في هذا المنشور سنتعرف على الخواص الفيزيائية للفلور. وأيضأ التفاعلات الكيميائية له، ونبين دور الكهروسلبية العالية في تفاعليته. مع أمثلة على التفاعلات المهمة مثل: تفاعلات الفلور مع الفلزات واللافلزات، وتفاعله مع الماء. تنتج من هذه التفاعلات مركبات متنوعة مثل مركباته العضوية وغير العضوية.
ونختم بسرد موجز عن تاريخ اكتشافه بالإضافة إلى استخدامات الفلور الصناعية وغيرها.
الفلور: هو عنصر كيميائي رمزه (F) وعدده الذري 9، وهو أخف الهالوجينات وأكثرها تفاعلية. يتواجد الفلور في الطبيعة في شكل مركبات، مثل حمض الهيدروفلوريك وفلوريد الصوديوم. ولديه نظائر مختلفة لكنها غير مستقرة ما عدا الفلور-19.
يوجد في الدورة الثانية من الجدول الدوري بين عنصري النيتروجين والنيون. وفي أعلى المجموعة 17.
ملاحظة: الفلور وأغلب ومركباته مواد سامة أو شديدة التفاعل. يمكن أن تنتج تفاعلاته انفجار، ويسبب الحساسية وتهيج الجلد والعين عند الملامسة أو الاستنشاق. لذلك يجب على العمال أن يكونوا حذرين أثناء التعامل معه، واتباع إجراءات السلامة اللازمة.
الخواص الفيزيائية للفلور
الفلور غاز ثنائي الذرة ذو لون أصفر باهت، شديد التآكل، قابل للاشتعال وله رائحة نفاذة. وهو أخف الهالوجينات. يتفاعل بشدة مع الماء لينتج الأكسجين وحمض الهيدروفلوريك شديد التآكل.
يظهر الجدول التالي أهم الخواص الفيزيائية للفلور:
| الخاصية | القيمة |
|---|---|
| العدد الذري | 9 |
| الرمز | F |
| الكتلة الذرية | 18.9984 u |
| الكهروسلبية | 3.98 |
| نقطة الغليان | -188.12 درجة مئوية |
| نقطة الانصهار | -219.62 درجة مئوية |
| الكثافة | 1.696 جرام/سم³ |
| السعة الحرارية النوعية | 0.824 جوب/جرام.كلفن |
| نصف القطر الذري | 42 بيكومتر |
| الألفة الألكترونية | 3.401 كيلوجول/مول |
| طاقة التأين (1st) | 1681 كيلوجول/مول |
| طاقة التأين (2nd) | 3374 كيلوجول/مول |
| طاقة التأين (3rd) | 6050 كيلوجول/مول |
| التوزيع الإلكتروني | 1s² 2s² 2p⁵ |
| اللون | غاز أصفر-مخضر شاحب |
الشكل أدناه عبارة نموذج بوهر لعنصر الفلور؛ حيث يظهر رمز العنصر في المركز (النواة) محاط بغلافين إلكترونيين. يحتوي الغلاف الأول على إلكترونين والغلاف الخارجي على 7 إلكترونات.
التفاعلات الكيميائية للفلور
يعتبر الفلور أكبر العناصر الكيميائية تفاعلية على الإطلاق. يمكن أن يتفاعل مع أي عنصر كيميائي تقريبا؛ مع الفلزات، ومع اللافلزات، ومع أشباه الفلزات، وحتى مع بعض الغازات النبيلة. تأتي هذه التفاعلات الكيميائية من كونه أكثر العناصر كهرسلبية. وهو من أكثر العناصر قربا إلى الحالة المثالية (حالة الاستقرارية)؛ بسبب حاجته لإلكترون واحد فقط للوصول إلى الاستقرار الثماني.
