Химические свойства фтора

Химические свойства фтора

Фтор исключительно химически активен, он – сильнейший окислитель. Это обусловлено, с одной стороны, большой прочностью образуемых им связей с атомами других элементов (так, энергия связи H-F 566, а Si-F 582 кДж/моль), с другой стороны, малой энергией связи в молекуле фтора (151 кДж/моль, тогда как у хлора 238 кДж/моль). Малое значение энергии связи в молекуле фтора, по-видимому, объясняется сильным отталкиванием электронных пар, находящихся на π-орбиталях, что обусловлено малой длиной F-F связи.

Большая энергия связей между атомом фтора и атомами других элементов является следствием большой электроотрицательности фтора и маленьким размером его атома. Благодаря малой энергии связи молекула фтора легко диссоциирует на атомы и энергия активации реакций со фтором обычно не велика, поэтому процессы с участием фтора протекают очень быстро.

Для фтора характерно:

1. Отсутствие положительных степеней окисления в соединениях с другими элементами.

2. Чрезвычайно низкая энергия активации реакций.

3. Большое выделение энергии при переходе молекулы фтора в анионы F.

4. Стремление максимально использовать валентные электроны партнеров. Именно в соединениях со фтором реализуются высшие степени окисления многих элементов: BiF5, SF6, IF7, OsF7, CuF3 и др.

Итак, фтор – сильнейший окислитель. По образному выражению академика А. Е. Ферсмана его можно назвать «всесъедающим».

Щелочные металлы, свинец, железо и большинство порошков других металлов загораются в атмосфере фтора при комнатной температуре. На некоторые металлы (алюминий, железо, никель, медь, цинк, марганец, магний) фтор на холоде не действует из-за образования поверхностной пленки фторидов, защищающей металл от дальнейшего взаимодействия. Поэтому сплавы этих металлов или никеля используют для хранения фтора. Однако при нагревании фтор реагирует со всеми металлами, в т.ч. с золотом и платиной.

Со многими неметаллами (водород, йод, бром, сера, фосфор, мышьяк, сурьма, углерод, кремний, бор) фтор взаимодействует на холоде; реакции протекают со взрывом или с образованием пламени.

С серой, фосфором и сурьмой фтор взаимодействует даже при температуре жидкого воздуха (-190 °C):

S + 3F2 = SF6, ΔH°298 = -1207 кДж/моль

2P + 5F2 = 2PF5, ΔH°298 = -3186 кДж/моль

2Sb + 5F2 = 2SbF5

С водородом фтор взаимодействует уже при температуре -252 °C

H2(ж) + F2(тв) = 2HF(тв)

Si(кр) + 2F2(г) = SiF4(г), ΔH°298 = -16156 кДж/моль

Криптон взаимодействует с фтором под действием электрического разряда, а ксенон горит в атмосфере фтора ярким пламенем.

Xe(г) + F2(г) = XeF2(кр), ΔG°f, 298 = -161,2 кДж/моль, ΔH°298 = -176 кДж/моль

Xe(г) + 2F2(г) = XeF4(кр), ΔG°f, 298 = -256,7 кДж/моль

С кислородом фтор реагирует при низких тепературах в электрических разрядах с образованием эндотермических фторидов кислорода. O2 + F2 = O2F2, -190 °C, электрич. разряд.

При нагревании с фтором реагирует хлор с образованием ClF и ClF3. Бром и йод при взаимодействии с фтором образуют следующие соединения: BrF, BrF3, BrF5, IF, IF3, IF5, IF7.

При нагревании фтор вступает в реакцию и с азотом:

N2 + 3F2 → 2NF3

Непосредственно фтор не реагирует только с углеродом (в виде алмаза), гелием, неоном и аргоном.

В реакциях с фтором в роли восстановителей выступают такие вещества как азотная и серная кислоты:

2HNO3 + 4F2 = 2HF + 2NF3 + 3O2

H2SO4 + 4F2 = 2HF + SF6 + 2O2

Под действием фтора разлагается вода:

0 °C: H2O(тв) + F2 = HF + HOF (фтороксигенат водорода)

0-90 °C: H2O(ж) + 2F2 = 2HF + OF2

>100 °C: H2O(г) + F2(г) = HF(г) + O2(г) (O3), ΔH = -598 кДж

В атмосфере фтора горят такие стойкие вещества, как стекло (в виде ваты), асбест, кварц:

SiO2(α-кварц) + 2F2(г) = SiF4(г) + O2(г), ΔG° = -716 кДж

Катализатором этой реакции является вода. С совершенно сухим кварцем или стеклом фтор не взаимодействует.

2NH3(г) + 3F2(г) = 6HF(г) + N2(г), ΔG° = -1604 кДж, ΔS>0

2NH3(г) + 6F2(г) = 6HF(г) + 2NF3(г), ΔG° = -1772 кДж, ΔS<0

2NaOH + 2F2 = OF2 + 2NaF + H2O

Поскольку атом фтора имеет небольшой радиус, он может замещать водород в органических молекулах. Кроме того, многие реакции прямого фторирования протекают по цепному механизму и часто имеют взрывной характер.