Fluor - Définition et Explications

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Préparation

Le difluor, F2, est aujourd’hui encore produit industriellement grâce au procédé d’électrolyse introduit par Henri Moissan en 1886. Le bain électrolytique est constitué d’un mélange KF-2HF fondu à 90 °C - 100 °C environ. Le HF anhydre n’est pas conducteur car peu dissocié et c’est l’ajout de KHF2 qui permet la conduction ionique par un mécanisme complexe.

Lors de la réaction d’électrolyse, le difluor (Le difluor (F2) est une molécule formée de deux atomes de fluor.) est produit sur une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) selon :

2 HF2-F2(g) + 2 HF + 2 e-

A la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) (en métal), du dihydrogène (Le dihydrogène est la forme moléculaire de l'élément hydrogène, qui existe...) est produit :

4 HF + 2 e-H2(g) + 2 HF2-

Dans la cellule d’électrolyse, le potentiel appliqué est compris entre 8 et 10 V, et la densité de courant (La densité de courant électrique est définie comme le courant électrique par unité de surface...) est de l’ordre de 12 A⋅dm-2. Le rendement en courant est bon (95 %), mais le rendement énergétique global n’est que de 30 %.

En 1986, à l’occasion du centième anniversaire de la découverte de la préparation électrochimique du fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du...), Karl Christe a découvert une méthode originale et purement chimique de préparation en faisant réagir à 150 °C de l’acide fluorhydrique anhydre HF avec K2MnF6 et SbF5. La réaction est :

K2MnF6 + 2 SbF5 → 2 KSbF6 + MnF3 + 1/2 F2

Ce procédé est anecdotique car inexploitable industriellement.

Propriétés physiques

Le fluor est le premier élément de la colonne des halogènes. C'est un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...) verdâtre inflammable d'une odeur piquante et irritante. C'est un élément très actif chimiquement, rarement monoatomique.

Un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) de fluor possède 9 électrons qui gravitent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du noyau, sa configuration électronique (En physique des particules comme en chimie quantique, la configuration électronique est la...) peut s'écrire 1s2 2s2 2p5 ou [He](2s)2(2p)6. Sa structure électronique s'écrit (K)2(L)7. Pour que le fluor respecte la règle de l'octet (L’octet est une unité de mesure en informatique mesurant la quantité de...), il gagne un dixième électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) fluorure F- pour avoir 8 électrons sur sa couche externe (  Ne pas confondre couche de valence et valence).

La première densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du fluor a été calculée par Henri Moissan (Ferdinand Frédéric Henri Moissan (28 septembre 1852 à Paris -...) à partir d'un expérience où il a recueilli du fluor et de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) puis a rempli de flacon de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.). Henri Moissan a obtenu une densité de 1,264 à 0 °C et 760 mmHg. Il a ensuite calculé la densité théorique en multipliant la densité de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et le poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) atomique du fluor, il a trouvé 1,316.

Isotopes

Le fluor possède en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) dix-huit isotopes mais seul le fluor 19 (19F) est stable. Les autres isotopes les plus stables sont le fluor 18 (Le fluor 18, noté 18F, est l'isotope du fluor dont le nombre de masse est égal à...) (18F) d'une demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour...) de 1,8293h soit environ 110min et le fluor 20 (20F) d'une demi-vie de 11,163s. Sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), il n'y aucun Fluor 18 naturel car le Fluor 19 est abondant à 100 % et donc le seul isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) naturel. Tous ses isotopes non stables se transforment en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) ou en néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.).

L'isotope le plus abondant, Fluor 19, est produit sur Terre par désintégration bêta de l'oxygène 19 (19O) ou par capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) électronique du néon 19 (19Ne). Dans le cas de la capture électronique, un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire...) du néon capture un électron ce qui le transforme en neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.). Dans le cas de la désintégration β-, un neutron de l'atome d'oxygène est converti en proton :

{}e^-+^{19}\hbox{Ne}\rightarrow^{19}\hbox{F}+\bar{\nu}_e
{}^{19}\hbox{O}\;\to\;^{19}\hbox{F}^+\;+\;e^-+\bar{\nu}_e

Le fluor 19 possède 19 nucléons dont 10 neutrons et 9 protons, c'est un boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) avec un spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) 1/2+ pour une masse atomique (La masse atomique (ou masse molaire atomique) d'un isotope d'un élément chimique est la masse...) de 18,9984032 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de -1 487,405±0,070 keV/c² et une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de liaison nucléaire (La liaison nucléaire est le phénomène qui assure la cohésion d'un noyau atomique.) de 147 801 358±74 eV.

