Flo chính là một trong những nguyên tố hóa học có hoạt động mạnh nhất. Vì thế mà nó mang lại những mặt tích cực lẫn cả tiêu cực cho con người, vậy Nguyên tố flo là gì? Tính chất vật lý, tính chất hóa học cũng như ứng dụng và điều chế của nguyên tố Flo trong phòng thí nghiệm, trong cuộc sống như thế nào?
Khí Flo là gì?
Flo (tên tiếng anh: Flour) là một chất khí thuộc halogen, và có kí hiệu hóa học là F. Flo luôn có số oxi hóa là -1 trong mọi hợp chất. Đây là halogen nhẹ nhất và tồn tại ở dưới dạng chất khí rất độc, có màu vàng nhạt ở điều kiện tiêu chuẩn.
- Biểu tượng: F
- Khối lượng nguyên tử: 18,998403 u
- Điểm nóng chảy: -219,6 °C
- Độ âm điện: 3,98
- Bán kính Van der Waals: 147 pm
- Cấu hình điện tử: [He] 2s22p5
- Số nguyên tử: 9
Lịch sử ra đời của nguyên tố Flo
Lịch sử coi năm 1771 chính là năm tìm ra Flo. Khi nhà hoá học Thụy Điển Sile đã chưng hỗn hợp khoáng vật fluorit (CaF2) với axit H2SO4 , ông đã thu được một chất mới.
Lavoadiê còn gọi chất mới này là Axit fluoric, vì ông nghĩ rằng hợp chất này chứa oxi và là một nguyên tố chưa biết.
Tất nhiên Lavoadiê đã nhầm. Sau khi ông làm thí nghiệm đốt cháy lưu huỳnh, phốt pho (1772) rồi hoà tan chúng trong nước ông đều thu được axít. Từ đó ông tổng quát rằng hễ có axit là có oxi. Theo ông oxi có nghĩa là sẽ sinh ra axit.
Đến năm 1810, nhà hoá học Anh Đêvi (H.Davy) bằng phương pháp điện phân axit HCl thì ông đã tìm ra được clo và ông chứng minh được rằng axit này là một hợp chất của clo và hidro.
Tương tự như vậy ông cũng giả thiết rằng axit flohidric sẽ là một hợp chất của một nguyên tố mới chưa biết với hidro.
Đến năm 1816, tên gọi fluor đã được thay thế bằng flo, theo tiếng Hi lạp có nghĩa là sự huỷ hoại chết chóc.
Thật vậy lịch sử đã đi tìm ra flo tự do là lịch sử của sự nguy hiểm và hi sinh của nhiều nhà khoa học.
Đêvi đã không thành công trong việc điện phân được axít flohidric và ông bị ngộ độc, tuy rằng ông cũngđã xác định được khối lượng nguyên tử của flo là bằng 19,06.
Đến năm 1834, học trò của Đêvi chính là nhà vật lý Farađây (M.Faraday) cố gắng tìm cách để giải quyết vấn đề flo tự do bằng cách điện phân một số Florua ở trạng thái nóng chảy, nhưng cũng thất bại.
Sau đó hai anh em nhà Knôcxơ (Knox) người Ái Nhĩ Lan đã tiến hành thí nghiệm 5 năm liền, kết quả của một người chết và một người khác đã bị thương. Một số nhà bác học khác cũng đã chia sẻ số phận thảm hại của anh em Knôcxơ.
Cuối cùng trong những năm 1854 – 1856, một giáo sư người Pháp của trường đại học Bách khoa ở Pari Fremi (E. Fremy) cũng đã điện phân canxiflorua (CaF2) nóng chảy. Canxi kim loại xuất hiện ở cực âm, trong khi đó một số chất khí thoát ra ở cực dương.
Như vậy, Fremi cũng xứng đáng được coi như đồng tác giả với Sile, mặc dù ông chưa thu được khí flo về để nghiên cứu tính chất.
Cần chú ý rằng không dễ dàng để thu được khí flo. Nó hoạt động hoá học rất mạnh và cực độc. Độc hơn cả axít HF.
Năm 1869, nhà hoá học Anh Gorơ (G. Gore) cũng đã thu được một lượng rất ít flo nhưng nó đã nổ mạnh khi tác dụng với hidro.
