Фторид кальция

Фторид кальция ( флюорит, плавиковый шпат, дифторид кальция, двуфтористый кальций) — неорганическое бинарное ионное химическое соединение. Химическая формула CaF₂.

Фторид кальция
Общие
Систематическое наименование	Фторид кальция
Традиционные названия	Фтористый кальций, кальция дифторид, плавиковый шпат, флюорит
Хим. формула	CaF2
Рац. формула	CaF2
Физические свойства
Состояние	белое кристаллическое вещество (монокристаллы являются прозрачными)
Молярная масса	78,07 г/моль
Плотность	3,18 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	1418 °C
• кипения	2533 °C
• вспышки	негорюч °C
Мол. теплоёмк.	67,03 Дж/(моль·К)
Энтальпия
• образования	-1221 кДж/моль
Удельная теплота плавления	30 Дж/кг
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты $p{K}_a$$pK_{a}$	1
Растворимость
• в воде	(18 °C) 0,0015 г/100мл (20 °C) 0,0016 г/100 мл
• в ацетоне	нерастворим
Оптические свойства
Показатель преломления	1,4328
Структура
Кристаллическая структура	кубическая кристаллическая структура
Классификация
Рег. номер CAS	7789-75-5
PubChem	24617
Рег. номер EINECS	232-188-7
SMILES	[Ca+2].[F-].[F-]
InChI	InChI=1S/Ca.2FH/h;2*1H/q+2;;/p-2 WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L
RTECS	EW1760000
ChEBI	35437
ChemSpider	23019
Безопасность
ЛД50	(перорально, крысы) 4250 мг/кг
NFPA 704	0 0 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Физические свойстваПравить

Бесцветные диамагнитные кристаллы (в измельчённом состоянии — белые). До температуры 1151 °C существует α-CaF₂ с кубической решеткой (а = 0,54626 нм, z=4, пространственная группа Fm3m), выше 1151 °C — разупорядоченная модификация тетрагональной сингонии, температура плавления у этой модификации — 1418 °C.

Плохо растворим в воде (16 мг/л при 18 °C).

ПолучениеПравить

В природе CaF₂ встречается в виде минерала флюорита (плавиковый шпат), который содержит до 90-95 % CaF₂ и 3,5-8 % SiO₂. Это хрупкий и мягкий минерал с большой вариацией в цвете: бесцветный, белый, жёлтый, оранжевый, красный, бурый, зелёный, зеленовато-голубой, фиолетово-синий, серый, пурпурный, синевато-чёрный, розовый и малиновый. Окраска связана с примесями хлора, железа, урана, дефектами кристаллической структуры, которая весьма тонко реагирует на нагревание. Является основным источником фтора в мире. Мировое производство ~4,5 млн т/год (1983 год).

В лабораторных условиях фторид кальция обычно получают из карбоната кальция и плавиковой кислоты:

$\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{C}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{F}\stackrel{}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\downarrow <!--\; \downarrow \; -->\mathsf{+}\mathsf{C}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {CaCO_{3}+2HF{\xrightarrow {}}CaF_{2}\downarrow +CO_{2}\uparrow +H_{2}O}}$ 

Чисто теоретический интерес представляет способ получения непосредственно из простых веществ:

$\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{+}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\stackrel{}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}$${\mathsf {Ca+F_{2}{\xrightarrow {}}CaF_{2}}}$ 

Разбавленная плавиковая кислота взаимодействует с оксидом кальция:

$\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{F}\stackrel{}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\downarrow <!--\; \downarrow \; -->\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {CaO+2HF{\xrightarrow {}}CaF_{2}\downarrow +H_{2}O}}$ 

Фторид кальция можно получить обменными реакциями, например:

$\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{C}{\mathsf{l}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{N}{\mathsf{H}}_{\mathsf{4}}\mathsf{F}\stackrel{}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\downarrow <!--\; \downarrow \; -->\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{N}{\mathsf{H}}_{\mathsf{4}}\mathsf{C}\mathsf{l}$${\mathsf {CaCl_{2}+2NH_{4}F{\xrightarrow {}}CaF_{2}\downarrow +2NH_{4}Cl}}$ 

Химические свойстваПравить

Фторид кальция химически относительно пассивен. При высокой температуре подвергается гидролизу:

$\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\stackrel{{\mathsf{800}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{F}$${\mathsf {CaF_{2}+H_{2}O{\xrightarrow {800^{o}C}}CaO+2HF}}$ 

$\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\mathsf{+}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{O}}_{\mathsf{2}}\stackrel{{\mathsf{1450}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{S}\mathsf{i}{\mathsf{O}}_{\mathsf{3}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{F}$${\mathsf {CaF_{2}+H_{2}O+SiO_{2}{\xrightarrow {1450^{o}C}}CaSiO_{3}+2HF}}$ 

Разлагается концентрированной серной кислотой, что используется в промышлености для получения HF:

