Chemia/Pierwiastki grupy 17 - fluorowce

Fluorowce

Właściwości fizyczne fluorowców

Fluorowiec	Masa atomowa [u]	Temperatura topnienia [K]	Temperatura wrzenia [K]	stan skupienia	Elektroujemność (wg. Paulinga)	Konfiguracja elektronowa (podkreślono elektrony walencyjne)	Potencjał jonizacji (eV)
Fluor	19	53,53	85,03	gaz	4,0	[He]2s22p5	17,42
Chlor	35,5	171,6	239,11	gaz	3,0	[Ne]3s23p5	13,01
Brom	80	265,8	332,0	ciecz	2,8	[Ar]4s23d104p5	11,84
Jod	127	396,85	457,4	ciało stałe	2,5	[Kr]4d105s25p5	10,44
Astat	210	575	610	ciało stałe	2,2	[Xe]4f145d106s26p5	-

Powyższa tabela pochodzi po części z polskiej wikipedii.

Występowanie w przyrodzie

Fluorowce występują w przyrodzie wyłącznie w postaci związków Najważniejsze minerały

• CaF₂ — fluoryt
• Ca₅(PO₄)₃F — apatyt
• Na₃ALF₆ — kriolit
• NaCl — sól kamienna
• KCl — sylwin
• KClxMgCl₂x6H₂O — karnalit

Właściwości fizyczne

• W warunkach normalnych fluor i brom są żółtozielonymi gazami, brom jest ciemnobrunatną, lotną cieczą, a jod ciałem stałym o metalicznym połysku. Astat nie występuje w przyrodzie, jest pierwiastkiem promieniotwórczym o krótkim czasie półtrwania.
• Chlor i brom rozpuszczają się w wodzie tworząc bezbarwną wodę chlorową Cl₂(aq) i brunatną wodę bromową Br₂(aq). Niezależnie od fizycznego procesu rozpuszczania zachodzą reakcje chemiczne fluorowców z wodą.
• Fluor gwałtownie rozkłada wodę:

2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂

• Chlor i brom reagują z wodą powoli i w roztworze ustala się równowaga:

X₂ + H₂O ↔ HX + HXO

• Pod wpływem światła następuje powolny rozkład kwasów HXO z wydzieleniem tlenu atomowego, który jest silnym utleniaczem:

HXO → HX + O

Dezynfekujące i wybielające właściwości wody chlorowej są związane z działaniem tlenu atomowego.

Reakcje fluorowców z wodorem

• Wszystkie fluorowce reagują bezpośrednio z wodorem tworząc wodorki typu HX.
• Reakcja fluoru z wodorem jest gwałtowna i silnie egzotermiczna:

H₂ + F₂ → 2HF, ΔH0 = -538 kJ/mol.

• Synteza HCl zachodzi po zainicjowaniu reakcji kwantem promieniowania:

H₂ + Cl₂ → 2HCl, ΔH0 = -538 kJ/mol.

• Reakcja syntezy HBr przebiega powoli nawet pod wpływem działania promieniowania oraz w podwyższonej temperaturze:

H₂ + Br₂ → 2HBr, ΔH0 = -72 kJ/mol.

• Ogrzewanie par jodu z wodorem prowadzi do stanu równowagi:

H₂ + J₂ → 2HJ, ΔH0 = + 52 kJ/mol.

• HF jest cieczą, pozostałe fluorowcowodory są gazami.

Kwasy fluorowcowodorowe

• Fluorowcowodory ulegają dysocjacji w roztworach wodnych:
  HX + H₂O → X¯ + H₃O⁺.
• Wodne roztwory HCL, HBr i HJ są mocnymi kwasami, natomiast HF jest słabym kwasem. Moc kwasów rośnie w szeregu
  HCl < HBr < HJ,
  ponieważ w miarę wzrostu liczby atomowej fluorowca rośnie promień atomowy, czyli zwiększa się długość wiązania X-H, co ułatwia oddysocjowanie protonu.
• Ciekłe fluorowcowodory nie przewodzą prądu elektrycznego (są związkami kowalencyjnymi).

Halogenki cząsteczkowe

• Pierwiastki elektroujemne i metale na wyższych stopniach utlenienia tworzą z fluorowcami halogenki cząsteczkowe, nazywane również kowalencyjnymi w odróżnieniu od jonowych halogenków metali I i II grupy.
• Ważną cechą strukturalną jest występowanie mostków halogenkowych pomiędzy dwoma atomami metalu lub niemetalu (M-X-M). BF₂ występuje w postaci długich łańcuchów -Be-F-F-Be- z mostkami fluorkowymi zgiętymi, pentachlorki metali przejściowych tworzą dimery ze zgiętymi mostkami M-Cl-M, natomiast pentafluorki tworzą cykliczne tetramery z liniowymi mostkami M-F-M.
• Halogenki kowalencyjne łatwo ulegają hydrolizie:

BCl₃ + 3H₂O → B(OH)₃ + 3H⁺ + 3Cl¯

PBr₃ + 3H₂O → H₃PO₃ + 3H⁺ + 3Br¯

SiCl₄ + 4H₂O → Si(OH)₄ + 4H⁺ + 4Cl¯

Reakcje wymiany fluorowców

• Każdy fluorowiec X₂ wypiera z roztworu inne fluorowce o niższym potencjale E₀ (jest to reakcja redoks):

Cl₂ + 2KBr → Br₂ + 2KCl

Br₂ + 2KJ → J₂ + 2KBr

• Zdolność utleniania maleje w szeregu: F₂>Cl₂>Br₂>J₂
• Reakcje wymiany fluorowca mają duże znaczenie w syntezie związków fluorowcoorganicznych.
• Fluorowce trudno reagują z tlenem. Większość tlenków otrzymuje się w reakcjach pośrednich:

2NaClO₃ + SO₂ + H₂SO₄ → 2ClO₂ + 2NaHSO₄

2HJO₃ → J₂O₅

• Ważniejsze tlenki fluorowców:

• Fluorowce (z wyjątkiem fluoru) tworzą 4 typy kwasów tlenowych, w których atom fluorowca przyjmuje stopnie utlenienia +1, +3, +5, +7. Większość kwasów tlenowych istnieje tylko w postaci rozcieńczonych roztworów, dla niektórych znane są tylko sole.

Kwasy tlenowe fluorowców

• Kwasy halogenowe (I) HOX są bardzo słabymi kwasami, ale silnymi utleniaczami w środowisku kwaśnym (X oznacza atom fluorowca).
• Kwas halogenowy (III) HXO₂ znany jest tylko dla chloru.
• Kwas halogenowy (V) HXO₃ tworzy chlor, brom i jod.
• Kwas halogenowy (VII) HXO₄ tworzy chlor i jod.
• Moc kwasów tlenowych rośnie wraz ze wzrostem liczby atomów tlenu w cząsteczce:

HClO<HClO₂<HClO₃<HClO₄

• Moc kwasów maleje w miarę przechodzenia w dół grupy:

HClO>HBrO>HJO