Физические и химические свойства.

↑

Стр 1 из 8Следующая ⇒

Дисциплина: Геохимия окружающей среды

Курсовая работа на тему «Геохимия фтора».

Оглавление

1. Введение. 3

2. Общая часть. 5

2.1.    Физические и химические свойства. 5

2.2. Распространение элемента в природе. 10

2.2.1. Космическая распространенность. 10

2.2.2. Содержание в отдельных геосферах. 11

2.3. Миграция фтора в природных системах. 19

2.4. Историческая геохимия элемента. 23

2.5. Элемент в природно-техногенных системах. 23

3. Специальная часть. 26

3.1. Геохимия элемента в экосистемах Вологодской области. 26

3.2. Методы определения фтора. 26

3.3. Методы удаления фтора из питьевых вод. 27

Заключение. 29

Список используемой литературы. 30

1. Введение.

Значение знаний законов поведения химических элементов геосферы Земли для расширения практических задач в области экологии и здравоохранения, сельскохозяйственного производства и увеличения минерально-сырьевой базы.

Геохимия - наука, изучающая химические процессы земной коры, миграцию химических элементов, их концентрацию и рассеяние, химический состав Земли и ее оболочек, распространение, распределение и взаимные сочетания химических элементов в земной коре.

Геохимия изучает историю химических элементов в ходе геологических процессов, формы их переноса и нахождения в горных породах и минералах, поведение ионов в кристаллических решетках минералов и энергетику геохимических процессов.

Изучая условия накопления химических элементов во всем многообразии геологических процессов, геохимия характеризует физико-химическую обстановку образования месторождений полезных ископаемых, тем самым указывает пути их отыскания. Геохимические методы поисков месторождений широко внедряются в практику геолого-поисковых работ, облегчая и удешевляя их, и в сочетании с геофизическими методами позволяют отыскивать месторождения, не выходящие на дневную поверхность.

Для выявления благоприятных районов и участков поисков новых ме­сторождений необходимо знать особенности данной территории. Они выражаются в отклонении количественного соотношения химических элементов от средних значений для данных гор­ных пород и в преобладании тех или иных характерных геохимических процессов, в результате которых об­разовались горные породы и месторождения района.

При технологическом освоении новых видов минерального сырья или руд месторождений нового типа геохимия оказывает большую помощь, указывая, в каких формах находятся элементы, подлежащие извлечению (самостоятельные ли мине­ралы, изоморфные ли примеси и в каких минералах, в сорбированном ли состоянии и т. д.).

Владея разнообразными химическими и физическими методами ис­следования, используя данные физической химии, энергий кристаллических решеток и термодинамические расчеты, геохимия в состоянии решать сложные вопросы генезиса месторождений, особенно таких, которые образовались в результате накладывавшихся друг на друга резко различных геохимических процессов.

Геохимия — наука комплексная. Она занимает промежуточное поло­жение между науками геологиче­скими (минералогия, петрология, литология, учение о месторождениях полезных ископаемых, гидрогеология и океанология) и химическими (неорганическая и физическая химия, химическая термодинамика, кристаллохимия, коллоидная химия).

Кроме того, геохимия в вопросах происхождения и состава нашей пла­неты соприкасается с астрономическими науками (космогония, метеоритика), с физическими науками (радиология, ядерная геология, геофизика), с биологическими (биохимия, почвоведение и биология).

Огромное народнохозяйственное значение геохимии заключается в новых научных обоснованиях правильного пути отыскания и изучения месторождений полезных ископаемых.

 Обзор литературы

Литература по данному элементу немногочисленная. Не смотря на это, изученность его имеет большой интерес для различных областей деятельности.

Противоречивость литературы не наблюдается. Каждая литература дополняет предыдущую, а иногда и повторяет ее. Полных данных по фтору не представлено ни в одной литературе, возможно причина в разной специфике книги, или разной направленности книги.

2. Общая часть.

Атомный номер фтора 9, атомная масса 18,9984 а. е. м., атомный объем 14,61*10^-6 м³/моль, атомный радиус (ковалентный) 0,071 нм, ионный радиус F^-1 0,133нм, F⁺⁷ 0,009 нм, строение внешней электронной оболочки 2s²2p⁵. Значение первых потенциалов ионизации J (эВ): 17,418; 34,98; 62,65; электроотрицательность 3,0; сродство к электрону 3,58 эВ.

