Fluoruro di calcio: differenze tra le versioni

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Il '''fluoruro di calcio''' è un [[composto inorganico]] [[Composto binario|binario]] di [[Calcio (elemento chimico)|calcio]] e [[fluoro]] ed è anche il [[sale]] di calcio dell'[[acido fluoridrico]], la cui formula è CaF<sub>2</sub>. È presente in natura come [[minerale]] [[fluorite]], noto anche con la denominazione tradizionale di ''spato fluore'':<ref>{{Cita web|url=https://www.treccani.it/enciclopedia/fluorite-o-fluorina-spato-fluore_(Enciclopedia-Italiana)|titolo=FLUORITE, o fluorina, spato fluore in "Enciclopedia Italiana"|sito=www.treccani.it|lingua=it-IT|accesso=2023-07-05}}</ref> consiste in cristalli trasparenti di ragguardevole durezza, 4 nella [[scala di Mohs]] (ne è il cristallo di riferimento).<ref>{{Cita pubblicazione|nome=D|cognome=Tabor|data=1954-03-01|titolo=Mohs's Hardness Scale - A Physical Interpretation|rivista=Proceedings of the Physical Society. Section B|volume=67|numero=3|pp=249–257|accesso=2023-07-05|doi=10.1088/0370-1301/67/3/310|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0370-1301/67/3/310}}</ref> Tali cristalli, quasi insolubili in acqua, sono incolori se puri, ma spesso variamente colorati e a volte anche [[Fluorescenza|fluorescenti]] per la presenza di impurezze o difetti reticolari.<ref>{{Cita web|url=https://blogs.nvcc.edu/mineralogy/minerals/fluorite/|titolo=Fluorite {{!}} NOVA Mineralogy|lingua=en-US|accesso=2023-07-05}}</ref>
Il '''fluoruro di calcio''' è il [[sale]] di [[calcio (elemento chimico)|calcio]] dell'[[acido fluoridrico]], di formula CaF<sub>2</sub>.


== Sintesi e reazioni ==
A temperatura ambiente si presenta come un solido bianco inodore.
Il fluoruro di calcio si può preparare in laboratorio semplicemente mescolando una soluzione acquosa di un sale di calcio solubile (CaCl<sub>2</sub>, Ca(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>) con un fluoruro alcalino solubile ([[Fluoruro di sodio|NaF]], [[Fluoruro di potassio|KF]]); si forma un [[Precipitazione (chimica)|precipitato]] bianco di CaF<sub>2</sub> che viene [[Filtrazione|filtrato]] e asciugato:<ref name=":0">{{Cita libro|autore=Pradyot Patnaik|titolo=Handbook of Inorganic Chemicals|anno=2003|editore=McGraw-Hill|pp=164-165|ISBN=0-07-049439-8}}</ref>


Ca(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>) + 2 KF &nbsp;→&nbsp;CaF<sub>2</sub><big>↓</big> + KNO<sub>3</sub>
In natura il fluoruro di calcio assume il nome di [[fluorite]] che si presenta in cristalli cubici di vario colore ed elevata durezza (4 nella [[scala di Mohs]]). È impiegata nella produzione di [[acido fluoridrico]].


In alternativa, lo si può preparare per azione dell'acido fluoridrico sul [[carbonato di calcio]] con liberazione di [[anidride carbonica]]:<ref name=":0" />
Cristalli di fluoruro di calcio sono utilizzati anche in fisica nucleare come scintillatori per la rivelazione di raggi gamma e particelle cariche.

CaCO<sub>3</sub> + 2 HF &nbsp;→&nbsp;CaF<sub>2</sub><big>↓</big> + CO<sub>2</sub><big>↑</big> + H<sub>2</sub>O

Il fluoruro di calcio, trattato con soluzioni concentrate di [[Acido forte|acidi forti]], si dissolve in esse liberando [[acido fluoridrico]]; il trattamento con l'[[acido solforico]] concentrato (≥ 95%), ad esempio, si usa per la produzione di HF:<ref>{{Cita libro|autore=N. N. Greenwood|autore2=A. Earnshaw|titolo=Chemistry of the Elements|ed=2|anno=1997|editore=Butterworth - Heinemann|p=809|ISBN=0-7506-3365-4}}</ref>

