Przeczytaj

bg‑green

Fluorowce

Fluorowce to pierwiastki 17. grupy układu okresowego. Należą do nich fluor, chlor, brom, jod oraz otrzymany syntetycznie astat. Substancje te nie występują w przyrodzie w stanie wolnym, ale w postaci różnorodnych związków chemicznych (w stanie związanym). Najczęściej spotyka się związki chloru, np. halit $(NaCl)$ , sylwin $(KCl)$ oraz związki fluoru, np. fluoryt $({CaF}_{2})$ , apatyt $({CaF}_{2} \cdot {Ca}_{3} {({PO}_{4})}_{2})$ czy kriolit $({AlF}_{3} \cdot 3 NaF)$ .

Konfiguracje elektronowe wybranych atomów poszczególnych fluorowców zestawiono w poniższej tabeli.

Fluorowiec	Konfiguracja elektronowa w ujęciu powłokowym	Konfiguracja elektronowa podpowłokowa skrócona
$_{9} F$	$K^{2} L^{7}$	$[He] 2 s^{2} 2 p^{5}$
$_{17} Cl$	$K^{2} L^{8} M^{7}$	$[Ne] 3 s^{2} 3 p^{5}$
$_{35} Br$	$K^{2} L^{8} M^{18} N^{7}$	$[Ar] 4 s^{2} 3 d^{10} 4 p^{5}$
$_{53} I$	$K^{2} L^{8} M^{18} N^{18} O^{7}$	$[Kr] 5 s^{2} 4 d^{10} 5 p^{5}$
$_{85} At$	$K^{2} L^{8} M^{18} N^{32} O^{18} P^{7}$	$[Xe] 6 s^{2} 4 f^{14} 5 d^{10} 6 p^{5}$

Stopnie utlenienia, które mogą przyjmować atomy wybranych fluorowców w związkach chemicznych oraz przykłady odpowiadających im związków chemicznych zestawiono w tabeli.

Stopień utlenienia	$F$	$Cl$	$Br$	$I$
-I	$HF$ , ${OF}_{2}$	$HCl$	$HBr$	$HI$
I	-	${Cl}_{2} O$ , $HClO$	${Br}_{2} O$ , $HBrO$	$HIO$
III	-	${HClO}_{2}$	${BrF}_{3}$	-
IV	-	${ClO}_{2}$ , ${Cl}_{2} O_{4}$	${BrO}_{2}$	$I_{2} O_{4}$
V	-	${HClO}_{3}$	${HBrO}_{3}$	$I_{2} O_{5}$ , ${HIO}_{3}$
VII	-	${Cl}_{2} O_{7}$ , ${HClO}_{4}$	${HBrO}_{4}$	${HIO}_{4}$

Ciekawostka

Istnieją również związki fluorowców, w których atomy fluorowca występują na dwóch różnych stopniach utlenienia.

RcrFsCqsYU6QQ1

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Fluorowce różnią się właściwościami fizycznymi. Wybrane właściwości fizyczne poszczególnych fluorowców zebrano w poniższej tabeli.

Fluorowiec	Stan skupienia w temp. pokojowej	Rozpuszczalność w wodzie	Rozpuszczalność w toulenie	Właściwości fizyczne
fluor	gaz	dobra	dość dobra	żółtozielony gaz o ostrym zapachu, trujący
chlor	gaz	dość dobra	dobra	żółtozielony gaz o ostrym zapachu, trujący
brom	ciecz	dość dobra	dobra	ciemnobrunatna ciecz (z racji niskiej temperatury wrzenia gromadzi się nad nią czerwonobrunatna para) o ostrej, duszącej woni, trująca, wywołująca oparzenia
jod	ciało stałe	słaba	dobra	szaroczarna substancja krystaliczna o metalicznym połysku, unoszą się nad nim fioletowe pary
astat	nietrwały pierwiastek promieniotwórczy

W dalszej części lekcji ograniczymy się do omówienia wybranych właściwości fizykochemicznych fluoru, chloru, bromu i jodu. Wiele z właściwości astatu jest bowiem nieznanych, ze względu na krótkie czasy życia jego izotopów (czas połowicznego rozpadu najtrwalszego izotopu astatu (astatu‑210), wynosi niewiele ponad 8 godzin).

bg‑gray2

Porównanie aktywności fluorowców

Aktywność chemiczna fluorowców spada wraz ze wzrostem liczby atomowej. Im mniejszy jest promień atomowy fluorowca, tym silniej elektrony są przyciągane przez jądro atomowe i tym łatwiej tworzy się anion $X^{-}$ .