هذا النشاط الكيميائي يجعله لا يمكن الحصول عليه بشكل حر في الطبيعية، كما لا يمكن لأي عنصر آخر أن يزيحه من مركباته. ويعتبر عامل أكسدة قوي جدا، وهو العنصر الذي يحدث له الاختزال دائما، بسبب عدم وجود عنصر يفوقه في الكهروسالبية[1].
تفاعلات الفلور مع الفلزات
يمكن وصف تفاعلات الفلور مع الفلزات القلوية (عناصر المجموعة الأولى) بالصيغة التالية:
\[\ce{2M(s) + F2(g) -> 2MF(s)}\]
على سبيل المثال يتفاعل مع الصوديوم كالتالي:
\[\ce{2Na(s) + F2(g) -> 2NaF(s)}\]
أما مع الفلزات القلوية الأرضية (عناصر المجموعة الثانية) فيتبع الصيغة التالية:
\[\ce{M(s) + F2(g) -> MF2(s)}\]
كما في تفاعله مع الكالسيوم والماغنيسيوم كما يلي:
\[\ce{Ca(s) + F2(g) -> CaF2(s)}\\ \ce{Mg(s) + F2(g) -> MgF2(s)}\]
وهكذا مع جميع الفلزات حسب أعداد الأكسدة للفلز المقابل.
أكاسيد المعادن + HF → فلوريد المعادن + H₂O: يمكن للفلور أيضًا أن يحل محل الأكسجين من أكاسيد المعادن، ويشكل فلوريد المعادن والماء. هذا التفاعل مفيد بشكل خاص لتنقية المعادن. والمثال الرئيسي هو تفاعل ثاني أكسيد السيليكون مع فلوريد الهيدروجين:
\[\ce{SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O}\]
التفاعلات الكيميائية للفلور مع اللافلزات:
اللافلزات + F₂ → الفلوريدات اللافلزية: يتفاعل الفلور بسهولة مع اللافلزات مثل الهيدروجين والكربون والكبريت لتكوين روابط تساهمية. يمكن أن تكون هذه التفاعلات معقدة للغاية، وغالبًا ما تشكل منتجات متعددة اعتمادًا على الظروف المحددة. يتفاعل الهيدروجين والفلور بعنف لتكوين فلوريد الهيدروجين:
\[\ce{H₂ + F₂ → 2HF}\]
فلوريدات الغازات النبيلة: على الرغم من أن الغازات النبيلة تعتبر تقليديًا غير متفاعلة، إلا أن الفلور يمكن أن يتفاعل مع بعضها. في ظل ظروف معينة، يمكن أن يشكل الفلور مركبات مثل ثنائي فلوريد الزينون (XeF₂).
التفاعل مع الماء:
\[\ce{F₂ + H₂O → O₂ + 4HF}\]
يتفاعل الفلور مع الماء لإنتاج غاز الأكسجين وفلوريد الهيدروجين، وهو مركب شديد الحموضة ومسبب للتآكل. يسلط هذا التفاعل الضوء على القوة المؤكسدة القوية للفلور.
تعتبر التفاعلات الكيميائية للفلور مع كل من الهيدروجين والماء مهمة في إنتاج حمض الهيدروفلوريك المستخدم في نقش رقائق السيليكون.
مركبات الفلورين
هناك نوعان رئيسيان من مركبات الفلور: غير العضوية والعضوية.
مركبات الفلور غير العضوية هي تلك التي لا تحتوي على روابط الكربون والفلور. بعض الأمثلة الشائعة لمركبات الفلور غير العضوية تشمل:
- فلوريد الصوديوم (NaF): هذا هو العنصر الرئيسي في معظم معاجين الأسنان، ويساعد على منع تسوس الأسنان.
- فلوريد الكالسيوم (CaF2): هذا هو المعدن الذي يشكل مينا الأسنان والعظام.
- حمض الهيدروفلوريك (HF): هذا حمض قوي يستخدم في نقش رقائق السيليكون لإنتاج رقائق الكمبيوتر.
مركبات الفلور العضوية هي تلك التي تحتوي على روابط الكربون والفلور. وتستخدم هذه المركبات على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل التلفون وفلوروكربون.
