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化學(xué)界的狂暴戰(zhàn)士——氟氣

氟是最活潑的非金屬元素，在大自然中，氟的分布很廣，約占地殼總重量的萬分之二，螢石（氟化鈣）是氟的主要礦物來源，而氟氣是一種極具腐蝕性的淡黃色雙原子氣體，劇毒，其化學(xué)性質(zhì)十分活潑，具有很強(qiáng)的氧化性，除全氟化合物外，幾乎可以與所有有機(jī)物和無機(jī)物反應(yīng)。

 

 

氟氣的制備原理

工業(yè)氟氣制備一般采用電解法，電解槽的主要組成部分:槽體、陽極、陰極、電解液等。根據(jù)對(duì)耐腐蝕性的要求，槽體可采用普通碳鋼和蒙乃爾合金兩種材質(zhì)。
以氟氫化鉀、氫氟酸為原料，混合置入電解槽，氟氫化鉀與HF物質(zhì)的量之比為3:2，以石墨為陽極，以鋼制電解槽為陰極，氟化氫鉀是電解質(zhì)，對(duì)氫氟酸進(jìn)行電解，陽極產(chǎn)出氟氣。此法產(chǎn)物純度有限，需要進(jìn)一步提純。氟氣提純工藝主要有低溫冷凍法、氟化鹽吸附法等，兩者通常配套使用。低溫冷凍法主要是將氟氣降溫至-65℃以下，此溫度下，氟氣為氣體，氟化氫氣體絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啻嬖冢瑥亩鴥烧叻蛛x開來。但是由于氟化氫分子在低溫下形成聚合體，冷凍法僅可使氟化氫含量降至4％以下，甚至溫度降至-120℃以下，氟化氫仍有1％左右存在。氟化鹽吸附法主要是利用堿金屬氟化物，如氟化鈉(NaF)、氟化鉀(KF)、氟化鋰(LiF)等在室溫下吸附氟化氫氣體生堿金屬氟氫化物，如氟氫化鈉、氟氫化鉀、氟氫化鋰等，而生產(chǎn)的堿金屬氟化物在高溫200℃以上，又能將吸附的氟化氫氣體解析出來，重新變?yōu)閴A金屬氟化物，采用這種方式純化氟氣，堿金屬氟化物可以重復(fù)使用。氟化鹽吸附法可以把氟氣中的氟化氫氣體降至0.5％以下。

 

 

氟氣的輸送管道和儲(chǔ)運(yùn)容器

注意：所有管道和容器在投入工業(yè)應(yīng)用前需要鈍化處理！

在室溫下，鎳、鐵、鋁、鎂、銅等和它們的某些合金以及不含硅的鋼管適合用來輸送氟氣，在高溫高壓下，通常把鈦合金、鎳基合金和蒙乃爾合金做為供氟使用的最適合的材料。

氟氣不能被保存在玻璃儀器里，因?yàn)榧词顾粫?huì)腐蝕玻璃，但是只要玻璃哪怕有一點(diǎn)點(diǎn)潮濕，氟氣和水反應(yīng)生成的氟化氫就會(huì)腐蝕穿透玻璃，所以需要用金屬制成的容器來存放氟氣。

用于氟氣的特種鋼瓶通常儲(chǔ)存在陰涼，干燥，通風(fēng)良好的不燃結(jié)構(gòu)的庫房中，實(shí)行專庫專用，應(yīng)與其它物品特別是能與氟反應(yīng)的物品隔絕儲(chǔ)運(yùn)，應(yīng)避免受潮且遠(yuǎn)離熱源和火源。用鋼瓶貯運(yùn)時(shí)，經(jīng)純化除去了HF的氟氣的儲(chǔ)量限制在2.7kg，21℃時(shí)壓力應(yīng)小于2.86MPa。而用氮?dú)庀♂尯?0％氟氣的混合氣，則可將壓力升至16.65MPa。如輸送液態(tài)氟，則應(yīng)先對(duì)氟氣進(jìn)行300～400℃的熱處理，待消除含氧的氟化物雜質(zhì)后，再進(jìn)行深冷液化，但由于其實(shí)用性差，故很少被采用。

 

 