Người cuối cùng đã thành công trong việc điều chế ra flo ở trạng thái tự do chính là nhà hoá học Pháp Moaxăng (A. Moissan). Trước một Uỷ ban đặc biệt của Viện Hàn lâm khoa học Pari gồm những nhà hoá học nổi tiếng, Moaxăng đã trình bày thí nghiệm. Ngày đầu ông thất bại, ngày thứ hai mới thành công. Đó chính là năm 1886 – nửa sau thế kỷ thứ 19.
Nguyên tố Fluor trong bảng tuần hoàn
Để cụ thể hơn mình xin tóm tắt thông tin cơ bản của Nguyên tố Fluor trong bảng tuần hoàn (Nguồn: Wikipedia).
| Số nguyên tử (Z) | 9 |
|---|---|
| Khối lượng nguyên tử chuẩn (Ar) | 18,998 403 163(6)[1] |
| Phân loại | Halogen |
| Nhóm, Phân lớp | 17, p |
| Chu kỳ | Chu kỳ 2 |
| Cấu hình electron | [He] 2s2 2p5[2] |
|
Mỗi lớp
|
2, 7 |
Tính chất vật lí của Flo
Để hiểu hơn về tính chất vật lý của nguyên tố Flo các bạn có thể xem qua bảng tổng hợp sau đây:
| Màu sắc | Vàng nhạt |
|---|---|
| Trạng thái vật chất | Chất khí |
| Nhiệt độ nóng chảy | 53,48 K (−219,67 °C, −363,41 °F)[3] |
| Nhiệt độ sôi | 85,03 K (−188,11 °C, −306,60 °F)[3] |
| Mật độ | 1,696 g/L[4] (ở 0 °C, 101.325 kPa) |
| Mật độ ở thể lỏng | ở nhiệt độ sôi: 1,505 g·cm−3[5] |
| Điểm ba | 53,48 K, 90 kPa[3] |
| Điểm tới hạn | 144,41 K, 5,1724 MPa[3] |
| Nhiệt bay hơi | 6,51 kJ·mol−1[4] |
| Nhiệt dung | Cp: 31 J·mol−1·K−1[5] (ở 21,1 °C) Cv: 23 J·mol−1·K−1[5] (ở 21,1 °C) |
Ở điều kiện nhiệt độ thường, flo chính là chất khí màu lục nhạt, rất độc. Nhiệt độ nóng chảy -219,62 °C. Nhiệt độ sôi -118,12 °C.
Trong tự nhiên, flo sẽ chỉ tồn tại ở dạng hợp chất vì tính oxi hóa quá mạnh của nó. Hợp chất của flo thường có trong men răng của người và động vật, trong lá của một số loài cây, phần lớn tập trung trong 2 khoáng vật: Florit (CaF2CaF2),Criolit (Na3AlF6 hay AlF3.3NaF).
Tính chất hóa học của Flo
Flo có độ âm điện lớn nhất (3,98)→ chính vì thế là phi kim mạnh nhất.
Flo tác dụng với phi kim
Flo tác dụng với phần lớn các phi kim, trừ O2 N2 và các nguyên tố khí trơ.
Phản ứng với hydro
Phản ứng sẽ xảy ra ngay trong bóng tối, ở nhiệt độ rất thấp tạo ra được khí hidro florua (phản ứng sẽ gây nổ mạnh): F2 + H2 → 2HF
- 3F2 + S → SF6
- 2F2 + C → CF4
- 2F2 + Si → SiF
- F2 + Cl2 → 250°C 2ClF
- 3F2 dư + Cl2 →280°C 2ClF3
- 5F2 + 2I2 → 2I2F5
Phản ứng với các kim loại
- Flo oxi hóa hầu hết với các kim loại kể cả Au và Pt.
- Flo phản ứng được với các kim loại kiềm, kiềm thổ mãnh liệt.
- Tác dụng với các kim loại mạnh đến trung bình yếu như Al, Zn, Cr, Ni, Ag… phản ứng mạnh nhất khi đun nóng.
Khi tác dụng với các kim loại yếu như Cu, Au, Pt ….phản ứng sẽ xảy ra khi đun nóng mạnh.
- 3F2 + 2Au → AuF3 (Vàng florua)
- F2 + Cu → CuF2 (Đồng (II) florua)
- 2Fe + 3F2⟶ 2FeF3 (Sắt (III) florua)
Tác dụng với nước
Khí flo bị oxi hóa nước ngay ở nhiệt độ thường, hơi nước nóng sẽ bốc cháy khi tiếp xúc với khí flo.
