Wodorki stanowią jedną z najbardziej zróżnicowanych grup związków chemicznych, wykazując silną zmienność właściwości fizycznych i chemicznych, w zależności od położenia w układzie okresowym pierwiastka związanego z atomem wodoru. Jedną z najbardziej interesujących grup wodorków są wodorki pierwiastków $17.$ grupy układu okresowego, czyli fluorowców.

Wodorki grupy $17.$ to związki zbudowane z atomu wodoru i atomu fluorowca. W tych związkach wodór występuje na $+\text{I}$ stopniu utlenienia, natomiast atom fluorowca na stopniu utlenienia $-\text{I}$.

Pod względem właściwości fizycznych i chemicznych, stanowią one jedną z najbardziej jednorodnych grup związków pierwiastków z wodorem. Wszystkie halogenowodoryhalogenowodórhalogenowodory w warunkach normalnych są gazami dobrze rozpuszczalnymi w wodzie. Ich wodne roztwory są kwasami, przy czym moc kwasów rośnie w kierunku $\text{HF}\to \text{HI}$. Wzrost mocy kwasów beztlenowych jest zgodny ze spadkiem wartości elektroujemności fluorowca. Głównym jednak czynnikiem odpowiedzialnym za moc kwasów beztlenowych, a więc tendencję do zachodzenia procesu dysocjacji elektrolitycznej, jest promień atomowy – wraz ze wzrostem promienia atomowego fluorowca moc kwasu rośnie. W praktyce wodne roztwory $\text{HI}$, $\text{HBr}$ oraz $\text{HCl}$ są bardzo mocnymi kwasami, natomiast $\text{HF}$ jest kwasem słabym.

Ze względu na bardzo wysoką elektroujemność fluoru – najwyższą spośród wszystkich pierwiastków – oraz jego niewielki promień atomowy, wiązania wodorowe, występujące pomiędzy cząsteczkami $\text{HF}$, należą do wyjątkowo silnych. Znajduje to potwierdzenie w bardzo wysokiej, w porównaniu do innych halogenowodorów, temperaturze wrzenia, wynoszącej $+20°\text{C}$.

Stwierdzono obecność asocjatówasocjacjaasocjatów ${\left(\text{HF}\right)}_n$, gdzie $n=2\dots 6$. Ponadto w roztworze występują jony ${\text{HF}}_2^{-}$, powstałe wskutek dysocjacji ${\left(\text{HF}\right)}_2$, wg równania:

Cząsteczki wodorków grupy $17.$ są polarne. W warunkach standardowych wszystkie są gazami. Wartości temperatur wrzenia rosną w szeregu $\text{HCl}—\text{HI}$ od wartości $-84°\text{C}$ do $-35°\text{C}$. Pomiędzy cząsteczkami tych wodorków występują oddziaływania dipol–dipol, co powoduje systematyczny wzrost temperatur wrzenia wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej wodorku.

W przypadku fluorowodoru, posiadającego najmniejszą masę cząsteczkową spośród wszystkich wodorków grupy $17.$, wartość temperatury wrzenia osiąga rekordowo $20°\text{C}$. Tak wysoka temperatura wrzenia jest konsekwencją występowania wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami $\text{HF}$. Ze względu na bardzo wysoką elektroujemność oraz mały promień atomowy fluoru, wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami $\text{HF}$ należą do najsilniejszych wiązań wodorowych. Wysoka temperatura wrzenia wynika z obecności asocjatów zbudowanych z kilku – od dwóch do sześciu – cząsteczek $\text{HF}$. Wodny roztwór fluorowodoru jest słabym kwasem. Ze względu na występowanie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami $\text{HF}$, w roztworze kwasu fluorowodorowego, oprócz jonów fluorkowych, które powstają w procesie dysocjacji:

zachodzi także proces:

Jony ${{\text{HF}}_2}^{-}$ mają kształt liniowy.

Wodorki definiuje się jako związki wodoru z innymi pierwiastkami. Chociaż nazwa „wodorek” w swoim dosłownym znaczeniu określa jon ${\text{H}}^{-}$, to przyjęto określać wszystkie dwupierwiastkowe związki wodoru z innymi pierwiastkami jako „wodorki”, niezależnie od tego, czy wodór występuje w nich na $+\text{I}$ czy $-\text{I}$ stopniu utlenienia. W przypadku wodorków grupy $17.$, wiązanie można scharakteryzować jako kowalencyjne spolaryzowane, przy czym polarny charakter wiązania maleje w kierunku od $\text{HF}$ do $\text{HI}$.

Wszystkie fluorowce tworzą wodorki o wzorze $\text{HX}$.

