1810 году двум французским химикам, Жозефу Луи Гей-Люссаку (1778—1850) и Луи Жаку Тенару (1777—1857). Они сделали это путём перегонки плавикового шпата с серной кислотой в свинцовой или серебряной реторте. Во время эксперимента оба учёных получили серьёзные ожоги и отравления. О том, что плавиковая, или, что то же самое, фтороводородная, кислота содержит в своём составе доселе не известный химический элемент — фтор, ни они, ни тем более Шееле даже не догадывались. В свободном виде элемент фтор был получен лишь 76 лет спустя.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Первыми жертвами фтора стали два члена Ирландской академии наук, братья Томас и Георг Нокс (Томас погиб от отравления фтороводородом, а Георг стал инвалидом). Список пострадавших пополнили бельгийский химик Полин Лайет, первооткрыватель веселящего газа Гемфри Дэви, французские химики Джером Никлес, Эдмонд Фреми, Антуан Лавуазье, английский электрохимик Георг Гор и многие другие.

Памятуя о трагических событиях, связанных с открытием нового элемента, французский физик и математик Андре-Мари Ампер (1775—1836), сделавший массу выдающихся открытий, среди которых закон взаимодействия между электрическими токами — закон Ампера, предложил назвать его фтором (от греческого φθόΩος — разрушение, порча, вред). Однако закрепилось такое название только в среде русских химиков, во всех других странах прижилось другое — флюор.

Покорить своенравный элемент удалось выдающемуся экспериментатору, французскому химику Анри Муассану (1852—1907). Муассан родился в Тулузе. Семья была небогата, и Анри, с детства проявлявший склонность к наукам, довольно долгое время не занимался ими всерьёз, считая это дело неприбыльным. Он собирался работать в промышленности, мечтал открыть свою маленькую фабрику.

Анри поступил в гимназию небольшого французского городка Мо, но в 1870 году, проучившись пять лет, оставил её, не пройдя «университетский класс», необходимый для поступления в университет. Муассан переехал в Париж, где устроился работать в аптеку. Вскоре молодому человеку представился случай проявить себя. Однажды в аптеку вбежал крайне взволнованный человек, кричавший, что по ошибке проглотил мышьяк. Аптекарь сказал, что, к сожалению, помочь ничем не может, однако Анри предложил попробовать тартратусэметикус (тартрат сурьмы и калия) — средство, вызывающее рвоту. Пациент им воспользовался, и его удалось спасти.

После этого случая Анри решил изучать химию. Он работал в лаборатории Эдмона Фреми, где и заинтересовался фтором. Выяснив, что элемент, который он пытается получить, мгновенно реагирует со всем, с чем вступает в контакт, Анри начал изучать свойства веществ, содержащих фтор. Однако вскоре его переманил профессор Высшей политехнической школы в Париже Пьер Поль Дихерен. К этому времени Муассан закончил Сорбонну. У Дихерена он занялся изучением физиологии растений. Только по
прошествии десяти лет, в середине 1880-х, Муассан вернулся к исследованию фтора, когда получил место в аналитической лаборатории в своём родном городе Мо.

В первой попытке получить фтор в чистом виде Муассан использовал следующую схему: он нагревал смесь фторида свинца (PbF2) и фосфида меди (Cu3P), в результате чего, видимо, получал фторид фосфора (в настоящее время эта довольно редкая реакция получения фторида фосфора не применяется). Муассан считал, что при нагревании фторида фосфора в присутствии кислорода фосфор должен давать оксид, а фтор выделяться в свободном виде.

Для проведения эксперимента нужно было подобрать подходящие условия. Анри поместил в U-образную трубку губчатую платину и нагрел её. Через трубку он пропустил фторид фосфора. Трубка сильно разогрелась, но выделения фтора не произошло. Через некоторое время трубка лопнула — опыт не удался. Муассан провёл целую серию подобных экспериментов и пришёл к неутешительному выводу: если фтор и выделяется в свободном виде в ходе данных реакций, то при нагревании его и без того высокая реакционная способность повышается ещё больше. Тогда химик решил по-пробовать получить фтор без нагревания, а ещё лучше с охлаждением. Для этого вполне подходил электролиз — процесс, при котором через ячейку, содержащую растворённое вещество, пропускается электрический ток, в результате чего на электродах выделяются компоненты раствора.

