Шкала степеней окисления фтора

Химические свойства фтора

1. Фтор энергично окисляет большинство металлов: щелочные и щелочно-земельные металлы воспламеняются в атмосфере фтора на холоду; Bi, Sn, Ti, Мо, W – при незначительном нагревании; Hg, Pb, U, V реагируют с фтором при комнатной температуре; Pt – при температуре тёмно-красного каления. При взаимодействии металлов с фтором образуются, как правило, высшие фториды, например UF₆, MoF₆, HgF₂. Некоторые металлы (Fe, Сu, Al, Ni, Mg, Zn) реагируют с фтором с образованием защитной плёнки фторидов, препятствующей дальнейшей реакции:

2Na + F₂ = 2NaF,

Fe + F₂ = FeF₂,

2Au + 3F₂ = 2AuF₃.

2. Фтор окисляет все неметаллы, кроме гелия, неона и аргона, реакции с азотом и кислородом трудноосуществимы:

2F₂ + Si = SiF₄,

3F₂ + 2B = 2BF₃,

S + 3F₂ = SF₆,

Хе + 2F₂ = XeF₄.

Известно большое число соединений фтора с другими галогенами, например, BrF₃, IF₇, ClF, ClF₃ и другие, причем бром и йод воспламеняются в атмосфере фтора при обычной температуре, а хлор взаимодействует с фтором при нагревании до 200–250° С. Взаимодействие фтора с серой сопровождается выделением тепла и приводит к образованию различных фторидов серы. Селен и теллур образуют высшие фториды SeF₆ и TeF₆.

3. Фтор окисляет многие сложные вещества:

2F₂ + 2Na₂O = 4NaF + O₂,

SO₂ + F₂ = SO₂F₂,

2Н₂О + 2F₂ = 4HF + О₂,

SiO₂ + 2F₂ = SiF₄ + O₂.

Получение фтора

Впервые фтор был получен в 1888 г. ученым Муассаном электролизом раствора KHF₂ в плавиковой кислоте.

В настоящее время получают электролизом расплава CaF₂:

CaF₂ → Ca + F₂.

Материалом для электролиза обычно служит сталь; электроды – угольный анод и стальной катод. Электролиз ведется при 95–100° С и напряжении 9–11 В; выход фтора по току достигает 90–95 %. Получающийся фтор содержит до 5 % HF, который удаляется вымораживанием с последующим поглощением фторидом натрия. Фтор хранят в газообразном состоянии (под давлением) и в жидком виде (при охлаждении жидким азотом) в аппаратах из никеля и сплавов на его основе, из меди, алюминия и его сплавов, латуни, нержавеющей стали.

Применение фтора

Газообразный фтор служит для фторирования UF₄ в UF₆, применяемого для изотопов разделения урана, а также для получения трехфтористого хлора ClF₃ (фторирующий агент), шестифтористой серы SF₆ (газообразный изолятор в электротехнической промышленности), фторидов металлов (например, W и V). Жидкий фтор применяется в качестве окислителя ракетного топлива.

Широкое применение получили многочисленные соединения фтора – фтористый водород, фторид алюминия, кремнефториды, фторсульфоновая кислота (растворитель, катализатор, реагент для получения органических соединений, содержащих группу – SO₂F), BF₃ (катализатор), фторорганические соединения и другие. Фтор используют в производстве тефлона, других фторопластов, фторкаучуков, фторсодержащих органических веществ и материалов, которые широко применяют в технике, особенно в тех случаях, когда требуется устойчивость к агрессивным средам, высокой температуре и т. п.

Соединения фтора (–1)

Ионные фториды – кристаллические вещества с высокой температурой плавления. Координационное число фторид-иона 6 (NaF) или 4 (CaF₂).

Ковалентные фториды – газы или жидкости.

Фторид водорода при обычных условиях – бесцветный газ с резким запахом (Т_пл = –83,4 °С, Т_кип = 19,5 °С).

Фторид водорода обычно получают действием серной кислоты на флюорит:

CaF₂ + H₂SO₄ = CaSO₄ + 2HF.

Раствор HF (фтороводородная кислота) является слабой кислотой, проявляет все общие свойства кислот.

Характерная особенность фтороводородной кислоты ее способность взаимодействовать с диоксидом кремния:

SiO_2(к) + 4HF_(ж) = SiF_4(к) + 2Н₂О_(ж).

Поэтому ее обычно хранят не в стеклянной посуде, а в сосудах из свинца, каучука, полиэтилена или парафина. Она токсична, при попадании на кожу вызывает плохо заживающие болезненные язвы.

Плавиковая кислота, в отличие от остальных галогеноводородных кислот, образует кислые соли:

KOH +2HF = KHF₂ + H₂O.

фторогидрогенат калия.

Фтороводородная кислота применяется для травления стекла, удаления песка с металлического литья, получения фторидов и т.д. Фторид водорода в основном используется в органическом синтезе.

Особое место занимают фториды кислорода. Дифторид кислорода (ОF₂) – ядовитый газ бледно желтого цвета. Молекула имеет структуру равнобедренного треугольника, валентный угол 103. Дифторид кислорода может быть получен пропусканием фтора в 2 % раствор гидроксида натрия:

2F₂ + 2NaOH = 2NaF + OF₂ + H₂O.

Более сильный окислитель, чем кислород, реагирует с неметаллами, различными органическими и неорганическими веществами:

OF₂ + 2NaOH = 2NaF + O₂ + H₂O,

OF₂ + 4HI = 2HF + 2I₂ + H₂O.

Фторид кислорода О₂F₂ – твердое вещество оранжево-желтого цвета, крайне неусточив. Структура молекулы аналогична структуре молекулы пероксида водорода, диамагнитна. Может быть получен прямым взаимодействием простых веществ:

О₂ + F₂ = О₂F₂.

При температуре электрической дуги или под действием ионизирующего излучения можно получить полимерные фториды состава: О₄F₂, О₅F₂, О₆F₂. Такие фториды существуют при низких температурах.

Промежуточное положение между ионными и ковалентными фторидами занимают фториды с высокой степенью полярности связи, которые можно назвать ионно-ковалентными соединениями. К последним относятся, например, кристаллические ZnF₂, MnF₂, CoF₂, NiF₂, в которых эффективные заряды металлических элементов составляют 1,56; 1,63; 1,46; 1,40 соответственно.

Многие фториды металлов в низких степенях окисления получают действием раствора HF на оксиды, гидроксиды, карбонаты. Например:

3HF + Al(ОН)₃ = AlF₃ + 3H₂O.

Фториды неметаллов и металлов в высоких степенях окисления получают фторированием простых веществ или низших фторидов, например:

ClF + F₂ = ClF₃.

Большинство кристаллических фторидов нерастворимо в воде. Хорошо растворяются лишь фториды s-элементов I группы (кроме LiF), а также AgF, HgF₂, SnF₂ и некоторые другие.

По химической природе ионные фториды являются основными соединениями, а ковалентные фториды – кислотными. Так, в реакции

2NaF + SiF ₄ = Na₂[SiF₆]

NaF выступает в качестве донора, а ковалентный SiF₄ – в качестве акцептора электронных пар, носителем которых является фторид-ион F^–.

Основные фториды при гидролизе создают щелочную среду, а кислотные фториды – кислотную:

SiF₄ + 3Н₂О = H₂SiO₃ + 4HF.

Амфотерные фториды взаимодействуют как с основными, так и с кислотными фторидами:

2KF + BeF₂ = K₂[BeF₄] (как кислотное соединение),

BeF₂ + SiF₄ = Be[SiF₆] (как основное соединение).