Wspomniany anion $X^{-}$ występuje w odpowiednich solach fluorowców. Sole te można wykorzystać do doświadczalnego porównania aktywności chemicznej wybranych fluorowców. W reakcjach chemicznych fluorowiec bardziej aktywny wypiera bowiem z roztworu soli fluorowiec mniej aktywny. Zależności te opisano poniżej za pomocą odpowiednich (przykładowych) równań reakcji:

2 KI + {Br}_{2} \to 2 KBr + I_{2}

2 NaBr + {Cl}_{2} \to 2 NaCl + {Br}_{2}

{BaI}_{2} + {Cl}_{2} \to {BaCl}_{2} + I_{2}

KCl + I_{2} \to reakcja nie zachodzi

KBr + I_{2} \to reakcja nie zachodzi

KCl + {Br}_{2} \to reakcja nie zachodzi

Różnice w aktywności chemicznej fluorowców przekładają się m.in. na różne warunki przebiegu ich reakcji z poszczególnymi substancjami.

bg‑gray2

Reakcje fluorowców

1. Reakcje z wodorem

Fluor reaguje z wodorem wybuchowo nawet w ciemności i niskiej temperaturze:

H_{2} + F_{2} \to 2 HF

Chlor reaguje z wodorem po zainicjowaniu reakcji przez światło:

H_{2} + {Cl}_{2} \overset{h ν}{\to} 2 HCl

Brom łączy się z wodorem dopiero po naświetleniu lub po podgrzaniu:

H_{2} + {Br}_{2} \overset{h ν lub ogrzewanie}{\to} 2 HBr

Jod jest najmniej aktywny spośród fluorowców. Reaguje z wodorem dopiero w obecności katalizatora i w wysokiej temperaturze sięgającej 500°C. Bezpośrednia synteza pierwiastków prowadzi do otrzymania jodowodoru:

H_{2} + I_{2} \overset{katalizator, ogrzewanie}{\to} 2 HI

Ważne!

Otrzymane w wyniku powyższych reakcji fluorowcowodory HX po rozpuszczeniu w wodzie tworzą kwasy beztlenowe. Wśród beztlenowych kwasów fluorowców, tylko kwas fluorowodorowy jest słabym kwasem, pozostałe są kwasami mocnymi. Moc tych kwasów rośnie w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowejliczba atomowaliczby atomowej fluorowca.

2. Reakcje z wodą

Fluor gwałtownie reaguje z wodą. Powstaje wtedy fluorowodór $(HF)$ i wydziela się tlen:

2 F_{2} + 2 H_{2} O \to 4 HF + O_{2}

Chlor i brom rozpuszczają się w wodzie tworząc bezbarwną wodę chlorową ${Cl}_{2 (aq)}$ oraz wodę bromową ${Br}_{2 (aq)}$ o brunatnej barwie. Rozpuszczając się w wodzie, chlor i brom wchodzą z nią w reakcje chemiczne, które przebiegają obok procesu rozpuszczania, a w roztworze ustala się równowaga:

{Cl}_{2} + H_{2} O ⇄ HCl + HClO

{Br}_{2} + H_{2} O ⇄ HBr + HBrO

W wyniku rozpuszczania chloru i bromu w wodzie, powstają kwasy chlorowodorowy $(HCl)$ i bromowodorowy $(HBr)$ oraz kwasy tlenowe: kwas chlorowy(I) $(HClO)$ i bromowy(I) $(HBrO)$ .