On peut fabriquer d'autres isotopes par réactions nucléaires, instables, qui se désintègrent rapidement, peu dépassent la minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...). L'isotope ayant la demi-vie la plus courte est le fluor 16, qui se désintègre par émission d'un proton en 40 keV. Le fluor 17 se désintègre par capture électronique en 64,49 s. Le fluor 20, fluor 21, fluor 22, fluor 23, fluor 24 et fluor 25 se désintègrent par désintégration β- en 11 s, 4,158 s, 4,23 s, 2,23 s, 0,34 s et 0,059 s, respectivement.

Le fluor 18 est le radioisotope (Les radioisotopes, radionucléides ou radioéléments, contraction de...) le plus stable qui puisse être fabriqué. Sa demi-vie est approximativement de 110 min. Ce fermion (Le modèle standard classe les particules élémentaires en deux grandes...) compte 9 protons et 9 neutrons avec un spin 1+ pour une masse atomique de 18,0009377 g/mol. Il est caractérisé par un excès de masse de 873 431±593 eV/c2 et une énergie de liaison nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) de 137 369 199±593 eV.

Spectre

Au XIXe siècle, peu de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) avant l'isolation de l'élément, le savant Georges Salet a déterminé quelques raies du fluor en comparant les spectres d'émission du chlorure et du fluorure de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...). Les Fα présentent des raies à 692, 686 et 678 nm environ chacune. Les Fβ présentent une raie (Raie [ʀɛ] est un nom vernaculaire ambigu qui correspond en français à de...) à 640 nm et les Fγ à 623 nm. Henri Moissan a repris les expériences de Salet et a utilisé des électrodes de platine puis des électrodes d'or. Il a pu comparer le spectre de Salet avec ceux fournis par certains fluorures. Avec les électrodes de platine, on obtient plusieurs raies de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 744, 740, 734, 714, 704, 691, 687,5, 685,5, 683,5, 677, 640,5, 634 et 623 nm alors que les électrodes d'or ne permettent pas d'avoir les longueurs d'onde 744 et 740 nm.

Combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la...)

Le fluor est un gaz ininflammable mais qui peut produire une flamme en réagissant avec beaucoup de substances chimiques. Il peut réagir violemment avec un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de composés chimiques et avec l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), même à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), et forme de l'ozone (L’ozone (ou trioxygène) est un composé chimique comportant 3 atomes...) et de l'acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions...) fluorhydrique.

3F2 + 3H2O → O3 + 6HF

Gaz

Fluor à l'état gazeux

Plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...)

Liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...)

Superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...)

Solide

Composés

Le difluor pur est un gaz jaune pâle corrosif : c’est un oxydant puissant. Elément le plus réactif et le plus électronégatif, il forme des composés avec la plupart des autres éléments, y compris les gaz rares xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le...) et radon (Le radon est un élément chimique du tableau périodique de symbole Rn et de...).

Même dans des conditions de basse température et sans lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), le difluor réagit explosivement avec le dihydrogène, même en dessous de -250 °C lorsque le fluor est solide et l’hydrogène liquide ! Dans un jet de gaz difluor, le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...), les métaux, l’eau et d’autres substances brûlent avec une flamme lumineuse. Le fluor a une telle affinité pour la plupart des éléments, en particulier pour le silicium (Si), qu’il ne peut ni être préparé ni être conservé dans des récipients de verre (constitués principalement de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) SiO2).

Minéraux

Parmi ceux-ci, la fluorine (La fluorite est une espèce minérale composée de fluorure de calcium, de formule...) est un fluorure de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) de composition CaF2.

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