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

H_2(ж) + F_2(тв) = 2HF_(тв)

Si_(кр) + 2F_2(г) = SiF_4(г), ΔH°₂₉₈ = -16156 кДж/моль

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

Xe_(г) + F_2(г) = XeF_2(кр), ΔG°_{f, 298} = -161,2 кДж/моль, ΔH°₂₉₈ = -176 кДж/моль

Xe_(г) + 2F_2(г) = XeF_4(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) + F_2(г) = HF_(г) + O_2(г) (O₃), ΔH = -598 кДж

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

SiO_{2(α-кварц)} + 2F_2(г) = SiF_4(г) + O_2(г), ΔG° = -716 кДж

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

2NH_3(г) + 3F_2(г) = 6HF_(г) + N_2(г), ΔG° = -1604 кДж, ΔS>0

2NH_3(г) + 6F_2(г) = 6HF_(г) + 2NF_3(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.