Особенности фтора
Самый активный элемент
Соединения фтора были известны задолго до того, как удалось выделить сам элемент. Попытки получить фтор продолжались семьдесят лет и стоили здоровья многим химикам: Дэви и братья Нокс тяжело отравились, бельгиец Луйе и француз Никлес погибли. Их называют «мучениками фтора». Главная трудность заключалась в том, что фтор исключительно активно реагирует с другими веществами, в том числе с материалами приборов.
history_eduМуассан
Анри Муассан получил фтор в 1886 году электролизом раствора фторида калия в жидком фтороводороде при −23 °C. Он использовал платиновый прибор с пробками из флюорита. В 1906 году Муассан получил Нобелевскую премию. Сегодня фтор получают электролизом расплава \(\ce{KF*2HF}\) при 70–100 °C. На угольном аноде протекает процесс \(\ce{2F- - 2e- -> F2}\), а на стальном катоде выделяется водород.
Долгое время химическое получение фтора считали невозможным: фтор является наиболее сильным окислителем, поэтому обычным окислителем нельзя превратить фторид-ионы в свободный фтор. Однако в 1986 году Карл Кристе нашёл другой путь. В реакции \(\ce{K2MnF6 + 2SbF5 -> 2KSbF6 + MnF3 + 1/2F2}\) соединение \(\ce{SbF5}\) присоединяет фторид-ион. Вещества, принимающие электронную пару, называют кислотами Льюиса. После отщепления фторид-иона образуется неустойчивое соединение \(\ce{MnF4}\), при разложении которого выделяется фтор. Таким образом, химический способ существует, но для получения фтора обычно применяют электролиз.
Исключительная окислительная способность фтора проявляется в его реакциях с водой, простыми веществами и даже оксидом кремния.
scienceФтор реагирует почти со всем
- \(\ce{2F2 + 2H2O -> 4HF + O2}\) — вода горит во фторе; при этом частично образуются \(\ce{OF2}\) и озон.
- \(\ce{Xe + F2 ->[t] XeF2}\) — при нагревании с фтором реагирует даже благородный газ ксенон.
- \(\ce{S + 3F2 -> SF6}\) — при реакции с фтором сера переходит в высшую степень окисления.
- \(\ce{2F2 + SiO2 -> SiF4 + O2}\) — во фторе горит даже песок, содержащий оксид кремния.
- \(\ce{Ni + F2 -> NiF2}\) — на никеле образуется плотная защитная плёнка фторида, поэтому фтор хранят в посуде из никеля или монеля.
Не все материалы разрушаются при контакте с фтором. Помимо никеля и монеля, для работы с ним используют политетрафторэтилен.
errorФтор и тефлон
Политетрафторэтилен, или тефлон, устойчив к фтору. В нём нет связей C–H, а атомы углерода связаны с атомами фтора прочными связями C–F. Поэтому из тефлона делают прокладки для приборов, в которых используют фтор и \(\ce{UF6}\).
Фтороводород и фториды
При такой высокой активности фтора может показаться неожиданным, что фтороводородная, или плавиковая, кислота является слабой кислотой: её \(pK_a = 3{,}2\). Фтор — самый электроотрицательный элемент, но на кислотные свойства влияет также прочность связи H–F, составляющая 570 кДж/моль. Кроме того, в растворе между \(\ce{F-}\) и \(\ce{H3O+}\) возникают прочные водородные связи. Связанные таким образом противоположно заряженные ионы образуют ионную пару, что уменьшает долю свободных ионов.
С ростом концентрации раствора кислотные свойства выражены сильнее. Фторид-ион связывается с молекулой HF и образует ион гидродифторида \(\ce{[F-H-F]-}\) с симметричной, очень прочной водородной связью. Суммарное равновесие записывают так:
Соль \(\ce{KHF2}\) служит удобным твёрдым источником HF.
Фтороводород получают из плавикового шпата. Его способность взаимодействовать с оксидом кремния используют для травления стекла; состав продуктов зависит от избытка HF.
scienceФтороводород в реакциях
- \(\ce{CaF2 + H2SO4 (конц) ->[t] CaSO4 + 2HF ^}\) — при нагревании плавикового шпата с концентрированной серной кислотой выделяется фтороводород.
- \(\ce{SiO2 + 4HF -> SiF4 ^ + 2H2O}\) — при травлении стекла образуется газообразный тетрафторид кремния.
