Распространение и источники фтора

Фтор - широко распространенный элемент Земли. В ряду других элементов он по своей распространенности должен быть поставлен на тринадцатое или четырнадцатое место. Из-за своей исключительной химической активности фтор встречается в природе только в виде соединений с другими элементами, главным образом в виде солей фтористоводородной кислоты.

Среднее содержание связанного фтора в почвах Русской равнины и почвах других стран приблизительно одинаково (0,02%).

На 1 л морской воды приходится 0,3 мг фтора. В речных водах концентрация фтора колеблется в широких пределах. При пониженном содержании фтора в питьевых водах наблюдается снижение устойчивости зубной эмали к кислым веществам, входящим в состав пищи, что вызывает заболевание зубов (кариес). Оптимальным содержанием фтора в воде считается 1-1,5 мг/л, и в настоящее время исследуется вопрос о целесообразности искусственного введения фтора в питьевую воду.

Некоторые авторы полагают, что фтор необходим для существования живой клетки и присутствует вместе с фосфором во всех животных и растительных тканях.

Наиболее важным фторсодержащим минералом является плавиковый шпат, или флюорит, состоящий в основном из фтористого кальция CaF₂; в этом соединении содержится до 49% фтора. Плавиковый шпат - сравнительно широко распространенный минерал. В Советском Союзе имеется несколько крупных его месторождений: в Забайкалье (Солнечное, Седловское, Абагатуевское, Калангуйское), в Ненецком национальном округе и др.

Крупными месторождениями плавикового шпата располагают США и Англия.

Большая часть добываемого фторида кальция использовалась раньше в металлургии. Сейчас, в связи с успехами химии фтора, основным потребителем этого продукта стала химическая промышленность, где он используется главным образом для производства фтористого водорода.

Среди минералов, содержащих фтор, большое значение имеют также апатиты и фосфориты - основное сырье для производства фосфорных удобрений. Главными составными частями этих ископаемых является фторапатит Ca₃(PO₄)₂CaF₂ и трикальцийфосфат Ca₃(PO₄)₂. Крупнейшие в мире месторождения апатита находятся в СССР, на Кольском полуострове. Основные залежи апатита в США расположены в штатах Теннеси, Флорида и севернее Скалистых гор. Крупные месторождения высококачественного апатита имеются также в Северной Африке.

В обогащенных фосфоритах в среднем содержится всего лишь 2,5-3,2% фтора, но ведь огромны запасы и широки масштабы переработки апатитов.

Большая часть природных фосфатов для превращения в искусственные удобрения обрабатывается серной кислотой, при этом содержащийся в них фтор выделяется в виде летучего четырехфтористого кремния. Из отходящих газов в оросительных скруберах фтор улавливается в виде кремнефтористоводородной кислоты. При переработке фосфатов в фосфор методом восстановления большая часть фтора улетучивается в форме фтористого кремния. Если принять, что в каждой тонне перерабатываемой фосфатной руды содержится в среднем около 30 кг фтора, то переработка 1 млн. т руды может дать 30 тыс. т фтора. До недавнего времени весь фтористый кремний, образующийся при производстве фосфорных удобрений, выбрасывался в атмосферу. В настоящее время разрабатываются и внедряются в промышленность эффективные методы улавливания и переработки фтористых соединений из фосфатов. Так как мировые запасы фосфатов исчисляются в миллиардах тонн, а запасы плавикового шпата истощаются, первые, несомненно, станут в недалеком будущем основными сырьевыми источниками фтора.

Товарный плавиковый шпат выпускается в виде трех сортов: металлургический, керамический и кислотный.

Металлургический шпат содержит около 85% фтористого кальция, не более 5% кремнезема и менее 0,3% серы. Он имеет вид гравия и используется в качестве флюсов в сталелитейной промышленности.

Керамический плавиковый шпат применяют в стекольной промышленности в качестве плавня и глушителя стекла и эмали. Он содержит 85-95% фтористого кальция, менее 2,5% кремнезема и не более 0,12% окиси железа и выпускается в виде тонко измельченного порошка белого цвета.

Кислотный шпат, применяющийся для получения фтористого водорода, содержит наибольшее количество фтористого кальция (97% и более), небольшую примесь карбоната кальция и кремнезема, 1% воды и 0,05% серы.

Замечательно разнообразие окраски плавикового шпата: он может быть совершенно бесцветным - прозрачным, фиолетовым, розовым, белым и зеленым. Неокрашенные и прозрачные кристаллы, имеющие большую ценность для оптической промышленности, встречаются редко.

Оптические свойства этих кристаллов позволяют использовать их вместо стекол при конструировании очень точных объективов для микроскопов. Особенно важное значение имеет применение флюорита в оптических приборах, предназначенных для работы в ультрафиолетовой области.

Для снижения количества отраженного света поверхность многих оптических стекол покрывают слоем вещества, коэффициент преломления которого меньше, чем у стекла. В состав таких покрытий входят фтористый кальций, литий, магний и другие фториды.

Присутствие хлористого железа в стекле придает ему коричневую окраску. Введение фторидов, например фтористого натрия, приводит к исчезновению окраски за счет образования бесцветного комплексного соединения фторида с хлористым железом.

Плавиковый шпат и другие фториды широко используются для производства матовых, молочных и окрашенных стекол.

Для получения непрозрачных, рассеивающих свет стекол используются флюорит и криолит.

Поскольку эмали и глазурь, по существу, представляют собой легкоплавкое стекло, добавляемый к ним плавиковый шпат выполняет функцию плавня и глушителя. Керамический и (частично) кислотный фторид кальция применяется в рецептуре эмалей для облицовочных плиток, ванн, умывальных раковин, холодильников и кухонных плит. Со времен Древнего Рима плавиковый шпат благодаря богатству оттенков и твердости применялся в качестве материала для изготовления разных ваз, кубков и урн.