Fluor : présentation

L'élément Fluor

 F 

Z = 9

 Abondance :

Teneur de l'écorce terrestre : 0,03 % en masse.

Le fluor se situe au treizième rang en abondance des éléments.

A l'état naturel, on trouve le fluor à l'état de fluorures métalliques.

A l'état standard, on isole l'élément fluor sous la forme F2 (difluor).

 

Principaux composés naturels :

CaF2 : fluorine[1] ou spath fluor en est le principal minerai.

Ca5(PO4)3F, fluoroapatite ou apatite fluorée [recommandation (Burke, 2008) : "apatite-(CaF)"[2]].

Ce minerai, exploité pour la production d'acide phosphorique et de phosphates, est aussi une source non négligeable d'acide fluorhydrique.

AlNa3F6 : cryolithe ou cryolite, minerai exploité au Groenland.

 

Structure électronique :

Configuration à l'état fondamental : 1s2 ; 2s2 ; 2p5.

A l'état fondamental le fluor possède 7 électrons sur la couche de valence.

Le fluor est monovalent : degré d'oxydation principal "–I".

Très exceptionnellement il est possible de trouver le degré d'oxydation "+I"[3].

 

Place du fluor dans la classification périodique :

Le fluor est situé dans le bloc "p". Il appartient à la deuxième période, c'est le premier élément de la colonne 17, famille des halogènes dont il est le représentant le moins volumineux[4].

 

Les isotopes du fluor :

Seul est stable. Dans l'univers, il représente donc 100% de l'élément fluor.

Le , isotope de synthèse, a une demi-vie de 110 min. (» 2 h.). Le fluor 18 est fabriqué lors d'une collision entre un proton et un noyau d’oxygène 18O.

Cet isotope a un usage médical en tomographie par émission de positon (TEP) son principal vecteur est le 2-(18F)fluoro-2-déoxy-D-glucoseF (FDG).

Il existe d'autres isotopes (17, 20, 21, 22) dont la demi-vie n'excède pas la minute.

 

Propriétés chimiques en bref :

Le nombre de nucléons et la charge du noyau font que l'atome de fluor est de petite taille.

Il en résulte que le fluor est le plus électronégatif des éléments (4,0 sur l'échelle de Pauling).

L'atome de fluor va capturer, avec une avidité peu commune, les électrons de valence des autres éléments en donnant soit des fluorures ioniques "C+ F-" soit des liaisons polaires, "X∂+-F∂-".

Le difluor réagit avec tous les éléments de la classification périodique (y compris les gaz rares).

On trouvera toutes les données physicochimiques concernant l'élément fluor dans la "sitographie" et la bibliographie.

 

Le fluor : préparation, importance industrielle et principaux composés.

Le difluor est essentiellement produit par électrolyse d'un sel fondu : KF,2HF.

F2 est utilisé pour la préparation de composés perfluorés, parmi les plus importants : UF6, SF6.

SF6 est le gaz isolant utilisé pour les applications haute tension électrique mais aussi le plus efficace des gaz à effet de serre (22 800 fois plus que le dioxyde de carbone) !

 

Parmi les principaux composés industriels on trouve :

-  Les spath fluor : ils sont préparés industriellement en trois qualités : acide ou chimique : plus de 97% de CaF2 ; métallurgique : de 60 à 97% de CaF2 ; céramique : 94 à 96% de CaF2.

 

-  La cryolithe AlNa3F6 est utilisée comme fondant dans le procédé d'obtention de l'aluminium par électrolyse ignée. Les quantités nécessaires sont telles que l'on utilise de la cryolithe de synthèse.

 

-  L'acide fluorhydrique HF. Il est essentiellement utilisé pour : la préparation des composés fluorocarbonés comme le tétrafluoroéthylène (TFE), la synthèse de cryolithe et la préparation de UF4. D'autres fluorures métalliques sont préparés par action de HF sur des oxydes et de petites quantités sont utilisées en gravure sur verre (mélanges H2SO4 conc. - HF).

La chimie des chlorofluorocarbones (CFC) utilise aussi de petites quantités de HF.

 

-  Citons des réactifs de moindre importance : NF3, PF3, PF5, SbF5, les fluorures d'halogène ClF3, IF5, etc.

 

-  Le fluor intervient en catalyse avec des molécules telles que : HF, BF3, BF4-, l'acide triflique (CF3SO3H).

L’ion triflate est souvent utilisé en chimie moléculaire inorganique comme contre-ion pour cristalliser des complexes de coordination cationiques. Comme le perchlorate, il est peu coordinant mais il est moins … dangereux.

 

-  Le fluor peut se substituer à l’hydrogène dans les composés organiques : acide trifluoroacétique, hexafluoroacétylacétonate (hfac), les fluorocarbones.

-  Les propriétés de la liaison C∂+-F∂- modifient considérablement (i) les propriétés chimiques (l’acide trifluoroacétique est un acide fort, pKa = 0.3. Les complexes métalliques de hexafluoroacétylacétonate sont de meilleurs acides de Lewis que les ions nus, (ii) les propriétés physiques (plus volatils, hydrophobes : TFE et son polymère PTFE – nom commercial "Téflon®" - à la base du matériau "Gore-Tex®").

