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小原子的大用途——氟
2013-07-11 上海有机所 黄建华 | 【】【打印】【关闭

由氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)组成了卤姓(卤族元素)小家族,卤素家族中,氟排行在最前,是卤素中体积最小的原子,氟单质(零价态)是淡黄绿色的气体,它与其他元素联姻,又组成了大大小小成百上千个小家庭,每个家庭都有自己的爱好、个性和脾气。

卤族元素

氟(F)与硫(S)联姻组成四氟化硫(SF4),它是无色刺激性气体,属于剧毒类,但它又活泼好动,是非常好的氟化剂,在各种含氟材料的合成中具有无法替代的地位。

氟(F)与硫(S)联姻还能组成六氟化硫(SF6),它非常温顺,纯的六氟化硫是一种无色、无味、无臭、无毒、不燃、无腐蚀性的人造惰性气体,它具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能,是一种优于空气和油之间的新一代超高压绝缘介质材料,用于断路器、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等。电子级高纯六氟化硫是一种理想的电子蚀刻剂,被大量应用于微电子技术领域。此外,他被作为冷冻工业的致冷剂,采矿工业的反吸附剂,还被广泛应用于金属冶炼,航空航天、医疗(X光机、激光机)、气象(示踪分析)、化工(高级汽车轮胎、新型灭火器)等。随着科技的突飞猛进,六氟化硫涉及的领域不断扩展,被越来越多的基础领域和科技领域广泛应用。几乎是孪生兄弟的四氟化硫和六氟化硫性格差异就这么大。

“无氟冰箱”真的不含氟吗?“氟”真的是破坏大气臭氧层的罪魁祸首吗?其实“无氟”的提法并不科学,冰箱制冷剂大多还是含氟的。臭氧层的破坏是由于被广泛使用的冰箱制冷剂(氟利昂)中含有的氯原子造成的。在自然界中,消耗臭氧的物质,必须具备两个特征:含氯、溴或另一种相似性质的原子的物质,参与由臭氧变成氧的化学反应;在低层大气中必须十分稳定(也就是具有足够长的大气寿命),使其能够达到臭氧层。例如氟里昂的化学成分是二氟二氯甲烷,它含有多个氯原子,能消耗臭氧,其大气寿命可达12至14年,但氟原子相对活泼,能在低层大气中发生分解,到达臭氧层的数量很少。那为什么氟会被人们误解呢?问题也许出在Freon的翻译上,Freon按音译叫氟里昂,从这个名字中人们只看到了氟,却看不见真正的臭氧破坏者——氯。其实氟利昂按照其成分应译成氟氯烷或氟氯烃,中国台湾将其形象地翻译成“冷媒”。只要在制冷剂中使用不含氯的制冷剂,而是用氟碳(CFC) 和氢氟碳(HCFC)化合物取代,就可以实现保护臭氧的目的。目前使用的制冷剂已达70~80种,还在不断发展增多,但用于食品工业和空调制冷的仅十多种,其中被广泛采用的只有以下几种:R-134a(四氟乙烷)、R-407c(由二氟甲烷、四氟乙烷和五氟乙烷按一定的比例混合而成),R-404a(冷藏车用的是五氟乙烷、三氟乙烷和四氟乙烷混合物),R-410A(是一种混合制冷剂,由R-32(二氟甲烷)和R-125(五氟乙烷)组成的混合物)、R-407C(四氟乙烷、五氟乙烷、二氟甲烷混合物)等等,这些制冷剂其实都是含氟的。当然还有一些既不含氯也不含氟的如R-600a(异丁烷)、R-717(氨气)、R-718(水)等。它们性能不同,对不同的使用对象,在不同的要求条件下各显神通。

被称为“塑料王”的聚四氟乙烯,也是重要的含氟材料,它是1936 年在美国杜邦公司的罗伊·普朗克特先生在研究氟利昂的代用品时无意中发现的。他收集了部分四氟乙烯气体储存于钢瓶中,准备第二天进行下一步的实验,可是当第二天打开钢瓶减压阀后,却没有气体溢出,开始他以为是钢瓶漏气,可是将钢瓶称量后,发现钢瓶并没有减重。他们锯开了钢瓶,发现了大量的白色粉末,这是聚四氟乙烯。进一步研究发现聚四氟乙烯性质优良,可以用于原子弹、炮弹等的防熔密封垫圈,因此美国将该技术在二战期间一直保密。直到二战结束后才解密,并于1946年实现聚四氟乙烯的工业化生产。它的英文缩写为PTFE,商标名Teflon&reg,大陆译为特富龙、香港译为特氟龙、台湾译为铁氟龙、日语译为テフロン。聚四氟乙烯能够称王的本事是它既耐高温又耐低温,既耐腐蚀又耐气候,既高润滑又不粘附,既无毒害又易造型。
 
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