Pod wpływem światła, kwasy $HClO$ i $HBrO$ ulegają rozkładowi, w wyniku czego powstaje atomowy tlen:

HClO \to HCl + O

HBrO \to HBr + O

Atomowy tlen łączy się w cząsteczki $O_{2}$ . Ponadto atomowy tlen może utleniać substancje, które znajdą się w roztworze chloru, dlatego woda chlorowa używana jest jako środek wybielający i dezynfekujący.

bg‑gray2

Tlenowe kwasy chloru i bromu

Spośród związków tlenu z fluorowcami na uwagę zasługują kwasy tlenowe, np. kwasy tlenowe chloru i bromu, których nazwy i wzory sumaryczne zestawiono w tabeli poniżej.

Nazwa systematyczna	Wzór sumaryczny	Nazwa systematyczna	Wzór sumaryczny
kwas chlorowy(I)	$HClO$	kwas bromowy(I)	$HBrO$
kwas chlorowy(III)	${HClO}_{2}$	kwas bromowy(III)	${HBrO}_{2}$
kwas chlorowy(V)	${HClO}_{3}$	kwas bromowy(V)	${HBrO}_{3}$
kwas chlorowy(VII)	${HClO}_{4}$	kwas bromowy(VII)	${HBrO}_{4}$

Mocne i trwałe kwasy to kwas chlorowy(VII) i kwas bromowy(VII). Kwas chlorowy(VII) jest oleistą, łatwo wybuchającą cieczą.

Kwasy tlenowe chloru i bromu, w których pierwiastki te występują na I i III stopniu utlenienia, są nietrwałymi, słabymi kwasami, istniejącymi tylko w roztworach wodnych.

Kwasy tlenowe z chlorem i bromem na V stopniu utlenienia są mocnymi, ale nietrwałymi kwasami. Trwałe są natomiast sole tych kwasów, które podczas ogrzewania ulegają rozkładowi, np. chloran(V) potasu rozkłada się do chloranu(VII) potasu i chlorku potasu:

4 {KClO}_{3} \to 3 {KClO}_{4} + KCl

a ogrzewany w obecności katalizatora (np. ${MnO}_{2}$ ) rozkłada się z utworzeniem tlenu:

2 {KClO}_{3} \overset{kat .}{\to} 2 KCl + 3 O_{2}

bg‑green

Podsumowanie

Właściwości fizykochemiczne fluorowców i ich wybranych związków zmieniają się wraz ze wzrostem liczby atomowejliczba atomowaliczby atomowej fluorowca w następujący sposób:

RtwnOStqKtVDn1

Ilustracja przedstawia podsumowanie zmian właściwości chemicznych fluorowców i ich wybranych związków wraz ze wzrostem liczby atomowej w dół grupy. Fluor i chlor to gazy, brom jest cieczą podczas gdy jod jest ciałem stałym. Temperatury topnienia i wrzenia rosną w dół grupy, czyli w szeregu: fluor, chlor, brom i jod. Wraz ze wzrostem liczby atomowej dochodzi także do spadku aktywności chemicznej. Najbardziej reaktywny jest fluor, najmniej jod. W przypadku kwasów beztlenowych HF, HCl, HBr i HI ich moc rośnie w dół grupy. Inaczej jest w przypadku kwasów tlenowych. W dół grupy maleje moc kwasów tlenowych: przykład – szereg HClO (najmocniejszy), HBrO, HIO (najsłabszy). — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

stopień utlenienia

pojęcie umowne, określające liczbę dodatnich lub ujemnych ładunków elementarnych, które można by przypisać atomowi pierwiastka chemicznego wchodzącego w skład określonego związku, gdyby cząsteczki tego związku miały budowę jonową

liczba atomowa

podstawowa wielkość charakteryzująca i definiująca pierwiastek chemiczny, określająca liczbę protonów w jądrze atomu tego pierwiastka

Bibliografia

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, t. 1‑2, Warszawa 2010.

Cox P.A., Chemia nieorganiczna. Krótkie wykłady, Warszawa 2000.

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.

Lee J. D., Zwięzła chemia nieorganiczna, tłum. J. Kuryłowicz, Warszawa 1997, wyd. 5.

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Fluorowce

Porównanie aktywności fluorowców

Reakcje fluorowców

1. Reakcje z wodorem

2. Reakcje z wodą

Tlenowe kwasy chloru i bromu

Podsumowanie

Słownik

Bibliografia