تتمتع مركبات الفلور بمجموعة واسعة من الخصائص، اعتمادًا على المركب المحدد. بعض مركبات الفلور شديدة التفاعل، في حين أن بعضها الآخر مستقر للغاية. بعض مركبات الفلور قابلة للذوبان في الماء، والبعض الآخر ليس كذلك. يتم تحديد خصائص مركب الفلور حسب نوع الروابط التي يشكلها، وكذلك العناصر الأخرى الموجودة في المركب.
نظائر الفلورين
وبطبيعة الحال، هناك نظير واحد مستقر للفلور، وهو الفلور -19 (¹⁹F). يحتوي على 9 بروتونات و10 نيوترونات في نواته، مما يجعله أكثر نظائر الفلور وفرة، وهو يمثل 100٪ من الوفرة الطبيعية للعنصر.
في حين أن الفلور 19 مستقر، فقد تم تصنيع العديد من نظائر الفلور المشعة بشكل مصطنع في المختبرات. تتراوح أعمار النصف لهذه النظائر من ميلي ثانية إلى دقائق. بعض من أبرزها ما يلي:
الفلور -18 (¹⁸F) بنصف عمر 109.7 دقيقة. ويستخدم على نطاق واسع في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) للتصوير الطبي.
الفلور -20 (²⁰F) بعمر نصف قدره 11 ثانية. يتم استخدامه في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) لدراسة بنية الجزيئات.
الفلور -21 (²¹F) بنصف عمر 4.8 ثانية. يتم استخدامه في دراسات التفاعلات النووية.
ساعدتنا دراسة نظائر الفلور في فهم التركيب النووي للعنصر وسلوكه في التفاعلات الكيميائية. وقد أدى أيضًا إلى تطوير تقنيات جديدة، مثل المسح المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والتي تُستخدم في الطب وعلوم المواد.
ترويض النمر: تاريخ عنصر الفلور
لقد مر تاريخ اكتشاف الفلور مراحل مختلفة، وقد اكتسب لقب "نمر الكيمياء" بسبب تفاعله وطبيعته الخطيرة. ومع ذلك، وعلى الرغم من سمعته المخيفة، إلا أن هذا العنصر يلعب دورًا حاسمًا في حياتنا، بدءًا من تقوية أسناننا وحتى تشغيل المفاعلات النووية. لكن الرحلة لتسخير قوة الفلور كانت طويلة وشاقة. بدءا باكتشافه وحتى فصله، مر تاريخ الفلور بمراحل مختلفة كما يلي:
محاولات مبكرة
تبدأ قصة الفلور مع معدن الفلوريت المعروف منذ القدم. ظهر أول ذكر موثق للفلوريت في عام 1529 على يد جورجيوس أجريكولا، "أبو علم المعادن". ومع ذلك، لم يتم إنتاج شكل خام من حمض الهيدروفلوريك، وهو مركب يحتوي على الفلور، إلا في عام 1720، على الأرجح من قبل عامل زجاج إنجليزي مجهول. تم استخدام هذا الحمض في حفر الزجاج، لكن طبيعته السامة وخصائصه المسببة للتآكل كانت واضحة بالفعل.
السعي إلى العزل:
لأكثر من 150 عامًا، ظل عزل عنصر الفلور هدفًا بعيد المنال بالنسبة للكيميائيين. وانتهت العديد من المحاولات بالفشل وحتى بالوفيات، مما أكسب الفلور سمعته المخيفة. وأخيرا، في عام 1886، نجح الكيميائي الفرنسي هنري مويسان، باستخدام طريقة التحليل الكهربائي، في عزل العنصر. أدى هذا الإنجاز إلى حصول مويسان على جائزة نوبل ومهّد الطريق لمزيد من الاستكشاف لخصائص الفلور.