CaF<sub>2</sub> <sub>(s)</sub> + H<sub>2</sub>SO<sub>4 (l)</sub> &nbsp;→&nbsp;CaSO<sub>4</sub><big>↓</big> + 2 HF <sub>(g)</sub>

== Struttura cristallina e proprietà ==
A temperatura ambiente è un solido [[Legame ionico|ionico]] che si presenta come cristalli incolori o polvere cristallina bianca, inodore e praticamente insolubile in acqua, assomigliando in questo al [[fluoruro di magnesio]] MgF<sub>2</sub>. Il suo [[Reticolo di Bravais|reticolo cristallino]] è cubico, formato da [[Catione|cationi]] Ca<sup>++</sup> e [[Anione|anioni]] F<sup>–</sup> in numero doppio. Nel reticolo ogni ione calcio è circondato da otto ioni fluoro (ai vertici di un [[cubo]]) e ogni ione fluoro è a sua volta circondato da quatto ioni calcio (ai vertici di un [[tetraedro]]); il lato cubico della [[Cella primitiva|cella elementare]], contenente quattro unità formula,<ref>{{Cita libro|nome=Hugo|cognome=Strunz|nome2=Ernest H.|cognome2=Nickel|titolo=Strunz mineralogical tables: chemical-structural mineral classification system|accesso=2023-07-05|edizione=9th ed|data=2001|editore=Schweizerbart'sche|ISBN=978-3-510-65188-7}}</ref> è lungo 545,1&nbsp;pm,<ref>{{Cita pubblicazione|nome=L.|cognome=Gerward|nome2=J. S.|cognome2=Olsen|nome3=S.|cognome3=Steenstrup|data=1992-10-01|titolo=X-ray diffraction investigations of CaF2 at high pressure|rivista=Journal of Applied Crystallography|volume=25|numero=5|pp=578–581|lingua=en|accesso=2023-07-05|doi=10.1107/S0021889892004096|url=https://scripts.iucr.org/cgi-bin/paper?S0021889892004096}}</ref> secondo calcoli teorici 551,5&nbsp;pm.<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|nome=R.|cognome=Khenata|nome2=B.|cognome2=Daoudi|nome3=M.|cognome3=Sahnoun|data=2005-09|titolo=Structural, electronic and optical properties of fluorite-type compounds|rivista=The European Physical Journal B|volume=47|numero=1|pp=63–70|lingua=en|accesso=2023-07-05|doi=10.1140/epjb/e2005-00301-6|url=http://link.springer.com/10.1140/epjb/e2005-00301-6}}</ref>

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I cristalli di fluoruro di calcio sono trasparenti, oltre che nel visibile, anche in un'ampie porzioni dell'infrarosso e dell'ultravioletto, coprendo approssimativamente l'intervallo di lunghezze d'onda 125-8000&nbsp;nm;<ref>{{Cita web|url=https://www.globalopticsuk.com/calcium-fluoride/|titolo=Calcium Fluoride - CaF2 {{!}} lenses, windows, mirrors, filters and prisms|sito=Global Optics|lingua=en-GB|accesso=2023-07-05}}</ref><ref>{{Cita web|url=https://www.opticalsolutions.it/en/defence-ir-components-en/caf2-en/calcium-fluoride-caf2/|titolo=Optical Solutions {{!}} Calcium Fluoride (CaF2)|lingua=en-US|accesso=2023-07-05}}</ref> inoltre, la variazione del suo indice di rifrazione con la [[lunghezza d'onda]] della [[Radiazione elettromagnetica|radiazione]] che li attraversa è minore rispetto ai comuni vetri ottici e questo lo rende un materiale, o un ingrediente per vetri ottici di lenti, di speciale utilità in ottica e fotografia (vetri a bassa dispersione).<ref>{{Cita libro|nome=Rudolf|cognome=Kingslake|titolo=A history of the photographic lens|accesso=2023-07-06|edizione=2. Dr.|data=1993|editore=Acad. Press|ISBN=978-0-12-408640-1}}</ref>

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CaF<sub>2</sub> <sub>(s)</sub> &nbsp;⇄&nbsp; Ca<sup>++</sup><sub>(sol)</sub> + 2 F<sup>–</sup><sub>(sol)</sub>