Имеет один стабильный изотоп ¹⁹F. Искусственно получено пять радиоактивных изотопов:¹⁶ F (период полураспада Т_1/2 < 1 мс); ¹⁷F (Т_1/2 = 70 с); ¹⁸F (Т_1/2  = 111 мин); ²⁰F (Т_1/2 = 11,4 с);  ²¹F (Т_1/2 = 5 с).

Эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов ¹⁹F < 10^-30 м². Среднее сечение захвата, полученное для максвелловского спектра нейтронов, составляет (3,9 ±2) 10^-28 м². Энергия связи молекулы F₂ равна 159,6 кДж/моль. Ниже 55К имеет кубическую решетку с периодом a = 0,667 нм.

Плотность газообразного фтора при 273 К и давлении 0,1013 МПа ρ = 1,696 кг/м³. В жидком состоянии при 86 К плотность ρ = 1,11 Мг/м³, в конденсированном состоянии в твердой фазе при 68,9 К плотность составляет 1,300 Мг/м³. Плотность ρ сжиженного фтора в зависимости от температуры:

Т, К

ρ, Мг/м³

1,640

1,610

1,540

1,470

1,390

Диэлектрическая постоянная ε сжиженного фтора в зависимости от температуры:

Т, К

54,7

60,51

64,41

75,01

83,21

ε

1,54

1,56

1,55

1,58

1,52

Температура плавления элементарного фтор t_пл = −219,6 °С, температура кипения t_кип = −188,13 °С, при −227,6 °С наблюдается фазовое превращение твердого фтора, имеющее теплоту 0,7281±0,0004 кДж/моль. При температуре −188,13 °С и давлении 0,1013 МПа фтор конденсируется в жидкость желтого цвета.

Критические параметры: температура 144 К, давление 5,57 МПа. При 28 К удельная теплота плавления t₂ ∆H_пл = 13,443 кДж/кг, удельная теплота испарения ∆Н_исп = 178,9 кДж/кг. Теплота испарения жидкого фтора в зависимости от температуры:

Т, К

85,03

58,54

∆Н_исп, кДж/кг

107,1

155,0

165,9

Удельная теплота сублимации ∆Н_субл фтора в зависимости от температуры:

Т, К

53,54

45,5

∆Н_субл, кДж/кг

210,0

212,0

216,0

236,0

236,0

234,0

Удельная теплоемкость газообразного фтора F₂ при 298 К и давлении 9,8*10⁴ Па с_ρ = 828 Дж/(кг*К). Изменение удельной теплоемкости в зависимости от температуры при давлении 0,1013 МПа приведено ниже:

F:

Т, К

F₂:

с_р, Дж/кг*К

683,75

1933,36

3037,69

868,77

925,89

974,05

998,53

Температурный коэффициент объемного расширения жидкого фтора (F₂) при 73 К β = 4,243*10^-3 К^-1, при температуре 55 – 85 К β = 3,0*10^-3 К^-1.

Теплопроводность λ в зависимости от температуры:

Т, К

λ, Вт/(м*К)

0,0086

0,0182

0,0248

0,0269

Т, К

λ, Вт/(м*К)

0,0344

0,0416

0,0628

0,0774

Газовая постоянная R = 219 Дж(кг*К), энергия диссоциации молекул F₂ при 298 К составляет кДж/моль. Изменение атомной и молекулярной энтропии в зависимости от температуры:

Т, К

s^мол(F₂),Дж/моль*К

202,85

219,81

244,63

259,83

270,80

279,43

286,54

s^ат(F_газ),Дж/моль*К

158,76

170,36

185,39

193,97

200,00

204,65

208,46

Степень термической диссоциации молекул F₂ 0,043 при 1000 К и 0,99 при 2000 К.

Поверхностное натяжение жидкого фтора при 80 К σ = 14,81 мН/м.

