CALCIUMFLUORIDE (CAF2): STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, GEBRUIK - FYSIEK - 2026

Het calciumfluoride is een anorganische vaste stof en omvat een calciumatoom (Ca) en twee fluoratomen (F). De chemische formule is CaF ₂ en het is een kristallijne grijsachtig witte vaste stof.

In de natuur komt het voor in het mineraal fluoriet of vloeispaat. Het komt van nature voor in botten en tanden. Het mineraal fluoriet is de belangrijkste bron die wordt gebruikt om andere fluorverbindingen te verkrijgen.

Vaste CaF ₂ calciumfluoride . w: Gebruiker: Walkerma in juni 2005. Bron: Wikimedia Commons.

Bovendien wordt CaF ₂ gebruikt om tandbederf te voorkomen, daarom wordt het toegevoegd aan materialen die tandartsen gebruiken om ze te genezen. In feite wordt calciumfluoride ook toegevoegd aan drinkwater (drinkwater) zodat de bevolking er baat bij heeft om het te drinken en de tanden te poetsen.

CaF ₂ wordt gebruikt in de vorm van grote kristallen in optische apparatuur en camera's. Het wordt ook gebruikt in kleine apparaten die worden gebruikt om te detecteren hoeveel een persoon is blootgesteld aan radioactiviteit.

Structuur

Calciumfluoride CaF ₂ is een ionische verbinding gevormd door een calcium Ca ²⁺ kation en twee fluoride F ^- anionen . Sommige informatiebronnen geven echter aan dat hun links een bepaald covalent karakter hebben.

Structuur van calciumfluoride CaF ₂ . Blauw: calcium; Geel fluor. Claudio Pistilli. Bron: Wikimedia Commons.

Nomenclatuur

Calciumfluoride

Eigendommen

Fysieke toestand

Kleurloze tot grijswitte vaste stof met kubische kristallijne structuur.

Kubieke kristalstructuur van CaF ₂ . Benjah-bmm27. Bron: Wikimedia Commons.

Molecuulgewicht

78,07 g / mol

Smeltpunt

1418 ºC

Kookpunt

2533 ºC

Dichtheid

3,18 g / cm ³ bij 20 ° C.

Brekingsindex

1.4328

Oplosbaarheid

Het is bij 20 ° C onoplosbaar in water. Bijna onoplosbaar bij 25 ° C: 0,002 g / 100 ml water. Enigszins oplosbaar in zuren.

Chemische eigenschappen

De oxiderende of reducerende eigenschappen zijn erg zwak, maar deze reacties kunnen voorkomen. Hoewel, in het algemeen, in zeer weinig gevallen.

Het is inert voor organische chemicaliën en veel zuren, waaronder HF fluorwaterstofzuur. Het lost langzaam op in salpeterzuur HNO ₃ .

Het is niet brandbaar. Het reageert niet snel met lucht of water.

Vanwege de lage affiniteit voor water, zelfs als het wordt blootgesteld aan een hoge vochtigheidsgraad, heeft het geen invloed op het zelfs tot een maand bij normale kamertemperatuur.

In aanwezigheid van vocht lossen de wanden van de kristallen langzaam op bij temperaturen boven 600 ° C. In droge omgevingen kan het worden gebruikt tot ongeveer 1000 ° C zonder merkbaar te worden beïnvloed.

Aanwezigheid in de natuur

Calciumfluoride CaF ₂ komt van nature voor in het mineraal fluoriet of vloeispaat.

Hoewel zuiver CaF ₂ kleurloos is, wordt het mineraal fluoriet vaak gekleurd door de aanwezigheid van elektronen die gevangen zitten in de "gaten" in de kristalstructuur.

Dit mineraal wordt zeer gewaardeerd om zijn glazige glans en verscheidenheid aan kleuren (paars, blauw, groen, geel, kleurloos, bruin, roze, zwart en roodachtig oranje). Er wordt gezegd dat het "het meest gekleurde mineraal ter wereld" is.