F<sup>–</sup><sub>(sol)</sub> + H<sub>3</sub>O<sup>+</sup><sub>(sol)</sub> &nbsp;⇄&nbsp; HF<sub>(sol)</sub> + H<sub>2</sub>O

L'acido fluoridrico liquido ne discioglie 8,17&nbsp;g per ogni chilogrammo (a 12&nbsp;°C) , dando quindi una soluzione ~0,1&nbsp;[[Molalità|m]].<ref>{{Cita libro|autore=N. N. Greenwood|autore2=A. Earnshaw|titolo=Chemistry of the Elements|ed=2|anno=1997|editore=Butterworth - Heinemann|p=817|ISBN=0-7506-3365-4}}</ref>

== Applicazioni e usi ==
Il fluoruro di calcio come minerale è praticamente l'unica sorgente di fluoro su grande scala ed è in particolare impiegato nella produzione di [[acido fluoridrico]] e, da questo, anche del [[Fluoro|fluoro elementare]] per [[elettrolisi]] di soluzioni in esso di [[fluoruro di potassio]].<ref>{{Cita libro|autore=N. N. Greenwood|autore2=A. Earnshaw|titolo=Chemistry of the Elements|ed=2|anno=1997|editore=Butterworth - Heinemann|pp=795-797|ISBN=0-7506-3365-4}}</ref>

Oltre che come componente di vetri ottici, viene usato come componente di strati antiriflesso per lenti di obiettivi fotografici.<ref>{{Cita libro|nome=Sidney F.|cognome=Ray|titolo=The photographic lens|accesso=2023-07-06|edizione=2. ed., repr|collana=Media manual|data=1996|editore=Focal Press|ISBN=978-0-240-51329-4}}</ref> Cristalli di fluoruro di calcio sono utilizzati anche in fisica nucleare come scintillatori per la rivelazione di raggi gamma e particelle cariche.<ref name=":2" />
==Note==
==Note==
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Fluoruro di calcio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareCaF2
Massa molecolare (u)78,074806 u
Aspettosolido bianco
Numero CAS7789-75-5
Numero EINECS232-188-7
PubChem24617 e 84512
DrugBankDB15962 e DBDB15962
SMILES
[F-].[F-].[Ca+2]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)3,18 (20 °C)
Solubilità in acqua0,016 g/l (18 °C)
Costante di solubilità a 298 K1,46×10−10
Temperatura di fusione1418 °C (1691 K)
Temperatura di ebollizione2 513 °C (2 786 K)
Indicazioni di sicurezza
Frasi H-- [1][2]
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Il fluoruro di calcio è un composto inorganico binario di calcio e fluoro ed è anche il sale di calcio dell'acido fluoridrico, la cui formula è CaF2. È presente in natura come minerale fluorite, noto anche con la denominazione tradizionale di spato fluore:[3] consiste in cristalli trasparenti di ragguardevole durezza, 4 nella scala di Mohs (ne è il cristallo di riferimento).[4] Tali cristalli, quasi insolubili in acqua, sono incolori se puri, ma spesso variamente colorati e a volte anche fluorescenti per la presenza di impurezze o difetti reticolari.[5]

Sintesi e reazioni

Il fluoruro di calcio si può preparare in laboratorio semplicemente mescolando una soluzione acquosa di un sale di calcio solubile (CaCl2, Ca(NO3)2) con un fluoruro alcalino solubile (NaF, KF); si forma un precipitato bianco di CaF2 che viene filtrato e asciugato:[6]

Ca(NO3)2) + 2 KF  → CaF2↓ + KNO3

In alternativa, lo si può preparare per azione dell'acido fluoridrico sul carbonato di calcio con liberazione di anidride carbonica:[6]

CaCO3 + 2 HF  → CaF2↓ + CO2↑ + H2O

Il fluoruro di calcio, trattato con soluzioni concentrate di acidi forti, si dissolve in esse liberando acido fluoridrico; il trattamento con l'acido solforico concentrato (≥ 95%), ad esempio, si usa per la produzione di HF:[7]

CaF2 (s) + H2SO4 (l)  → CaSO4↓ + 2 HF (g)