- \(\ce{SiO2 + 6HF -> H2SiF6 + 2H2O}\) — в растворе при избытке HF образуется кремнефтороводородная кислота.
- \(\ce{KF + HF -> KHF2}\) — при взаимодействии фторида калия с фтороводородом образуется гидродифторид калия.
Плавиковая кислота опасна не только из-за химических реакций с материалами: она вызывает тяжёлые поражения тканей.
auto_awesomeОпасная кислота
Плавиковая кислота проникает сквозь кожу, не вызывая сразу сильной боли, и связывает кальций тканей в \(\ce{CaF2}\). Ожог концентрированной кислотой площадью с ладонь может быть смертельным. При таком поражении необходима срочная медицинская помощь; для первой помощи применяют гель глюконата кальция.
Фторокомплексы и высшие степени окисления
Фторид-ион мал и является жёстким лигандом, а окислить его трудно. Поэтому он способен прочно связываться с центральным атомом, причём вокруг этого атома могут разместиться несколько фторид-ионов. Соединения с такой группой атомов называют фторокомплексами. Прочные связи с фтором также стабилизируют высшие степени окисления других элементов. Эти свойства проявляются в соединениях с разным применением:
| Соединение | Особенность |
|---|---|
| \(\ce{SF6}\) | Это инертный газ, который используют как изолятор в высоковольтной технике. |
| \(\ce{IF7}\) | Иод имеет степень окисления +7; строение молекулы описывают как пентагональную бипирамиду. |
| \(\ce{UF6}\) | Соединение летуче и возгоняется при 56 °C, что позволяет использовать его для разделения изотопов урана. |
| \(\ce{PtF6}\) | Соединение окисляет даже \(\ce{O2}\): \(\ce{O2 + PtF6 -> O2+[PtF6]-}\). |
| \(\ce{[AlF6]^3-}\) | Этот комплексный ион входит в состав криолита, расплав которого растворяет глинозём. |
| \(\ce{[BF4]-}\), \(\ce{[PF6]-}\) | Это слабо координирующие анионы, которые входят в состав солей для электролитов литиевых аккумуляторов. |
Летучесть \(\ce{UF6}\) особенно важна при разделении изотопов урана: для этого необходимо разделять молекулы, массы которых очень близки.
auto_awesomeУран и центрифуги
Гексафторид урана — единственное удобное летучее соединение урана. Массы молекул \(\ce{^235UF6}\) и \(\ce{^238UF6}\) различаются менее чем на 1 %; их разделяют в каскадах из тысяч газовых центрифуг. У фтора всего один стабильный изотоп. Если бы стабильных изотопов было несколько, массы молекул зависели бы и от изотопного состава фтора, что осложнило бы разделение изотопов урана.
Наконец, фтор образует соединения и с кислородом. В них положительную степень окисления имеет кислород, поскольку фтор более электроотрицателен.
scienceСоединения фтора с кислородом
- \(\ce{2F2 + 2NaOH (разб) -> OF2 + 2NaF + H2O}\) — при реакции фтора с разбавленным раствором щёлочи образуется дифторид кислорода, в котором кислород имеет степень окисления +2.
- \(\ce{O2 + F2 ->[разряд, -183 °C] O2F2}\) — при указанных условиях образуется «FOOF», один из сильнейших окислителей; он взрывается при контакте с органическими веществами даже при −150 °C.
push_pinГлавное
Фтор чрезвычайно трудно получить химическим путём, поэтому в промышленности его получают электролизом расплава \(\ce{KF*2HF}\); впервые фтор выделил Муассан в 1886 году. Фтор реагирует со многими веществами, включая воду (\(\ce{2F2 + 2H2O -> 4HF + O2}\)), ксенон и оксид кремния; никель и монель защищает фторидная плёнка. \(\ce{HF}\) остаётся слабой кислотой из-за прочной связи H–F и образования водородных связей в растворе, но растворяет стекло, а в концентрированном растворе образует \(\ce{HF2-}\). Прочные связи с фтором стабилизируют высшие степени окисления в \(\ce{SF6}\), \(\ce{IF7}\), \(\ce{PtF6}\) и \(\ce{UF6}\); к фторокомплексам относятся \(\ce{[AlF6]^3-}\), \(\ce{[SiF6]^2-}\) и \(\ce{[BF4]-}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.