Введение

Химия фтора быстро вторгается в современную технику, научную практику и быт. Уже более четверти века органические фториды используются в химической, электротехнической, холодильной и медицинской промышленности. Вместе о тем каких-нибудь тридцать лет назад мало кто мог предсказать бурное развитие этой отрасли химической науки и техники. В промышленности с древних времен использовались лишь некоторые фториды металлов и другие неорганические соединения фтора. Попытки выделить фтор в свободном состоянии безуспешно продолжались более ста лет. Можно удивляться и восхищаться смелостью ученых, пытавшихся вырвать у природы тайну элементарного фтора. Одна из важнейших задач химической науки XIX в. - получение элементарного фтора - была разрешена только в 1886 г. французским ученым Анри Муассаном. Выделение свободного фтора позволило обнаружить предсказанную ранее его поразительную реакционную способность. Разрушительные свойства фтора и его простейших соединений в течение длительного времени создавали почти непреодолимые трудности для исследователей.

В истории химии фтора начался новый, полный драматических ситуаций, период укрощения нового неприступного элемента, с разрушительной силой реагирующего почти со всеми элементами и материалами. Большая и сложная работа, связанная с интересными и значительными открытиями, привела науку к созданию новых веществ, являющихся подлинными творениями химии, потому что они не имели аналогов в царстве природы.

В пору тяжелых и длительных исследований химии фтора их главной движущей силой были необычайно интересные свойства этого элемента, стоящего первым в ряду галоидов (в правом углу Периодической системы Д. И. Менделеева). В те времена никому не приходила мысль о практическом использовании фтора. В своих "Дополнениях к основам химии" в конце прошлого века Д. И. Менделеев писал: "Полезно и поучительно знать, что ныне и фтор, как простое тело, не успел укрыться от опыта и наблюдения, что попытки его уединения увенчались успехом, но совокупность общих химических сведений о фторе, как элементе, от этого выиграла немного". Даже в 40-х годах нашего столетия мало кто думал о техническом применении фтора. Например, в "Технической энциклопедии", изданной в 1934 г., под рубрикой "фтор" можно найти следующее заключение: "Из-за трудности получения и хранения фтор не имеет практического значения для промышленности". Эти слова, вероятно, отражали действительное положение с промышленным использованием фтора, но были высказаны именно в то время, когда уже намечался мощный поворот в судьбе всей проблемы. Они не были взглядом в будущее, которое уже подготавливало этому элементу и его соединениям одну из важнейших ролей в химии мате-риалов, создаваемых в интересах новой техники, появление которой означало целую техническую революцию.

Чудеса химии соединений фтора определяются в первую очередь необычайными физико-химическими свойствами самого элемента. Малый атомный и молекулярный объем, огромный окислительный потенциал, превышающий окислительный потенциал озона, самая высокая среди других элементов электроотрицательность, небольшая энергия диссоциации молекулы фтора и очень высокая энергия связи с другими элементами - вот некоторые свойства, делающие фтор непохожим на другие элементы и объясняющие его странное химическое поведение.

Смелое использование уникальных свойств фтора позволило превратить его из самого агрессивного элемента в покорного слугу химического эксперимента и производства. Высокий тепловой эффект реакции фтора с водородом, аммиаком, гидразином и другими соединениями позволяет использовать этот элемент в качестве мощного источника энергии. Чем активнее реагирует фтор с другими элементами и соединениями, тем выше энергия новых связей, тем стабильнее образующееся вещество. А именно стабильность к термическим и химическим воздействиям является ценнейшим качеством материалов новой техники.

Многие своеобразные и неожиданные черты "химического характера фтора", которые так долго укрывались от глаз и рук химиков, которые отпугивали исследователей и делали работу с ним очень затруднительной, были в конце концов использованы для создания соединений с удивительными свойствами, без которых невозможно было бы подойти к решению задач, стоящих перед современными конструкторами и инженерами.