 

Toxicité – Importance biologique.

Le difluor est très toxique. Le difluor est appelé "le tigre de la chimie" en référence aux blessures qu'il occasionne, le difluor ainsi que l'acide fluorhydrique sont extrêmement corrosifs.

Les fluorures sont nécessaires en très petite quantité pour de nombreux organismes animaux mais sont nocifs voire toxique à forte dose. Ainsi, l’émail dentaire étant constitué d’hydroxyapatite, un traitement au fluorure (dentifrice) - à des doses inférieures à 0,05 mg.kg-1.jour-1 - , a une action bénéfique pour la prévention de la carie dentaire : le fluorure se substitue à l’hydroxyde et rend l’émail moins sensible aux acides.

L'exposition aux ions fluorures en excès cause une maladie : la fluorose.

Le taux limite pour une exposition quotidienne de 8 heures était de 0,1 ppm (Valeur de 1974).

Dose létale : 200 à 500 mg.jour-1.

 

Etymologie et petite histoire de la découverte du fluor

Qui a donné le nom "fluor" à cet élément ?

En 1529 Georgius Agricola (Médecin allemand) décrit l'usage du minéral "fluorßpar" en tant que fondant métallurgique. Il s'agit de la fluorite : CaF2. Bien entendu, Agricola ignore la composition de ce composé minéral. L'étymologie du nom donné à ce composé minéral vient du latin fluere : fondre. (La racine grecque est fluein)

Dès le XVIIe siècle, des solutions d'acide fluorhydrique, préparées en dissolvant de la fluorite dans une solution d'acide sulfurique, sont utilisées pour graver le verre et les métaux.

Ce n'est que vers 1770 que Carl Wilhem Scheele identifie l'acide qui deviendra l'acide fluorhydrique.

Le 12 août 1812, André-Marie Ampère écrit à Humphrey Davy que cet acide, préparé en dissolvant de la fluorite dans une solution d'acide sulfurique, est constitué d'hydrogène et d'un autre corps simple (élément) qu'il appelle "fluore". Mais c'est Davy qui en 1813 adopta l'écriture "fluorine" par analogie avec "chlorine".

 

La découverte de l'élément fluor.

Le difluor est préparé et isolé par Henry Ferdinand Frédéric Moissan le 26 juin 1886.

Moissan obtint le difluor par électrolyse d'un mélange d'acide fluorhydrique anhydre et d'hydrogénofluorure de potassium à la température de – 35°C dans un tube en U réalisé en platine. Les électrodes étaient en alliage platine - iridium.

L'hydrogénofluorure de potassium (sel de Frémy) était utilisé comme électrolyte car l'acide fluorhydrique anhydre conduit très mal le courant électrique.

Cette technique de préparation est toujours utilisée pour la préparation du difluor.

Henri Moissan a reçu le prix Nobel de chimie en 1906 notamment pour son travail sur le fluor "in recognition of the great services rendered by him in his investigation and isolation of the element fluorine, and for the adoption in the service of science of the electric furnace called after him". C’est le premier prix Nobel de chimie français …

 

Le fluor en un clin d'œil :

 

     Nom : Fluor

     Symbole : F

     Numéro atomique : 9

     Masse atomique : 18,9984

     Etat à 298 K de la molécule F2: gaz

     Couleur F2: jaune pâle

     dans la classification périodique

     Groupe : 17

     Nom du groupe : halogènes

     Période : 2

     Bloc : bloc des éléments p

     Classification : non-métallique 

 Pour en savoir davantage :

le produit du jour du 7 mars 2011 sur le site de la SCF (Société chimique de France)

 http://www.societechimiquedefrance.fr/produit-du-jour/fluor.html

- sitographie

- bibliographie

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[1]   En langue anglaise "fluorine" est l'élément fluor et la fluorine (CaF2) est appelée "fluorite". Cela peut créer des confusions !

[2] http://eurjmin.geoscienceworld.org/cgi/reprint/22/2/163.pdf

Nomenclature of the apatite supergroup minerals ; M. Pasero, A.R. Kampf, C. Ferraris, I.V. Pekov, J. Rakovan, T.J. White ; Eur. J. Mineral. 2010, 22, 163–179, Published online March 2010

[3] Role of fluorine in reactive ion etching of silicon dioxide ; Ikegami N. ; Miyakawa Y. ; Hashimoto J. ; Ozawa N. ; Kanamori J. ; Japanese journal of applied physics, 1993, vol. 32 (1), no 12B (16 ref.), pp. 6088-6094.

"Fluorine positive ion (F+)-implanted SiO2 has been studied using thermal desorption and X-ray photoelectron spectroscopies.

[4]   Remarque : on pourrait être tenté de placer l'hydrogène au sommet de la colonne 17 car il ne lui manque qu'un seul électron pour compléter sa couche de valence !