$\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{S}{\mathsf{O}}_{\mathsf{4}}\stackrel{\mathsf{130}\mathsf{-<!--\; -\; -->}{\mathsf{200}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{S}{\mathsf{O}}_{\mathsf{4}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{F}\uparrow <!--\; \uparrow \; -->$${\mathsf {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {130-200^{o}C}}CaSO_{4}+2HF\uparrow }}$ 

При избытке HF образует сложный кристаллогидрат:

$\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{H}\mathsf{F}\mathsf{+}\mathsf{6}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\stackrel{}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{(}\mathsf{H}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}{\mathsf{)}}_{\mathsf{2}}\cdot <!--\; \cdot \; -->\mathsf{6}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}\downarrow <!--\; \downarrow \; -->$${\mathsf {CaF_{2}+2HF+6H_{2}O{\xrightarrow {}}Ca(HF_{2})_{2}\cdot 6H_{2}O\downarrow }}$ 

При температуре в 600—700 °C фторид лития реагирует с оксидом кальция, давая на выходе оксид лития и фторид кальция:

$\mathsf{2}\mathsf{L}\mathsf{i}\mathsf{F}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{O}\stackrel{\mathsf{600}\mathsf{-<!--\; -\; -->}{\mathsf{700}}^{\mathsf{o}}\mathsf{C}}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{L}{\mathsf{i}}_{\mathsf{2}}\mathsf{O}$${\mathsf {2LiF+CaO{\xrightarrow {600-700^{o}C}}CaF_{2}+Li_{2}O}}$ 

Фторид лития с насыщенным раствором гидроксида кальция реагирует образовывая гидроксид лития и фторид кальция:

$\mathsf{2}\mathsf{L}\mathsf{i}\mathsf{F}\mathsf{+}\mathsf{C}\mathsf{a}\mathsf{(}\mathsf{O}\mathsf{H}{\mathsf{)}}_{\mathsf{2}}\stackrel{}{\to }\mathsf{C}\mathsf{a}{\mathsf{F}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{2}\mathsf{L}\mathsf{i}\mathsf{O}\mathsf{H}$${\mathsf {2LiF+Ca(OH)_{2}{\xrightarrow {}}CaF_{2}+2LiOH}}$ 

ПрименениеПравить

Фторид кальция является основным источником фтора и его соединений. Начиная с конца 1990-х годов добывалось ~5 млн тонн данного вещества в год.

Фторид кальция является компонентом металлургических флюсов, специальных стекол, эмалей, керамики, оптических и лазерных материалов. Он также используется в качестве флюса при плавке и переработке жидких чугуна и стали.

В лаборатории фторид кальция широко применяется в качестве оптического материала для инфракрасного и ультрафиолетового излучений, а также как материал с чрезвычайно низким показателем преломления. В первые годы 21-го века цена на рынке фторида кальция упала, и многие крупные заводы были закрыты. Canon и другие производители используют синтетически выращенные кристаллы фторида кальция в качестве компонентов в объективах, уменьшающих рассеивание света.

Применяется в стоматологии, для глубокого фторирования – насыщения твердых тканей зуба минеральными соединениями, путём обработки(очистка, просушивание струёй воздуха зуба и нанесение) поврежденных мест. Благодаря этому, терапевтический эффект по сравнению с применением фторлаков, усиливается в 100 раз.

Отличные механические, технические и эксплуатационные характеристики в сочетании с прозрачностью в широком спектральном диапазоне, высокой оптической однородностью, высокой радиационной устойчивостью позволяют использовать оптические монокристаллы фторида кальция в:

• Микроскопии,
• Квантовой и силовой оптике,
• Инфракрасной технике,
• Спектрофотометрии,
• Фурье-спектроскопии,
• Рентгеновской технике,
• Космотехнике,
• Астрономии,
• Голографии.

Монокристаллы используются для изготовления окон, призм, линз и других оптических деталей, работающих в диапазоне излучения от ультрафиолетового до инфракрасного. Оптические детали из фторида кальция используются без защитных покрытий.

Опасность примененияПравить

Фторид кальция считается относительно безвредным в силу его малой растворимости в воде. Ситуация схожа и с BaSO₄, где токсичность, обычно связанная с Ba²⁺, компенсируется очень низкой растворимостью сульфата.

Ультратонкие плёнкиПравить

Тонкие кристаллические плёнки CaF₂ толщиной несколько нанометров находят применение в качестве барьерных слоёв в твердотельных структурах, включая резонансно-туннельные диоды (для ямы используется кремний или фторид кадмия). Кроме того, рассматриваются варианты задействования таких плёнок в полевых транзисторах с изолированным затвором различных архитектур, вместо традиционного для микроэлектроники материала SiO₂ и high-k-оксидов.

Слои фторида при этом выращиваются методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках кристаллического кремния; высокое качество обеспечивается благодаря близости постоянных решётки Si и CaF₂.

См. такжеПравить

• Флюорит