vignette|Un tube contenant du fluor dans un bain de liquide cryogénique.
Le fluor est l'élément chimique de numéro atomique 9, de symbole F. C'est le premier élément du groupe des halogènes. Le corps simple correspondant est le difluor (constitué de molécules F), souvent appelé simplement fluor.
Le seul isotope stable est F. Le radioisotope le moins instable est F, dont la demi-vie est d'un peu moins de et qui se transmute en oxygène 18 (dans 97 % des cas par désintégration β et sinon par capture électronique).
Le fluor est le plus réactif des éléments chimiques, il est d'ailleurs généralement lié à d'autres éléments. Il possède la plus forte électronégativité, d'une valeur de 3,98. Il est le le plus abondant dans la croûte terrestre. Quelques plantes et certaines bactéries peuvent synthétiser des composés fluorés, mais le fluor n'a aucun rôle métabolique chez les mammifères .
Aux conditions normales de température et de pression, le corps simple fluor se présente sous forme de difluor , gaz diatomique jaune pâle, très toxique et extrêmement corrosif. Le point de fusion du difluor est de et son point d'ébullition de , températures entre lesquelles le difluor est liquide, avec une masse volumique de . Le fluor provoque de très graves brûlures au contact de la peau, des muqueuses, et des os. Georgius Agricola décrivait déjà l'existence du fluor en 1530 mais cet élément n'a été isolé qu'en 1886, par Henri Moissan.
Histoire Le fluor (du latin signifiant flux ou courant) est d'abord mentionné au par Basile Valentin sous le nom de puis décrit par Georgius Agricola en 1530, sous sa forme de fluorine, comme une substance utilisée pour promouvoir la fusion des métaux ou des minéraux..
Découvertes incomplètes Il a été dit que Heinrich Schwanhard utilisait de l'acide fluorhydrique pour graver le verre. Les premières explications du processus de formation de l'acide fluorhydrique furent publiées en 1725 par George Weygand, qui les tenait de Matthäus Pauli, qui lui-même les tenait d'un verrier anglais. En 1768, Andreas Marggraf décrivit la première observation de cette réaction chimique.
Inspiré par les publications d'Andreas Marggraf, Carl Scheele commença dès 1771 à chercher la nature chimique du fluor, ainsi que le détail de ses réactions avec les acides. Il observa que le fluor attaquait le verre par des fumées obtenues en chauffant lentement un mélange de fluorine et d'acide sulfurique. Les résidus solides qui se trouvaient dans le mélange étaient extraits avec de l'eau, et révélaient la présence de chaux par addition d'ammoniaque. Les fumées combinées avec de l'eau formaient une masse blanche, identifiée comme de la silice. Ainsi, la solution obtenue présentait une réaction acide, que Carl Scheele nomma acide fluorhydrique (). Scheele réunit tous les résultats de ses expériences et montra comment identifier cet acide. Le fait que le fluor était capable de graver le verre permit à Jacob Berzelius d'en trouver dans de l'eau en 1822.
Certains chercheurs contestèrent que l'acide fluorhydrique était vraiment un acide. C'est seulement après que l'acide chlorhydrique fut identifié comme un composé d'hydrogène et qu'un nouvel élément appelé chlore fut découvert que certains chercheurs pensèrent que l'acide fluorhydrique était lui aussi un composé d'hydrogène et d'un autre élément aux propriétés proches du chlore. Ils proposèrent de nommer cet élément inconnu fluor, puis phtor (d'après la racine grecque marquant l'idée de « destruction »), en raison des propriétés destructives de ses composés. Ce terme de phtor ne fut accepté qu'en grec, russe et quelques autres langues sous l'influence du russe.
Recherches sur l'isolement du fluor Le fluor ne put être isolé pendant de nombreuses années, car, à peine séparé, il attaque immédiatement les restes de son composé.