Муассан решил подвергнуть электролизу какой-нибудь жидкий фторид. Его выбор пал на фторид мышьяка (AsF3). Но данное соединение не проводит электрический ток, что не даёт возможности осуществить электролиз. Тогда Анри попробовал добавить к фториду мышьяка фторид калия (KF) — эта смесь хорошо проводила электрический ток. Однако возникла новая проблема: катод очень быстро покрывался слоем выделяющегося мышьяка, и ток переставал идти через ячейку. Поняв это, Муассан решил работать с фтороводородом (HF), при охлаждении этот газ легко превращался в жидкость. Для улучшения проводимости к фтороводороду он добавил фторид калия.

26 июня 1886 года эксперимент начался. Муассан поместил смесь в платиновую U-образную трубку (в дальнейшем для удешевления процесса он использовал трубку из меди, так как поверхность трубки, покрытая слоем фторида меди, далее уже не реагировала с фтором и не требовала замены), охладил её до –50оС и пропустил через неё электрический ток. На аноде по-прежнему ничего не выделялось. Однако когда учёный достал пробку, закрывавшую анодный отсек, и увидел на ней белый налёт, он понял, что пробка разъедена фтором! Наконец стало понятно, что фтор можно получить электролизом. Оставалось только подобрать материал анода, который фтор не мог бы окислить. Муассан решил использовать в качестве анода флюорит (CaF2). Радости учёного не было предела, когда после очередного эксперимента на аноде начали выделяться пузырьки заветного газа.

После повторной и на этот раз успешной демонстрации своего опыта комиссии Французской академии наук (первая демонстрация окончилась неудачей, так как фтороводородная кислота, неоднократно используемая в предыдущих экспериментах, почти не содержала фторида калия и электрический ток в трубке не протекал) многоопытные эксперты признали выдающееся достижение Муассана. Он был удостоен высшей награды академии в виде премии в десять тысяч франков. В том же году он стал профессором токсикологии в Высшей фармацевтической школе. Дважды — в 1896 и 1902 годах — его избирали президентом Французского химического общества. В 1900 году Муассан стал кавалером ордена Почётного легиона, а вскоре и членом Французской академии наук, а также иностранным членом Петербургской академии наук, Лондонского королевского общества, Британского химического общества и многих других.

В 1906 году Анри Муассану была присуждена Нобелевская премия по химии «За получение элемента фтора и введение в лабораторную практику электрической печи, названной его именем». Представляя лауреата на церемонии награждения, представитель Нобелевского комитета И. П. Класон сказал: «Весь мир восхищён великим мастерством экспериментатора, с которым вы выделили и исследовали фтор… Вы сообщили мощный импульс миру технологии, и он ещё не реализован в полной мере».

Вскоре после возвращения из Стокгольма, 20 февраля 1907 года, Анри Муассан скончался, как считают, из-за острого аппендицита. Хотя не исключена вероятность того, что причиной его смерти стали эксперименты с фтором, ради открытия которого учёные-химики шли на подвиг и даже на смерть.

***

Фтор представляет собой двухатомный газ (формула F2) бледно-жёлтого цвета c резким запахом, напоминающим знакомый многим запах озона или хлора.

***

● Фтор входит в состав эмали зубов (в виде фторапатита Ca5(PO4)3F), поэтому его соединения добавляют в состав зубной пасты.

● Соединения фтора входят в состав оптических стёкол и тефлоновых покрытий.

● Некоторые фториды неметаллов применяют в ракетно-космической отрасли в качестве окислителей ракетного топлива и в атомной промышленности для разделения изотопов урана.

● Соединения фтора служат газообразным изолятором в электротехнике.

● Фторсодержащие полимеры — фторопласты — прекрасные диэлектрики, обладают высокой механической прочностью, стойкостью к действию агрессивных сред и другими привлекательными свойствами. Из них делают трубы, шланги, теплообменники, контейнеры, лабораторную посуду, протезы и многое другое.

Комментарии к статье

* Плавиковый шпат (СаF2) часто называют флюо-ритом — от латинского глагола fluo — течь. Объясняется это тем, что флюорит издавна использовали в качестве добавки к металлическим рудам, чтобы снизить их температуру плавления.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Из истории науки и техники»