Fluoriet uit een mijn in Frankrijk. Muséum de Toulouse. Bron: Wikimedia Commons.

Fluoriet (blauwe kristallen) uit het natuurmuseum van Milaan. Giovanni Dall'Orto. Bron: Wikimedia Commons.

Fluoriet uit een mijn in Engeland. Didier Descouens. Bron: Wikimedia Commons.

Fluoriet uit een mijn in Frankrijk. Didier Descouens. Bron: Wikimedia Commons.

Fluoriet uit een mijn in de VS. Auteur: Jurema Oliveira. Bron: Wikimedia Commons.

Calciumfluoride komt ook voor in de botten in hoeveelheden tussen 0,2 en 0,65%, en ook in het glazuur van de tanden in 0,33-0,59%.

Toepassingen

- Bij het verkrijgen van fluorverbindingen

Het mineraal fluoriet CaF ₂ is wereldwijd de belangrijkste of grootste bron van fluor. Het is de grondstof voor het bereiden van bijna alle fluorverbindingen.

De belangrijkste hiervan is fluorwaterstofzuur HF, waaruit de andere gefluoreerde verbindingen worden bereid. Het fluoride-ion F ^- komt vrij uit het mineraal door het te laten reageren met geconcentreerd zwavelzuur H ₂ SO ₄ :

CaF ₂ (vast) + H ₂ SO ₄ (vloeibaar) → CaSO ₄ (vast) + 2 HF (gas)

- Onder de tanden

CaF ₂ calciumfluoride is een middel ter preventie van gaatjes. Het wordt gebruikt om drinkwater (drinkbaar water) voor dit doel te fluorideren.

Bovendien is aangetoond dat de lage concentraties F ^- fluoride (in de orde van 0,1 delen per miljoen) die in tandpasta's en mondwater worden gebruikt, een diepgaand positief effect hebben bij preventieve tandheelkundige zorg tegen cariës.

Calciumfluoride helpt bij het voorkomen van gaatjes. Auteur: Annalise Batista. Bron: Pixabay.

CaF-nanodeeltjes

Hoewel fluoriden worden gebruikt in tandpasta's en spoelbeurten, zorgt de lage concentratie calcium (Ca) in het speeksel ervoor dat CaF _2- afzettingen niet zo effectief mogelijk op de tanden worden gevormd .

Daarom is er een manier bedacht om CaF _2- poeder als nanodeeltjes te verkrijgen .

Hiervoor wordt een sproeidroger (uit het Engels sproeidroger) gebruikt waar twee oplossingen (een van calciumhydroxide Ca (OH) ₂ en een van ammoniumfluoride NH ₄ F) worden gemengd terwijl ze worden gesproeid in een kamer met stroming van hete lucht.

Dan treedt de volgende reactie op:

Ca (OH) ₂ + NH ₄ F → CaF ₂ (vast) + NH ₄ OH

NH ₄ OH vervliegt als NH ₃ en H ₂ O en de CaF ₂ nanodeeltjes blijven achter .

Ze hebben een hoge reactiviteit en een grotere oplosbaarheid, waardoor ze effectiever zijn voor het remineraliseren van tanden en als anticaries.

- In lenzen voor optische apparatuur

Calciumfluoride wordt gebruikt om optische elementen te bouwen, zoals de prisma's en vensters van infrarood- en ultraviolet (UV) lichtspectrofotometers.

Met deze apparaten kunnen we de hoeveelheid licht meten die door een materiaal wordt geabsorbeerd wanneer het erdoorheen gaat.

CaF ₂ is transparant in dergelijke gebieden van het lichtspectrum, heeft een extreem lage brekingsindex en maakt een efficiëntere resolutie mogelijk dan die van NaCl in het bereik van 1500-4000 cm ^{- 1} .

Dankzij zijn chemische stabiliteit is het bestand tegen ongunstige omstandigheden, zodat de optische CaF _2- elementen niet worden aangetast. Het heeft ook een hoge hardheid.