R1VZreXwEDm4T

Ilustracja dotyczy budowy i charakterystyki dwuatomowych cząsteczek halogenowodorów. Po lewej stronie przedstawiono ramkę, z symbolem pierwiastka, liczbą atomową, nazwą, liczbą masową i elektroujemnością. Po prawej wzór sumaryczny cząsteczki halogenowodoru, następie model kulkowy cząsteczki i długość wiązania podaną w pikometrach. W modelach kulkowych promień atomu fluorowca jest większy wraz ze wzrostem liczby atomowej. Wodór przedstawiono za pomocą białej kulki. Wartości są następujące: Dla fluorowodoru: liczba atomowa fluoru $9$ liczba masowa $19$, elektroujemność $\mathrm{4,0}$. Wzór sumaryczny $\text{HF}$, model: dwie kulki: biała – wodór i żółtą fluor, długość wiązania: $100$ pikometrów. Dla chlorowodoru: liczba atomowa chloru $17$, liczba masowa $\mathrm{35,45}$, elektroujemność $\mathrm{3,0}$. Wzór sumaryczny $\text{HCl}$, model: dwie kulki: biała – wodór i zielona chlor, długość wiązania: $\mathrm{<127/mn>}$ pikometrów. Dla bromowodoru: liczba atomowa bromu $35$, liczba masowa $\mathrm{79,90}$, elektroujemność $\mathrm{2,8}$. Wzór sumaryczny $\text{HBr}$, model: dwie kulki: biała – wodór i bordowa brom, długość wiązania: $141$ pikometrów. Dla jodowodoru: liczba atomowa jodu $53$, liczba masowa $\mathrm{126,90}$, elektroujemność $\mathrm{2,5}$. Wzór sumaryczny $\text{HI}$, model: dwie kulki: biała – wodór i fioletowa jod, długość wiązania: $161$ pikometrów.

Budowa cząsteczek halogenowodorów:

Wodne roztwory halogenowodorów wykazują właściwości kwasowe.

• Słaby kwas

$\text{HF}$ rozpuszcza się w każdej ilości w wodzie, lecz tylko niewielka część cząsteczek $\text{HF}$ dysocjuje: 

Wskazuje na to niska wartość stałej dysocjacji kwasu ($K_{\mathrm{a}}$) dla tego związku.

• Mocne kwasy

Wodne roztwory $\text{HCl}$, $\text{HBr}$ i $\text{HI}$ są mocnymi kwasami. Dysocjacja tych halogenowodorów jest całkowita:

Moc kwasów beztlenowych, utworzonych przez wodorki grupy $17.$, rośnie w dół grupy, czyli przeciwnie do różnicy elektroujemności.

Ze względu na dużą różnicę elektroujemności między wodorem a fluorem, pomiędzy cząsteczkami $\text{HF}$ występują wiązania wodorowe.

R1CScSy0jxGij

Ilustracja dotyczy wiązania wodorowego, występującego pomiędzy cząsteczkami fluorowodoru. Model kulkowy struktury związku rozpoczyna od lewej strony przerywana linia prowadząca skośnie w dół do atomu fluoru przedstawionego za pomocą żółtej kulki. Po prawej stronie atomu fluoru znajduje się wiązanie, przedstawione linią ciągłą, skierowane po skosie w górę w prawo do atomu wodoru, reprezentowanego przez czerwoną kulkę. Od niego wychodzi przerywana linia skośnie w górę w prawo do atomu fluoru, który z kolei łączy się z kolejnym atomem wodoru leżącym po prawej stronie poniżej ciągłym wiązaniem. Kolejne atomy są połączone w ten sam sposób. Wiązanie fluor‑wodór ma długość $100$ pikometrów. A wiązanie wodorowe pomiędzy atomem wodoru jednej cząsteczki, a atomem fluoru drugiej cząsteczki, ma długość $155$ pikometrów.

Wiązanie wodorowe pomiędzy cząsteczkami $\text{HF}$ to najsilniejsze wiązanie wodorowe
($150 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$). Konsekwencjami tego są:

• nieograniczona rozpuszczalność $\text{HF}$ w wodzie;

• obecność jonów ${{\text{HF}}_2}^{-}$ w wodnym roztworze $\text{HF}$; ${\left(\text{HF}\right)}_2$ dysocjuje na ${{\text{HF}}_2}^{-}$ i ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$;

• wysoka – w porównaniu do innych fluorowodorów – temperatura wrzenia i topnienia $\text{HF}$;

• w przypadku ciała stałego występują zygzakowate łańcuchy ${\left(\text{HF}\right)}_n$;

• w przypadku cieczy są mniejsze jednostki: od ${\left(\text{HF}\right)}_2$ do ${\left(\text{HF}\right)}_6$.

Słownik

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa $1997 \text{r}.$ i wyd. następne.