Gay-Lussac et Thénard furent les premiers à tenter d'isoler cet élément. Leur préparation d'acide fluorhydrique fumait fortement dans l'air, dissolvait rapidement le verre, et causait de graves brûlures au contact de la peau. Ces expériences, et d'autres encore, avec des manipulations imprudentes, se soldaient souvent par des intoxications ou des morts.
Antoine Lavoisier expérimenta aussi l'acide fluorhydrique (solution de fluorure d'hydrogène HF dans l'eau). Certaines de ces expériences menées pour isoler le fluor se terminèrent tragiquement, du fait du danger inhérent à cette substance..
Humphry Davy chercha à montrer que l'acide fluorhydrique ne contenait pas d'oxygène. Il neutralisa l'acide avec de l'ammoniaque pur. La solution obtenue ne présentait pas d'eau, et donc pas d'oxygène. Ses expériences suivantes à partir d'électrolyses échouèrent. Puis il fit réagir le chlore avec des fluorures, sans plus de succès. Il en conclut que le fluor avait une activité chimique plus importante que les autres éléments.
En 1833, Aimé mit en présence du fluorure d'argent () avec du chlore dans un vase de verre. Ces expériences ne furent pas plus satisfaisantes que celles de Davy. Les frères Knox répétèrent cet essai dans un appareil en fluorure de calcium (). Mais il est très difficile de déshydrater le fluorure d'argent, et leur expérience échoua. En 1848, Louyet reprit des expériences analogues, en remplaçant le fluorure d'argent par du fluorure de mercure. Aucune de ces expériences ne permit d'isoler le fluor. Edmond Frémy démontra ensuite que l'action du chlore sur le fluor ne l'isole pas. Il démontra aussi l'existence de plusieurs fluorures.
En 1869, Georges Core produisit une petite quantité de fluor grâce à une électrolyse. Mais dans son expérience, du fluor gazeux et de l'hydrogène gazeux se formaient sur les deux électrodes, alors qu'il ne savait pas que le fluor et l'hydrogène gazeux se combinaient de manière explosive..
Bien que le fluor ne soit pas encore vraiment isolé, Mendeleïev le plaça dans sa classification périodique en 1869.
Travaux de Moissan vignette|Henri Moissan, premier chimiste à avoir isolé le fluor.
Ce n'est que le qu'Henri Moissan parvint à isoler le fluor (sous forme gazeuse) par électrolyse de fluorure d'hydrogène (HF), avec du bifluorure de potassium comme électrolyte et des électrodes en platine iridié, sous une tension de . L'ensemble de l'expérience était menée dans un tube en U en platine bouché par des cylindres en fluorine... Le difluor pur apparaissait à l'anode et le dihydrogène à la cathode. Henri Moissan dut mener cette expérience à basse température () pour maintenir le fluorure d'hydrogène à l'état liquide, car ce dernier bout à .. Cette découverte, rapportée à l'Académie des sciences deux jours plus tard, lui valut le prix Nobel de chimie en 1906, conjointement à sa mise au point d'un four à arc électrique..
L'isolement du fluor fut un défi majeur en raison de sa réactivité exceptionnelle, qui attaque la plupart des matériaux expérimentaux, à l'exception du platine. Moissan avait ainsi réussi là où des chimistes parmi les plus grands avaient échoué, comme décrit dans la section précédente : H. Davy (1813-14), G. Aimé (1833), M. Faraday (1834), C.J. et T Knox (1836), P. Louyet (1846), E. Frémy (1854), H. Kammerer (1862) et G. Gore (1870).
Moissan a ensuite perfectionné la méthode de préparation du fluor, étudié ses propriétés physiques et chimiques (notamment à hautes températures, grâce à son four à arc électrique), et synthétisé divers fluorures inorganiques et dérivés organofluorés, parfois en collaboration avec ses élèves.
Propriétés atomiques et nucléaires Le fluor est le premier élément de la colonne des halogènes. C'est un élément très actif chimiquement.
