Фторид кальция

Фторид кальция ( флюорит, плавиковый шпат, дифторид кальция, двуфтористый кальций) — неорганическое бинарное ионное химическое соединение. Химическая формула CaF₂.

Физические свойства

Бесцветные диамагнитные кристаллы (в измельчённом состоянии — белые). До температуры 1151 °C существует α-CaF₂ с кубической решеткой (а = 0,54626 нм, z=4, пространственная группа Fm3m), выше 1151 °C — разупорядоченная модификация тетрагональной сингонии, температура плавления у этой модификации — 1418 °C.

Плохо растворим в воде (16 мг/л при 18 °C).

Получение

В природе CaF₂ встречается в виде минерала флюорита (плавиковый шпат), который содержит до 90-95 % CaF₂ и 3,5-8 % SiO₂. Это хрупкий и мягкий минерал с большой вариацией в цвете: бесцветный, белый, жёлтый, оранжевый, красный, бурый, зелёный, зеленовато-голубой, фиолетово-синий, серый, пурпурный, синевато-чёрный, розовый и малиновый. Окраска связана с примесями хлора, железа, урана, дефектами кристаллической структуры, которая весьма тонко реагирует на нагревание. Является основным источником фтора в мире. Мировое производство ~4,5 млн т/год (1983 год).

В лабораторных условиях фторид кальция обычно получают из карбоната кальция и плавиковой кислоты:

{\mathsf {CaCO_{3}+2HF{\xrightarrow {}}CaF_{2}\downarrow +CO_{2}\uparrow +H_{2}O}}

Чисто теоретический интерес представляет способ получения непосредственно из простых веществ:

{\mathsf {Ca+F_{2}{\xrightarrow {}}CaF_{2}}}

Разбавленная плавиковая кислота взаимодействует с оксидом кальция:

{\mathsf {CaO+2HF{\xrightarrow {}}CaF_{2}\downarrow +H_{2}O}}

Фторид кальция можно получить обменными реакциями, например:

{\mathsf {CaCl_{2}+2NH_{4}F{\xrightarrow {}}CaF_{2}\downarrow +2NH_{4}Cl}}

Химические свойства

Фторид кальция химически относительно пассивен. При высокой температуре подвергается гидролизу:

{\mathsf {CaF_{2}+H_{2}O{\xrightarrow {800^{o}C}}CaO+2HF}}

{\mathsf {CaF_{2}+H_{2}O+SiO_{2}{\xrightarrow {1450^{o}C}}CaSiO_{3}+2HF}}

Разлагается концентрированной серной кислотой, что используется в промышлености для получения HF:

{\mathsf {CaF_{2}+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {130-200^{o}C}}CaSO_{4}+2HF\uparrow }}

При избытке HF образует сложный кристаллогидрат:

{\mathsf {CaF_{2}+2HF+6H_{2}O{\xrightarrow {}}Ca(HF_{2})_{2}\cdot 6H_{2}O\downarrow }}

При температуре в 600—700 °C фторид лития реагирует с оксидом кальция, давая на выходе оксид лития и фторид кальция:

{\mathsf {2LiF+CaO{\xrightarrow {600-700^{o}C}}CaF_{2}+Li_{2}O}}

Фторид лития с насыщенным раствором гидроксида кальция реагирует образовывая гидроксид лития и фторид кальция:

{\mathsf {2LiF+Ca(OH)_{2}{\xrightarrow {}}CaF_{2}+2LiOH}}

Применение

Фторид кальция является основным источником фтора и его соединений. Начиная с конца 1990-х годов добывалось ~5 млн тонн данного вещества в год.

Фторид кальция является компонентом металлургических флюсов, специальных стекол, эмалей, керамики, оптических и лазерных материалов. Он также используется в качестве флюса при плавке и переработке жидких чугуна и стали.

В лаборатории фторид кальция широко применяется в качестве оптического материала для инфракрасного и ультрафиолетового излучений, а также как материал с чрезвычайно низким показателем преломления. В первые годы 21-го века цена на рынке фторида кальция упала, и многие крупные заводы были закрыты. Canon и другие производители используют синтетически выращенные кристаллы фторида кальция в качестве компонентов в объективах, уменьшающих рассеивание света.

Применяется в стоматологии, для глубокого фторирования – насыщения твердых тканей зуба минеральными соединениями, путём обработки(очистка, просушивание струёй воздуха зуба и нанесение) поврежденных мест. Благодаря этому, терапевтический эффект по сравнению с применением фторлаков, усиливается в 100 раз.

Отличные механические, технические и эксплуатационные характеристики в сочетании с прозрачностью в широком спектральном диапазоне, высокой оптической однородностью, высокой радиационной устойчивостью позволяют использовать оптические монокристаллы фторида кальция в:

Микроскопии,
Квантовой и силовой оптике,
Инфракрасной технике,
Спектрофотометрии,
Фурье-спектроскопии,
Рентгеновской технике,
Космотехнике,
Астрономии,
Голографии.

Монокристаллы используются для изготовления окон, призм, линз и других оптических деталей, работающих в диапазоне излучения от ультрафиолетового до инфракрасного. Оптические детали из фторида кальция используются без защитных покрытий.^[1]

Опасность применения

Фторид кальция считается относительно безвредным в силу его малой растворимости в воде. Ситуация схожа и с BaSO₄, где токсичность, обычно связанная с Ba²⁺, компенсируется очень низкой растворимостью сульфата.

Ультратонкие плёнки

Тонкие кристаллические плёнки CaF₂ толщиной несколько нанометров находят применение в качестве барьерных слоёв в твердотельных структурах, включая резонансно-туннельные диоды (для ямы используется кремний или фторид кадмия)^[2]. Кроме того, рассматриваются варианты задействования таких плёнок в полевых транзисторах с изолированным затвором различных архитектур^[3], вместо традиционного для микроэлектроники материала SiO₂ и high-k-оксидов.

Слои фторида при этом выращиваются методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложках кристаллического кремния^[2]^[3]; высокое качество обеспечивается благодаря близости постоянных решётки Si и CaF₂.