2F2+2H2O⟶4HF+O2
Phản ứng trao đổi
Tương tự kim loại mạnh sẽ đẩy kim loại yếu ra khỏi dung dịch muối, flo cũng có khả năng thế chỗ các halogen khác ra khỏi các hợp chất ion hoặc hợp chất công hóa trị
F2 + 2KClrắn →môi trường lạnh 2KF + Cl2
F2 + KBrdd → 2KF + Br2
Nếu dư F2 còn có phản ứng:
Br2 + 5F2 + 6H2O → 2HBrO3 + 10HF
và có một phần flo tác dụng với H2O
2F2+2H2O⟶4HF+O2
Phản ứng này đã giải thích vì sao F2 không đẩy Cl2, Br2, I2 ra khỏi dung dịch muối hoặc axit trong khi flo lại có tính oxi hóa mạnh hơn.
Phản ứng với các dung dịch kiềm
Khác với các halogen khác, flo sẽ không tạo muối chứa oxi. Khi phản ứng với kiềm loãng (thí dụ NaOH 2%) lạnh sẽ tạo ra Oxidiflorua và muối florua
2F2 + 2NaOH2% →lạnh 2NaF + OF2+ H2O
OF2 độc và có tính oxi hóa mạnh
OF2 + H2O → 2HF + O2
Phản ứng riêng
Có thể sử dụng F2 hoặc HF để có thể khắc thủy tinh vì chúng có khả năng ăn mòn thủy tinh
2F2 + SiO2 → SiF4 + O2
Ứng dụng của Flo trong công nghiệp
- Điều chế dẫn xuất flo để sản xuất được các chất dẻo.
- Dùng trong công nghiệp hạt nhân để làm giàu 235U
- Dung dịch NaF pha loãng được dùng làm thuốc chống sâu răng.
- Dùng làm chất oxi hóa cho nhiên liệu lỏng dùng trong hệ thống tên lửa.
- Dùng trong công nghiệp để sản xuất hạt nhân.
Một số dẫn xuất hiđrocacbon khác có chứa flo chính là Chlorofluorocarbon thường được gọi theo với tên viết tắt là CFC, là một nhóm hợp chất hữu cơ halogen chỉ chứa cacbon, clo và flo. Nhiều CFC cũng đã được sử dụng rộng rãi như là chất làm lạnh, chất đẩy (trong các ứng dụng bình xịt) và dung môi. Tuy nhiên chất này cũng có khả năng phá hủy tầng ozon.
Cơ chế phá hủy tầng ozon như sau:
CCl3F → CCl2F· + Cl·
Cl· + O3 → ClO·+O2
ClO + O3 → Cl· + 2O2
Theo cơ chế như vậy thì cứ1 nguyên tử Cl tự do cũng có thể phá hủy được hàng trăm ngàn phân tử O3 trước khi tạo thành hợp chất mới.
Do CFC góp phần vào làm sự suy giảm ôzôn trong tầng thượng khí quyển nên đã bị cấm bởi Nghị định thư Montréal.
Cách điều chế Flo hiện nay
– Vì flo chính là nguyên tố hóa học có tính oxi hóa mạnh nhất nên cũng không có bất cứ chất nào có khả năng oxi hóa nó được nữa. Nên cách duy nhất để có thể sản xuất ra khí flo là điện phân nóng chảy KF và HF.
– Bình điện phân cũng chứa hỗn hợp KF và HF sẽ có cực âm bằng thép đặc biệt hay đồng và cực dương bằng than chì. Khi phản ứng xảy ra, khí hiđro sẽ thoát ra ở cực âm và khí flo thoát ra ở cực dương.
Lời kết
Với những thông tin bổ ích trên mà NGONAZ đưa ra hi vọng sẽ giúp các bạn sẽ nhận được một lượng kiến thức cơ bản về khí Flo cũng như tính chất vật lý, tính chất hóa học, ứng dụng hay cách điều chế khí flo trong đời sống. Bên cạnh đó, để hiểu rõ hơn về 118 các nguyên tố hóa học hãy truy cập ngay mục “ kiến thức chung” của chúng tôi để cập nhật thông tin các nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học.