L'atome de fluor possède 9 électrons, 2 sur la couche K et 7 sur la couche L. Sa configuration électronique est , qu'on peut écrire pour mettre en exergue la couche de valence. Pour respecter la règle de l'octet (8 électrons sur la couche de valence), le fluor neutre peut gagner un dixième électron et former ainsi l'ion fluorure F.
Isotopes
Le fluor possède en tout dix-huit isotopes. mais seul le fluor 19 (19F) est stable, faisant du fluor un élément monoisotopique. Les autres isotopes les plus stables sont le fluor 18 (18F) d'une demi-vie de 1,8293 h, soit environ 110 min., et le fluor 20 (20F) d'une demi-vie de 11,163 s. Sur Terre, il n'y aucun fluor 18 naturel car aucun processus naturel ne conduit à sa formation et donc l'abondance du fluor 19 est de 100 %, faisant du fluor également un élément mononucléidique ; 19F étant le seul isotope naturel, cela permet de connaître sa masse molaire avec une très grande précision.. Tous ses isotopes non stables se transforment en isotopes de l'oxygène ou en isotopes du néon..
L'isotope le plus abondant, le fluor 19, provient de la nucléosynthèse stellaire (cycle CNO III ou IV). + ⟶ + .
Il est parfois produit sur Terre par désintégration bêta de l'oxygène 19. (19O) ou par capture électronique du néon 19. (19Ne). Dans le cas de la capture électronique, un proton du néon capture un électron ce qui le transforme en neutron. Dans le cas de la désintégration β, un neutron de l'atome d'oxygène est converti en proton : e + ⟶ + ; ⟶ + e + .
Le fluor 19 possède dont et , atome de masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de et une énergie de liaison nucléaire de ..
On peut fabriquer d'autres isotopes par réactions nucléaires, instables, qui se désintègrent rapidement ; peu dépassent la minute. L'isotope ayant la demi-vie la plus courte est le , qui se désintègre par émission d'un proton en (). Le se désintègre par capture électronique en . Les , , , , et se désintègrent par en , , , , et , respectivement.
Le fluor 18 est le radioisotope le plus stable qui puisse être fabriqué. Sa demi-vie est d'environ . Ce nucléide compte et pour une masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de et une énergie de liaison nucléaire de ..
Spectre d'émission Au , peu de temps avant l'isolation de l'élément, le savant Georges Salet a déterminé quelques raies du fluor en comparant le spectre d'émission du chlorure et du fluorure de silicium. Les Fα présentent des raies à 692, 686 et environ chacune. Les Fβ présentent une raie à et les Fγ à . 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 d'onde 744, 740, 734, 714, 704, 691, 687,5, 685,5, 683,5, 677, 640,5, 634 et alors que les électrodes d'or ne permettent pas d'avoir les longueurs d'onde 744 et ..
Corps simple
vignette|Composition du Difluor. Le corps simple fluor est ordinairement diatomique (difluor F), mais il peut être monoatomique. Le difluor est un gaz jaune verdâtre d'une odeur piquante et irritante., toxique, non combustible mais capable d'oxyder (comburant) dangereusement vite tout ce qui peut brûler dans l'air, et même l'eau, le verre ou le sable ordinaires réagissent dans une atmosphère de fluor.
Propriétés physiques La première densité du fluor a été calculée par Henri Moissan à partir d'une expérience où il a recueilli du fluor et de l'air dans un flacon de platine. Henri Moissan a obtenu une densité de 1,264 à et . Il a ensuite calculé la densité théorique en multipliant la densité de l'hydrogène et le poids atomique du fluor, et il a trouvé 1,316..
Propriétés chimiques Le difluor pur est un gaz jaune pâle corrosif : c'est un oxydant puissant.
Le fluor est un gaz ininflammable mais qui peut produire une flamme en réagissant avec de nombreuses substances chimiques. Il peut réagir violemment avec un grand nombre de composés chimiques. Avec l'eau, même à basse température, il forme de l'ozone et de l'acide fluorhydrique. : 3 F + 3 → O + 6 HF.