Struttura cristallina e proprietà

A temperatura ambiente è un solido ionico che si presenta come cristalli incolori o polvere cristallina bianca, inodore e praticamente insolubile in acqua, assomigliando in questo al fluoruro di magnesio MgF2. Il suo reticolo cristallino è cubico, formato da cationi Ca++ e anioni F– in numero doppio. Nel reticolo ogni ione calcio è circondato da otto ioni fluoro (ai vertici di un cubo) e ogni ione fluoro è a sua volta circondato da quatto ioni calcio (ai vertici di un tetraedro); il lato cubico della cella elementare, contenente quattro unità formula,[8] è lungo 545,1 pm,[9] secondo calcoli teorici 551,5 pm.[10]

Questo tipo di struttura è diffuso in diversi altri sali, ossidi e composti inorganici binari con lo stesso rapporto stechiometrico 1:2, tanto da essere chiamato, per antonomasia, «struttura della fluorite»;[11][12][13] questa struttura è adottata anche dai fluoruri dei due metalli alcalino-terrosi che seguono il calcio nello stesso gruppo, lo stronzio e il bario; per quelli precedenti, tuttavia, al diminuire del raggio ionico del catione le strutture cambiano: il fluoruro di magnesio prende la struttura del rutilo (TiO2) e del quello di berillio prende quella del quarzo (SiO2), e queste ultime sono altre due strutture tipiche per composti 1:2.[14]

I cristalli di fluoruro di calcio sono trasparenti, oltre che nel visibile, anche in un'ampie porzioni dell'infrarosso e dell'ultravioletto, coprendo approssimativamente l'intervallo di lunghezze d'onda 125-8000 nm;[15][16] inoltre, la variazione del suo indice di rifrazione con la lunghezza d'onda della radiazione che li attraversa è minore rispetto ai comuni vetri ottici e questo lo rende un materiale, o un ingrediente per vetri ottici di lenti, di speciale utilità in ottica e fotografia (vetri a bassa dispersione).[17]

Il fluoruro di calcio in condizioni ambiente, ma anche in ampi intervalli di temperature e pressioni, è un isolante con costante dielettrica 6,76,[18] un indice di rifrazione di 1,4338 (a λ = 587,6 nm)[19] ed è un materiale avente un band-gap indiretto, calcolato in 7,45 eV.[10]

Termodinamicamente è un composto stabilissimo, ΔHƒ° = -1225,91 kJ/mol.[20] A differenza di tutti gli altri alogenuri di calcio (CaCl2, CaBr2, CaI2), che sono solubilissimi in acqua, il fluoruro di calcio è pochissimo solubile: s = 0,016 g/L a 20 °C, molto meno del già poco solubile solfato (CaSO4, 2,60 g/L[21]) e Ks = 3,9×10-11 M3;[22] si scioglie però un po' di più in soluzioni acquose acide, per la parziale idrolisi dello ione fluoruro a dare HF:

CaF2 (s)  ⇄  Ca++(sol) + 2 F–(sol)

F–(sol) + H3O+(sol)  ⇄  HF(sol) + H2O

L'acido fluoridrico liquido ne discioglie 8,17 g per ogni chilogrammo (a 12 °C) , dando quindi una soluzione ~0,1 m.[23]

Applicazioni e usi

Il fluoruro di calcio come minerale è praticamente l'unica sorgente di fluoro su grande scala ed è in particolare impiegato nella produzione di acido fluoridrico e, da questo, anche del fluoro elementare per elettrolisi di soluzioni in esso di fluoruro di potassio.[24]

Oltre che come componente di vetri ottici, viene usato come componente di strati antiriflesso per lenti di obiettivi fotografici.[25] Cristalli di fluoruro di calcio sono utilizzati anche in fisica nucleare come scintillatori per la rivelazione di raggi gamma e particelle cariche.[18]

Note

  1. ^ Sostanza non pericolosa secondo la regolamentazione (CE) N. 1272/2008.
  2. ^ Scheda del composto su GESTIS
  3. ^ FLUORITE, o fluorina, spato fluore in "Enciclopedia Italiana", su www.treccani.it. URL consultato il 5 luglio 2023.
  4. ^ D Tabor, Mohs's Hardness Scale - A Physical Interpretation, in Proceedings of the Physical Society. Section B, vol. 67, n. 3, 1º marzo 1954, pp. 249–257, DOI:10.1088/0370-1301/67/3/310. URL consultato il 5 luglio 2023.
  5. ^ (EN) Fluorite | NOVA Mineralogy, su blogs.nvcc.edu. URL consultato il 5 luglio 2023.
  6. ^ a b Pradyot Patnaik, Handbook of Inorganic Chemicals, McGraw-Hill, 2003, pp. 164-165, ISBN 0-07-049439-8.
  7. ^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth - Heinemann, 1997, p. 809, ISBN 0-7506-3365-4.
  8. ^ Hugo Strunz e Ernest H. Nickel, Strunz mineralogical tables: chemical-structural mineral classification system, 9th ed, Schweizerbart'sche, 2001, ISBN 978-3-510-65188-7.
  9. ^ (EN) L. Gerward, J. S. Olsen e S. Steenstrup, X-ray diffraction investigations of CaF2 at high pressure, in Journal of Applied Crystallography, vol. 25, n. 5, 1º ottobre 1992, pp. 578–581, DOI:10.1107/S0021889892004096. URL consultato il 5 luglio 2023.
  10. ^ a b (EN) R. Khenata, B. Daoudi e M. Sahnoun, Structural, electronic and optical properties of fluorite-type compounds, in The European Physical Journal B, vol. 47, n. 1, 2005-09, pp. 63–70, DOI:10.1140/epjb/e2005-00301-6. URL consultato il 5 luglio 2023.
  11. ^ Therald Moeller, John C. Bailar, Cyrus O. Guss, Mary E. Castellion e Clyde Metz, Chemistry with Inorganic Qualitative Analysis, Academic Press, 1980, p. 344, ISBN 0-12-503350-8.
  12. ^ Gary L. Miessler, Paul J. Fischer e Donald A. Tarr, Inorganic Chemistry, 5ª ed., Pearson, 2014, pp. 221-223, ISBN 0-321-81105-4.
  13. ^ Numerical data and functional relationships in science and technology. Teil a: Gruppe 3: Kristall- und Festkörperphysik = Group 3: @Crystal and solid state physics Bd. 7. Kristallstrukturdaten anorganischer Verbindungen / Wolfgang Pies ... Schlüsselelemente F, Cl, Br, J (7. Hauptgruppe) Halogenide und Halogenokomplexe, vol. 7, Springer, 1973, ISBN 978-3-540-06166-3.
  14. ^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth - Heinemann, 1997, pp. 117-118, ISBN 0-7506-3365-4.
  15. ^ (EN) Calcium Fluoride - CaF2 | lenses, windows, mirrors, filters and prisms, su Global Optics. URL consultato il 5 luglio 2023.
  16. ^ (EN) Optical Solutions | Calcium Fluoride (CaF2), su opticalsolutions.it. URL consultato il 5 luglio 2023.
  17. ^ Rudolf Kingslake, A history of the photographic lens, 2. Dr., Acad. Press, 1993, ISBN 978-0-12-408640-1.
  18. ^ a b (DE) Calciumfluorid (CaF2), su Korth Kristalle GmbH.
  19. ^ (EN) Refractive index of CaF2 (Calcium fluoride) - Malitson, su refractiveindex.info. URL consultato il 5 luglio 2023.
  20. ^ M. W. Chase, NIST-JANAF Themochemical Tables, Fourth Edition, 1998, pp. 1–1951. URL consultato il 5 luglio 2023.
  21. ^ (EN) A. L. Lebedev e V. L. Kosorukov, Gypsum solubility in water at 25°C, in Geochemistry International, vol. 55, n. 2, 1º febbraio 2017, pp. 205–210, DOI:10.1134/S0016702917010062. URL consultato il 5 luglio 2023.
  22. ^ Pradyot Patnaik, Handbook of inorganic chemicals, collana McGraw-Hill handbooks, McGraw-Hill, 2003, ISBN 978-0-07-049439-8.
  23. ^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth - Heinemann, 1997, p. 817, ISBN 0-7506-3365-4.
  24. ^ N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth - Heinemann, 1997, pp. 795-797, ISBN 0-7506-3365-4.
  25. ^ Sidney F. Ray, The photographic lens, collana Media manual, 2. ed., repr, Focal Press, 1996, ISBN 978-0-240-51329-4.

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