氟氣的主要用途

（一）用于化學(xué)制備1、合成具有特殊用途的氟化劑利用單質(zhì)氟與幾乎所有單質(zhì)都可發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)，可制成多種具有不同用途的氟化劑。如三氟化氯、五氟化氯、三氟化溴、五氟化碘、三氟化鈷、五氟化銻、二氟化銀、三氟化硼、三氟化砷、大氟化砷等，這些氟化劑比單質(zhì)氟溫和，可用于許多需要控制氟化程度的有機(jī)和無機(jī)氟化物的制備。2、制備有機(jī)氟化物用氟對(duì)烴類進(jìn)行徹底氟化制成的全氟油或全氟脂，是核燃料生產(chǎn)中關(guān)鍵的材料。使用氮?dú)庀♂尩姆鷼猓刂品磻?yīng)可制得許多含氟有機(jī)物，如六氟乙烷、八氟丙烷及其他醫(yī)藥和農(nóng)藥中間體、制冷劑、氟塑料、等離子蝕劑等。3、制備六氟化硫氣體單質(zhì)氟與單質(zhì)硫反應(yīng)得到六氟化硫，六氟化硫是強(qiáng)電負(fù)性氣體，它的分子極易吸附自由電子而形成質(zhì)量大的負(fù)離子，削弱氣體中碰撞電離過程，因此其電氣絕緣強(qiáng)度很高，加上其具有良好的耐熱和化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛用做高壓電器和電子設(shè)備上的滅弧介質(zhì)。4、制備三氟化氮氟氣與含氮化合物如氨氣、氟化銨等在一定條件下反應(yīng)，可生成三氟化劑。三氟化氮所具有的特殊物理化學(xué)性質(zhì)，使得其可作為火箭推進(jìn)劑、半導(dǎo)體芯片制造過程刻蝕劑及清洗劑。

（二）同位素分離單質(zhì)氟的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用最有力的推動(dòng)因素當(dāng)屬鈾同位素分離，鈾235是制造原子彈的原料，從天然鈾分離出鈾235同位素是原子能工業(yè)的基礎(chǔ)，人們用氟從鈾礦中提取鈾235，因?yàn)殁櫤头幕衔锖芤讚]發(fā)，用分餾法可以把它和其它雜質(zhì)分開，得到十分純凈的鈾235。在鈾的所有化合物中只有氟化物具有很好的揮發(fā)性能。六氟化鈾是鈾235同位素分離的關(guān)鍵材料，而六氟化鈾的生產(chǎn)技術(shù)至今還只能使用單質(zhì)氟作為氟化劑。

（三）作為火箭推進(jìn)劑的氧化劑隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，人類探索太空的活動(dòng)日益頻繁，火箭作為太空飛行器的運(yùn)載工具起著不可或缺的重要作用。火箭升空需要?jiǎng)恿Γ搫?dòng)力來自推進(jìn)劑的燃燒，單質(zhì)氟作為最強(qiáng)的氧化劑在推進(jìn)的燃燒過程中起助燃作用。

 

 

（四）制備氟化石墨這是一類非化學(xué)計(jì)量組成的固體氟碳化合物、可由石墨或碳直接氟化制得。氟化石墨是優(yōu)良的固體潤(rùn)滑劑和制造高能蓄電池的陰極材料。

（五）制備氟化瀝青受有機(jī)物氟化和氟化石墨研究的啟發(fā)，研究人員開始了瀝青氟化改性的研究。采用中間相瀝青微粒在旋轉(zhuǎn)式反應(yīng)釜中與氟氣進(jìn)行反應(yīng)制備出氟化瀝青（反應(yīng)條件：氣壓0.10MPa；溫度80～90℃）。瀝青氟化后被賦予許多新的特殊，部分性質(zhì)優(yōu)于相關(guān)有機(jī)氟化物，它具有比聚四氟乙烯還低的表面能，是優(yōu)良的疏水、抗油材料，并保持了瀝青的可軟化性和在相半溶劑中的可溶性。

（六）聚合物的表面氟化以低濃度的氟-氮混合氣代替空氣制聚烯烴塑料容器，這樣得出的制品內(nèi)壁形成一層氟碳化合物膜，對(duì)有機(jī)溶劑的透過率可大大降低，可用做機(jī)動(dòng)車油箱、香精香料包裝容器及強(qiáng)腐蝕化學(xué)品的包裝容器。

（七）半導(dǎo)體制造工藝的清洗因?yàn)榉鷼獠粫?huì)造成溫室效應(yīng)，以用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)氟氣的方法替代氟化物或瓶裝氟氣來清洗CVD反應(yīng)腔室，在半導(dǎo)體領(lǐng)域極具市場(chǎng)潛力。以氟氣為主的清除方式，不會(huì)造成在清除化學(xué)沉積器腔體時(shí)排放出的氟化合物，同時(shí)產(chǎn)生氟氣也很方便，這就使得氟氣在新一代清除物質(zhì)的選用上，引起廣泛注意。現(xiàn)場(chǎng)氟氣發(fā)生器以低壓方式產(chǎn)生氟氣，可以解決安全和穩(wěn)定供應(yīng)問題，為半導(dǎo)體業(yè)界提供了一種可行的替代方案。

 

 

（八）作為準(zhǔn)分子激光器的工作介質(zhì)氟與惰性氣體氬、氪等的混合氣可用做準(zhǔn)分子激光器的工作介質(zhì)，這種激光器可用于近視眼治療，目前已在各在醫(yī)院推廣應(yīng)用。

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