In camera's

Sommige fabrikanten van fotografische camera's gebruiken kunstmatig gekristalliseerde CaF _2- lenzen om lichtverstrooiing te verminderen en een uitstekende correctie van kleurvervorming te bereiken.

Sommige camera's hebben calciumfluoride CaF _2- lenzen om kleurvervorming te verminderen. Bill Ebbesen. Bron: Wikimedia Commons.

- In de metallurgische industrie

CaF ₂ wordt gebruikt als vloeimiddel in de metallurgische industrie, omdat het een bron is van in water onoplosbaar calcium en daarom effectief is in zuurstofgevoelige toepassingen.

Het wordt gebruikt om ijzer en staal in vloeibare vorm te smelten en te verwerken. Dit is gebaseerd op het feit dat het een smeltpunt heeft dat vergelijkbaar is met dat van ijzer en ook dat het oxiden en metalen kan oplossen.

- In detectoren van radioactiviteit of gevaarlijke straling

CaF ₂ is een thermoluminescerend materiaal. Dit betekent dat het straling in de elektronen van zijn kristallijne structuur kan absorberen en later, bij verhitting, in de vorm van licht kan afgeven.

Dit uitgestraalde licht kan worden gemeten met een elektrisch signaal. Dit signaal is evenredig met de hoeveelheid straling die het materiaal ontvangt. Het betekent dat hoe meer straling wordt ontvangen, hoe meer licht het zal uitstralen nadat het is verwarmd.

Daarom wordt CaF ₂ gebruikt in zogenaamde persoonsdosimeters, die worden gebruikt door mensen die aan gevaarlijke straling worden blootgesteld en willen weten hoeveel straling zij in een bepaalde tijd hebben ontvangen.

- Andere gebruiken

- Het wordt gebruikt als katalysator in chemische reacties van uitdroging en dehydrogenering voor de synthese van organische verbindingen.

- Het wordt gebruikt in alkalische laselektroden. Er wordt een sterkere las verkregen dan met zure elektroden. Deze elektroden zijn nuttig bij de fabricage van schepen en stalen hogedrukvaten.

- Als voedingssupplement in extreem lage hoeveelheden (ppm of delen per miljoen).

Man lassen. CaF ₂ calciumfluoride-elektroden vormen sterkere lassen. William M. Plate Jr. Bron: Wikimedia Commons.

Referenties

1. Pirmoradian, M. en Hooshmand, T. (2019). Remineralisatie en antibacteriële eigenschappen van op hars gebaseerde tandheelkundige nanocomposieten. Synthese en karakterisering van calciumfluoride (CaF ₂ ). In toepassingen van nanocomposietmaterialen in de tandheelkunde. Opgehaald van sciencedirect.com.
2. Amerikaanse National Library of Medicine. (2019). Calciumfluoride. Opgehaald van pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Weman, K. (2012). Handmatig metaalbooglassen (MMA) met gecoate elektroden. In Welding Processes Handbook (Second Edition). Opgehaald van sciencedirect.com.
4. Hanning, M. en Hanning, C. (2013). Nanobiomaterialen in preventieve tandheelkunde. Nanogrootte calciumfluoride. In Nanobiomaterials in Clinical Dentistry. Opgehaald van sciencedirect.com.
5. Ropp, RC (2013). Groep 17 (H, F, Cl, Br, I) Alkaline-aardeverbindingen. Calciumfluoride. In Encyclopedia of the Alkaline Earth Compounds. Opgehaald van sciencedirect.com.
6. Cotton, F. Albert en Wilkinson, Geoffrey. (1980). Geavanceerde anorganische chemie. Vierde druk. John Wiley & Sons.
7. Valkovic, V. (2000). Metingen van radioactiviteit. In radioactiviteit in het milieu. Thermoluminescente detectoren (TLD's). Opgehaald van sciencedirect.com.