Поверхностное натяжение σ сжиженного фтора на границе с насыщенным паром в зависимости от температуры:

Т, К

σ, мН/м

18,9

17,7

16,5

15,4

Динамическая вязкость η жидкого фтора в зависимости от температуры:

Т, К

69,2

73,2

75,3

80,9

83,2

Η, МПа*с

41,40

34,90

32,80

27,50

25,50

Давление паров фтора р в зависимости от температуры:

Т, К

р*10⁴, Па

25,94

97,18

160,72

270,48

432,18

Цвет твердого фтора светло-желтый. Показатель преломления F₂            n = 1,000195.

Поляризационная способность иона F⁻ 0,57, а поляризуемость 0,99.

Нормальны электродный потенциал реакции 2F^—2е↔F₂ (газ) φ₀ = 2,85 В. Имеет высокую химическую активность, наиболее активен из всех неметаллов, обладает очень высокой реакционной способностью, в соединениях проявляет степень окисления −1.

При низких температурах в электрическом разряде образуются фтоиды кислорода O₃F₄, O₃F₂, O₂F₂.

При взаимодействии фтора с разбавленным раствором NaOH образуется OF₂ – сильный фторирующий агент и окислитель.

Реакция с азотом протекает в электрическом разряде с образованием бесцветного газа трехфтористого азота NF₃, который плавится при –208,5 °С, кипит при –129 °С. При действии фтора на HN₃ в среде азота образуется желто-зелёный газ FN₃ c температурой плавления –154 °С и температурой кипения –192 °С.

С водородом взаимодействует с воспламенением (при комнатной температуре со взрывом), образуя газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде – фтороводород HF.

С серой взаимодействует на холоду с выделением тепла, образуется газообразные соединение S₂F₂, SF₂, SF₄ и SF₆ и жидкость S₂F₁₀.

С древесным углем взаимодействует при комнатной температуре с воспламенением, с графитом – при нагревании, образуя газы CF₄, C₂F₆ и др., а также твердые соединения (CF)_n, C₄F₆. С алмазом фтор непосредственно не реагирует.

Реакции с галогенами экзотермичны. При 200 – 250 °С хлор образует монофтористый хлор CIF и трехфтористый хлор CF₃; при высокой температуре и давлении образуется пентафтористый хлор CIF₅. Бром и Йод воспламеняются в атмосфере фтора при обычной температуре, образуя фториды галогенов BrF, BrF₃, IF₅, IF₇.

Получены фториды инертных газов: ксенона – XeF₂, XeF₄, XeF₆, криптона – KrF₂, KrF₄ и фторид радона, состав которого не установлен. Фториды ксенона – бесцветные кристаллы, термодинамически устойчивые окислители.

Фтор энергично соединяется с большинством металлов, образуя фториды. При взаимодействии со фтором щелочные и щелочноземельные металлы воспламеняются на холоде, Sn, Ti, Bi, Mo, W – при незначительном нагревании, Hg, Pb, U, V – при комнатной температуре; Pt – при температуре красного каления, Fe, Cu, Al, Ni, Zn – на холоде со фтором не взаимодействует, так как на их поверхности образуется защитный слой фторида.

При взаимодействии фтора на холоде с основными окислителями образуются фториды и кислород.

При нагревании оксид углерода (II) СО присоединяет фтор, оксиды азота NO и NO₂ присоединяют фтор при комнатных температурах. Стекло реагирует с фтором очень медленно, в присутствии воды быстро.

Вода реагирует с фтором по реакции 2Н₂О+2F₂=4НF+О₂.

Гидроксиды металлов реагируют с образованием фторида металла и кислорода. Водные растворы щелочей NaOH и KOH реагируют при 0 °С с образованием ОF₂.

При взаимодействии с кислотами фтор замещает водород, в солях металлов – металлы; в более жестких условиях фтор вытесняет кислород из этих соединений, образуя сульфурилфторид.

Фтор энергично реагирует с органическими соединениями, вступая в реакции присоединения и замещения, образуя фторорганические соединения.

Электрохимический эквивалент фтора составляет 0,19689 мг/Кл [1].

Рис. 1. Eh – pH диаграмма системы F-O-H (2). ∑ F = 10^-10. 298.15 K, 10⁵ Pa.

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология