FLUORURE DE CALCIUM (CAF2): STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, UTILISATIONS - PHYSIQUE - 2025

Le fluorure de calcium est un solide inorganique comprenant un atome de calcium (Ca) et deux atomes de fluor (F). Sa formule chimique est CaF ₂ et c'est un solide cristallin blanc grisâtre.

Dans la nature, il se trouve dans le minéral fluorite ou spath fluor. Il existe naturellement dans les os et les dents. La fluorite minérale est la principale source utilisée pour obtenir d'autres composés fluorés.

Fluorure de calcium CaF ₂ solide. w: Utilisateur: Walkerma en juin 2005. Source: Wikimedia Commons.

De plus, le CaF ₂ est utilisé pour prévenir la carie dentaire, c'est pourquoi il est ajouté aux matériaux utilisés par les dentistes pour les guérir. En effet, le fluorure de calcium est également ajouté à l'eau potable (eau potable) afin que la population en profite pour la boire et se brosser les dents.

Le CaF ₂ est utilisé sous forme de gros cristaux dans les équipements optiques et les caméras. Il est également utilisé dans les petits appareils qui sont utilisés pour détecter le degré d'exposition d'une personne à la radioactivité.

Structure

Le fluorure de calcium CaF ₂ est un composé ionique formé par un cation calcium Ca ²⁺ et deux anions fluorure F ^-. Cependant, certaines sources d'information indiquent que leurs liens ont un certain caractère covalent.

Structure du fluorure de calcium CaF ₂. Bleu: calcium; Fluor jaune. Claudio Pistilli. Source: Wikimedia Commons.

Nomenclature

Fluorure de calcium

Propriétés

État physique

Solide incolore à blanc grisâtre à structure cristalline cubique.

Structure cristalline cubique de CaF ₂. Benjah-bmm27. Source: Wikimedia Commons.

Poids moléculaire

78,07 g / mol

Point de fusion

1418 ºC

Point d'ébullition

2533 ºC

Densité

3,18 g / cm ³ à 20 ° C

Indice de réfraction

1,4328

Solubilité

Il est insoluble dans l'eau à 20 ° C. Presque insoluble à 25 ° C: 0,002 g / 100 mL d'eau. Légèrement soluble dans les acides.

Propriétés chimiques

Ses propriétés oxydantes ou réductrices sont très faibles, cependant ces réactions peuvent se produire. Bien que, en général, dans très peu de cas.

Il est inerte aux produits chimiques organiques et à de nombreux acides, y compris l'acide fluorhydrique HF. Il se dissout lentement dans l'acide nitrique HNO ₃.

Ce n'est pas inflammable. Il ne réagit pas rapidement avec l'air ou l'eau.

En raison de sa faible affinité pour l'eau, même si elle est exposée à un pourcentage élevé d'humidité, elle ne l'affecte pas même pendant un mois à température ambiante normale.

En présence d'humidité, les parois de ses cristaux se dissolvent lentement à des températures supérieures à 600 ° C. Dans des environnements secs, il peut être utilisé jusqu'à environ 1000 ° C sans être sensiblement affecté.

Présence dans la nature

Le fluorure de calcium CaF ₂ se trouve naturellement dans le fluorite minéral ou le spath fluor.

Bien que le CaF ₂ pur soit incolore, la fluorite minérale est souvent colorée par la présence d'électrons piégés dans les «trous» de la structure cristalline.

Ce minéral est très prisé pour son éclat vitreux et sa variété de couleurs (violet, bleu, vert, jaune, incolore, marron, rose, noir et orange rougeâtre). On dit que c'est «le minéral le plus coloré au monde».

Fluorite d'une mine en France. Muséum de Toulouse. Source: Wikimedia Commons.

Fluorite (cristaux bleus) du Muséum Naturel de Milan. Giovanni Dall'Orto. Source: Wikimedia Commons.

Fluorite d'une mine en Angleterre. Didier Descouens. Source: Wikimedia Commons.

Fluorite d'une mine en France. Didier Descouens. Source: Wikimedia Commons.

Fluorite d'une mine aux États-Unis. Auteur: Jurema Oliveira. Source: Wikimedia Commons.

Le fluorure de calcium se trouve également dans les os en des quantités comprises entre 0,2 et 0,65%, et également dans l'émail dentaire entre 0,33 et 0,59%.

Applications

- Dans l'obtention de composés fluorés

Le fluorite minéral CaF ₂ est la source basique ou majoritaire de fluor dans le monde. C'est la matière première pour préparer presque tous les composés fluorés.

Le plus important d'entre eux est l'acide fluorhydrique HF, à partir duquel les autres composés fluorés sont préparés. L'ion fluorure F ^- est libéré du minéral en le faisant réagir avec de l'acide sulfurique concentré H ₂ SO ₄:

CaF ₂ (solide) + H ₂ SO ₄ (liquide) → CaSO ₄ (solide) + 2 HF (gaz)

- Dans le soin des dents

Le fluorure de calcium CaF ₂ est un agent de prévention des caries. Il est utilisé pour fluorer l'eau potable (eau qui peut être bue) à cet effet.

En outre, les faibles concentrations de F ^- fluorure (de l'ordre de 0,1 partie par million) utilisés dans les pâtes dentifrices et bains de bouche ont été démontré qu'ils ont un profond effet positif dans la carie des soins dentaires préventifs.

Le fluorure de calcium aide à prévenir les caries. Auteur: Annalise Batista. Source: Pixabay.

Nanoparticules de CaF

Bien que les fluorures soient utilisés dans les dentifrices et les rinçages, la faible concentration de calcium (Ca) dans la salive signifie que les dépôts de CaF ₂ ne se forment pas aussi efficacement que possible sur les dents.

C'est pourquoi un moyen d'obtenir de la poudre de CaF ₂ sous forme de nanoparticules a été imaginé.

Pour cela, on utilise un atomiseur (de l'anglais atomiseur) où deux solutions (une d'hydroxyde de calcium Ca (OH) ₂ et une de fluorure d'ammonium NH ₄ F) sont mélangées alors qu'elles sont pulvérisées dans une chambre à écoulement d'air chaud.

Ensuite, la réaction suivante se produit:

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

NH ₄ OH se volatilise sous forme de NH ₃ et H ₂ O et les nanoparticules de CaF ₂ restent.

Ils ont une réactivité élevée et une plus grande solubilité, ce qui les rend plus efficaces pour la reminéralisation des dents et comme anticaries.

- Dans les lentilles pour équipement optique

Le fluorure de calcium est utilisé pour construire des éléments optiques tels que les prismes et les fenêtres des spectrophotomètres infrarouges et ultraviolets (UV).

Ces appareils nous permettent de mesurer la quantité de lumière absorbée par un matériau lorsqu'il le traverse.

Le CaF ₂ est transparent dans ces régions du spectre lumineux, a un indice de réfraction extrêmement bas et permet une résolution plus efficace que celle du NaCl dans la gamme 1500-4000 cm ^{- 1}.

Grâce à sa stabilité chimique, il peut résister à des conditions défavorables, de sorte que les éléments optiques CaF ₂ ne sont pas attaqués. Il a également une dureté élevée.

Dans les caméras

Certains fabricants d'appareils photo utilisent des objectifs CaF ₂ cristallisés artificiellement pour réduire la diffusion de la lumière et obtenir une excellente correction de la distorsion des couleurs.

Certains appareils photo sont équipés d'objectifs au fluorure de calcium CaF ₂ pour réduire la distorsion des couleurs. Bill Ebbesen. Source: Wikimedia Commons.

- Dans l'industrie métallurgique

Le CaF ₂ est utilisé comme fondant dans l'industrie métallurgique, car il est une source de calcium insoluble dans l'eau et donc efficace dans les applications sensibles à l'oxygène.

Il est utilisé pour fondre et traiter le fer et l'acier sous forme liquide. Ceci est basé sur le fait qu'il a un point de fusion similaire à celui du fer et aussi qu'il peut dissoudre les oxydes et les métaux.

- Dans les détecteurs de radioactivité ou de rayonnement dangereux

CaF ₂ est un matériau thermoluminescent. Cela signifie qu'il peut absorber le rayonnement dans les électrons de sa structure cristalline et plus tard, lorsqu'il est chauffé, le libérer sous forme de lumière.

Cette lumière émise peut être mesurée par un signal électrique. Ce signal est proportionnel à la quantité de rayonnement reçue par le matériau. Cela signifie que plus la quantité de rayonnement reçue est élevée, plus la quantité de lumière qu'il émettra après avoir été chauffée sera grande.

C'est pourquoi le CaF ₂ est utilisé dans des dosimètres dits personnels, qui sont utilisés par des personnes exposées à des rayonnements dangereux et qui souhaitent connaître la quantité de rayonnement qu'elles ont reçue sur une période de temps.

- Autres utilisations

- Il est utilisé comme catalyseur dans les réactions chimiques de déshydratation et de déshydrogénation pour la synthèse de composés organiques.

- Il est utilisé dans les électrodes de soudage alcalines. Une soudure plus forte est obtenue qu'avec des électrodes acides. Ces électrodes sont utiles dans la fabrication de navires et de récipients en acier à haute pression.

- Comme complément alimentaire en quantités extrêmement faibles (ppm ou parties par million).

Soudage de l'homme. Les électrodes de fluorure de calcium CaF ₂ forment des soudures plus solides. William M. Plate Jr. Source: Wikimedia Commons.

Références

1. Pirmoradian, M. et Hooshmand, T. (2019). Reminéralisation et capacités antibactériennes des nanocomposites dentaires à base de résine. Synthèse et caractérisation du fluorure de calcium (CaF ₂). Dans les applications des matériaux nanocomposites en dentisterie. Récupéré de sciencedirect.com.
2. Bibliothèque nationale de médecine des États-Unis. (2019). Fluorure de calcium. Récupéré de pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Weman, K. (2012). Soudage manuel à l'arc métallique (MMA) avec électrodes enrobées. In Welding Processes Handbook (deuxième édition). Récupéré de sciencedirect.com.
4. Hanning, M. et Hanning, C. (2013). Nanobiomatériaux en dentisterie préventive. Fluorure de calcium nanométrique. Dans Nanobiomatériaux en dentisterie clinique. Récupéré de sciencedirect.com.
5. Ropp, RC (2013). Composés alcalino-terreux du groupe 17 (H, F, Cl, Br, I). Fluorure de calcium. Dans l'Encyclopédie des composés alcalino-terreux. Récupéré de sciencedirect.com.
6. Cotton, F. Albert et Wilkinson, Geoffrey. (1980). Chimie inorganique avancée. Quatrième édition. John Wiley et fils.
7. Valkovic, V. (2000). Mesures de radioactivité. Dans Radioactivité dans l'environnement. Détecteurs thermoluminescents (TLD). Récupéré de sciencedirect.com.