Реакции между фтором и углеродом начали исследоваться со времен Анри Муассана. Первые соединения, в которых фтор был связан с углеродом, были получены еще Александром Бородиным, Фредериком Свартсом и Отто Руффом. Но эти работы долго не находили практического применения. Потребность во фторированных аналогах углеводородов, возникшая во время второй мировой войны для целей овладения атомной энергией и для других важных технических целей, привела к разработке эффективных методов введения фтора в органические соединения. Успешные исследования в области фторорганических соединений привели к созданию широкого класса веществ - фторуглеродов. Эти соединения, состоящие только из углерода и фтора, причем повторяющие строение углеводородов, являются результатом творческой деятельности человека и не известны в природе. Они обладают рядом своеобразных свойств, среди которых важнейшими являются термическая и химическая стабильность, низкая температура кипения при высоком молекулярном весе, слабое действие межмолекулярных сил, низкое поверхностное натяжение, замечательные диэлектрические и термодинамические характеристики и многие другие. Естественно, что сочетание таких свойств в одном веществе определяло их использование в различных областях современной техники. Фторуглероды, например, успешно используются в холодильной технике. Современный холодильник нельзя уже сделать без фторуглеродов - фреонов. Термодинамические свойства фторуглеродов позволяют создавать новые энергетически выгодные холодильные устройства. В последние годы фторуглероды используются как теплоносители, обеспечивающие миниатюризацию аппаратов, что особенно важно для авиации и ракетной техники. Фторуглеродные жидкости оказались лучшими веществами для охлаждения трансформаторов, радарных ламп высокой мощности, различных электронных устройств. Близость значений теплоемкости жидкости и насыщенного пара фторуглеродов позволяет использовать их в качестве газовых диэлектриков. Вместе с тем они являются прекрасными огнегасящими средствами, применяемыми в реактивной авиации. Фторуглероды служат легко кипящими растворителями в производстве аэрозольных упаковок для распыления инсектицидов, красителей и моющих средств, Фторирование углеводородных масел, полимеризация фторолефинов, синтез высокомолекулярных перфторэфиров приводит к получению стойких к окислению "вечных" смазочных материалов, гидравлических и разделительных жидкостей, используемых в атомной и реактивной технике.

На основе фторолефинов получены полимерные материалы - фторопласты. Фторопласт-4 (политетрафторэтилен) термостоек до 400°С, обладает огромной химической стойкостью, за что его называют "благородным металлом".

Прочное положение в электропромышленности и в радио электронике завоевал фторопласт-3, полимер трифторхлорэтилена. Фторопласты нашли широкое применение не только в электротехнической, но и в медицинской, а также в пищевой промышленности. Фторкаучуки представляют собой другой пример полимерных фторуглеродов, обладающих высокой стабильностью и свойствами эластомеров.

Свойство фторуглеродов снижать поверхностное натяжение жидкостей использовано для синтеза разнообразных поверхностно-активных веществ, сохраняющих свои свойства в сильных кислотах и щелочах. Поверхности, обработанные такими веществами, становятся масло- и водоотталкивающими и проявляют бактерицидную активность; обработка бумажных, текстильных и кожаных материалов придает им прочность, кислото- и маслоустойчивость.

Области применения фторсодержащих веществ необычайно широки. Следует отметить использование неорганических фторидов, например фтористого водорода, трехфтористого бора, в качестве активных катализаторов для многих процессов органической химии, а также при получении металлов из руд, при варке стекла и создании оптических приборов. С применением соединений фтора связан синтез прочных светостойких красителей, активных хемотерапевтических, в частности канцеролитических и анестезирующих средств.

Фтор стоит на грани органической и неорганической химии. Особые свойства этого элемента, образующего соединения с металлами и неметаллами, причем с проявлением максимальной валентности элемента широкий интервал прочности элемент-фторной связи приводит к реализации таких структур, которые не имеют аналогов среди углеводородных соединений. Решение многих технических задач привело к тщательному исследованию насыщенных и ненасыщенных фторуглеродов. Получены фторуглероды с различными функциональными группами: перфторированные галоидные алкилы, спирты, альдегиды, кетоны, сульфиды, карбоновые кислоты, диазосоединения, кетены и прочие. Свойства этих соединений резко отличаются от свойств производных углеводородов. Они расширяют границы использования химических соединений в науке и технике.

Блестящие работы по исследованию и использованию свойств фтора и его соединений, имеющие серьезное научное и практическое значение, вылились в интереснейшую главу современной химии и стали обширным и важным разделом науки.