من الخطر إلى المنفعة:
في البداية، ظل استخدام الفلور محدودًا بسبب طبيعته الخطرة. ومع ذلك، شهد القرن العشرين تطورات هامة. حفز مشروع مانهاتن، خلال الحرب العالمية الثانية، على تطوير إنتاج الفلور على نطاق صناعي لتخصيب اليورانيوم. وأدى هذا التقدم إلى ظهور تطبيقات جديدة في مجالات متعددة، كما سنذكر لاحقا.
استخدامات الفلور المتعددة
قد يبدو الفلور، وهو العنصر الأكثر سالبية كهربية في الجدول الدوري، مخيفًا في البداية، لكن فائدته تمتد إلى ما هو أبعد من عالم مختبرات العلوم. من المطبخ والحمام وحتى الطب والطاقة تتعدد استخدامات الفلور في مجالات الصناعة والحياة اليومية. إليك بعض منها:
في المطبخ:- أواني طهي غير لاصقة: التيفلون، وهو بوليمر من رباعي فلورو إيثيلين، مشهور بخصائصه غير اللاصقة، مما يجعل الطبخ والتنظيف أمرًا سهلاً.
- التبريد: يتم التخلص التدريجي من مركبات الفلوروكربون، التي كانت تستخدم على نطاق واسع كمبردات، بسبب تأثيرها البيئي. ومع ذلك، يجري تطوير بدائل أحدث وأكثر استدامة تعتمد على الفلوروكربون.
- معجون الأسنان: يقوي الفلورايد مينا الأسنان ويمنع تسوسها، مما يجعله مكونًا أساسيًا في معجون الأسنان.
- فلورة المياه: تعد إضافة الفلورايد إلى إمدادات المياه العامة طريقة آمنة وفعالة لتحسين صحة الأسنان للمجتمعات بأكملها.
- صناعة الصلب: يستخدم الفلورسبار، وهو معدن يحتوي على فلوريد الكالسيوم، كتدفق في صناعة الصلب، وإزالة الشوائب وتحسين جودة الفولاذ.
- الإلكترونيات: ويستخدم الفلور في إنتاج أشباه الموصلات، وهي المكونات الأساسية للأجهزة الإلكترونية.
- البلاستيك: تُستخدم البوليمرات المحتوية على الفلور مثل التيفلون وفلوريد البولي فينيلدين (PVDF) في تطبيقات مختلفة نظرًا لمتانتها العالية ومقاومتها للمواد الكيميائية والحرارة.
- التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET): الفلور-18 هو نظير مشع يستخدم في فحوصات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) لتشخيص ومراقبة الحالات الطبية المختلفة، بما في ذلك السرطان وأمراض القلب.
- المسكنات الاستنشاقية: تُستخدم بعض أدوية التخدير المفلورة في الإجراءات الطبية نظرًا لسرعة مفعولها وآثارها الجانبية البسيطة.
- دافعات الهباء الجوي: كانت الهيدروكربونات المفلورة تُستخدم على نطاق واسع في السابق كوقود دافع للأيروسول، ولكن تم استبدالها إلى حد كبير ببدائل أكثر صداقة للبيئة.
- طفايات الحريق: تستخدم أنواع معينة من طفايات الحريق المركبات المفلورة لإطفاء الحرائق بسرعة وفعالية.
- معالجة الوقود النووي: ويستخدم سداسي فلوريد اليورانيوم في تخصيب اليورانيوم لإنتاج الوقود النووي.
نظرة مستقبلية: يستمر البحث والتطوير في استكشاف استخدامات جديدة ومبتكرة للفلور. بفضل الخواص الفريدة، يحمل الفلور إمكانات هائلة في مختلف المجالات، بما في ذلك علوم المواد والطب وإنتاج الطاقة.
من المهم ملاحظة أنه على الرغم من أن الفلور مفيد للغاية بعدة طرق، إلا أنه قد يكون خطيرًا أيضًا عند التعامل معه بشكل غير صحيح. اتبع دائمًا إرشادات السلامة عند التعامل مع المواد التي تحتوي على الفلور.