Fluorowce- wzory, właściwości
Pierwiastki VII (17) grupy układu okresowego: Fluor, Chlor, Brom, Jod i Astat, nazywane są fluorowcami lub halogenami. Są one niemetalami, o konfiguracji powłoki walencyjnej \(ns^2np^5\)(konfiguracje elektronowe – patrz tabela 1).
Tabela 1: Wybrane właściwości fluorowców
|
Nazwa pierwiastka |
Symbol |
Konfiguracja elektronowa |
Trwałe Izotopy |
Temp. przemian fazowych [K] |
Główne źródło w przyrodzie |
|
|
topnienia |
wrzenia |
|||||
|
Fluor |
\(F\) |
\([He]2s^22p^5\) |
\(^{19}F\) |
53,5 |
85,0 |
Fluoroapatyt, \(Ca_5(PO_4)_3F\) |
|
Chlor |
\(Cl\) |
\([Ne]3s^23p^5\) |
\(^{35}Cl\) (75.77%), \(^{37}Cl\) (24.23%) |
171,6 |
239,1 |
\(NaCl\) rozp. w wodzie morskiej, sól kamienna (Halit, \(NaCl\)) |
|
Brom |
\(Br\) |
\([Ar]4s^23d^{10}4p^5\) |
\(^{79}Br\)(50.69%), \(^{81}Br\)(49.31%) |
265,8 |
332,0 |
\(NaBr\) rozp. w wodzie morskiej |
|
Jod |
\(I\) |
\([Kr]5s^24d^{10}5p^5\) |
\(^{127}I\) |
386,8 |
457,4 |
\(NaI \)rozp. w wodzie morskiej, Solanki podziemne, zawierające jony \(I^{-\) |
|
Astat |
\(At\) |
\([Xe]6s^24f^{14}5d^{10}6p^5\) |
Tylko nietrwałe; Promieniotwórcze \(^{214}At\) – \(^{219}At \)występują w naturze |
575,0 |
610,0 |
Produkt rozpadu promieniotwórczego; nie pozyskiwany ze źródeł naturalnych |
Fluorowce są najbardziej reaktywnymi pierwiastkami chemicznymi, tworzą związki chemiczne z prawie wszystkimi pierwiastkami układu okresowego. Najczęściej występują na stopniu utlenienia –I, ze względu na konfigurację elektronową – przyjęcie jednego elektronu pozwala uzyskać konfigurację gazu szlachetnego (oktet na powłoce walencyjnej). Związki fluorowców na stopniu utlenienia –I nazywane są halogenkami lub odpowiednio dla danego fluorowca – fluorkami, chlorkami, bromkami itd. Ze względu na łatwość przyłączenia jednego elektronu, fluorowce tworzą również stabilne jony \(X^-\) (gdzie \(X\) – symbol pierwiastka, np. \(Cl^-\)). W roztworach wodnych, jony\( X^-\) stanowią reszty kwasowe kwasów halogenowodorowych – fluorowodorowego (\(HF\)), chlorowodorowego (\(HCl\)), bromowodorowego (\(HBr\)), itd. Oprócz stopnia utlenienia –I, fluorowce przyjmują również dodatnie stopnie utlenienia: +I, +III, +V, +VII, zazwyczaj w połączeniach z pierwiastkami elektroujemnymi, np. z tlenem. Do szeroko stosowanych związków fluorowców na wyższych stopniach utlenienia należą podchloryn sodu (chloran(I) sodu, \(NaClO\)), stosowany w „chlorowych” wybielaczach i jako „chlor” do dezynfekcji wody, a także chloran(V) potasu – silny utleniacz, wykorzystywany w pirotechnice i stałych paliwach rakietowych.
Fluor- właściwości, otrzymywanie
Wolny fluor tworzy dwuatomowe cząsteczki, \(F_2\). W temperaturze pokojowej jest gazem o żółtawym zabarwieniu, skrapla się w temperaturze -188,11°C. Fluor jest bardzo reaktywny i w przyrodzie występuje tylko w postaci związków chemicznych. Najważniejszymi naturalnymi źródłami fluoru są minerały: Fluoryt (\(CaF_2\)), Fluoroapatyt (\(Ca_5(PO_4)_3F\)) i Kriolit (\(Na_3AlF_6\)).
Główne zastosowania fluoru i jego związków to: jako dodatki obniżające temperaturę topnienia w hutnictwie (fluoryt, kriolit), w chłodnictwie (np. czynnik chłodniczy R134a – tetrafluoroetan, \(C_2F_4H_2\)) , w przemyśle polimerowym - produkcja fluoropolimerów takich jak teflon® - poli(tetrafluoroetylen), o wzorze \((-CF_2CF_2-)_n\). Wysoka reaktywność chemiczna fluoru sprawia, że tworzy on związki chemiczne nawet z gazami szlachetnymi, znane są fluorki ksenonu, kryptonu i radonu. Do najważniejszych związków fluoru należy fluorowodór, \(HF\), który po rozpuszczeniu w wodzie tworzy kwas fluorowodorowy, \(HF_{aq}\) – bardzo silnie żrącą substancję zdolną trawić szkło.
Chlor- właściwości, otrzymywanie
Podobnie jak fluor, wolny chlor również tworzy dwuatomowe cząsteczki i jest gazem w temperaturze pokojowej. Jest nieco mniej reaktywny od fluoru, jednak również tworzy związki chemiczne z większością pierwiastków chemicznych, w tym również z gazami szlachetnymi. W naturze chlor występuje przede wszystkim w postaci chlorków, najczęściej występującym z nich jest chlorek sodu, \(NaCl\), potocznie zwany solą kuchenną. Chlorek sodu jest rozpuszczony w wodzie morskiej, a także występuje jako minerał kopalny (sól kamienna, Halit). Przemysłowo, chlor otrzymywany jest głównie przez elektrolizę solanki, wodnego roztworu \(NaCl\).
Chlor i jego związki znajdują szerokie zastosowanie, między innymi jako środki dezynfekujące i wybielające (podchloryn sodu), jako utleniacze (chlorany(V) i chlorany(VII)), w chłodnictwie – freony, związki chloru, fluoru i węgla. Wśród najważniejszych związków chloru można wymienić kwas solny (wodny roztwór chlorowodoru, \(HCl\)), jeden z najszerzej stosowanych kwasów mineralnych, podchloryn sodu (\(NaClO\)), stosowany jako środek dezynfekujący, wybielacz i utleniacz oraz kwas chlorowy(VII), \(HClO_4\) – jeden z najmocniejszych kwasów mineralnych.
Brom- właściwości, otrzymywanie
Brom również tworzy dwuatomowe cząsteczki w stanie wolnym, ale w temperaturze pokojowej jest brązową, dymiącą cieczą. Jest mniej reaktywny od chloru i bardziej reaktywny od jodu. Reaguje łatwo z metalami w obecności wody, tworząc sole – bromki, w których przyjmuje stopień utlenienia –I. W naturze brom występuje głównie w wodzie morskiej i solankach podziemnych oraz w rozproszeniu w różnych minerałach. Przemysłowo, brom otrzymuje się z solanek bogatych w \(Br^-\) poprzez reakcję z gazowym chlorem, według równania (1).
\(Cl_2 + 2 Br^- \rightarrow Br_2 + 2Cl^-\) (1)
Związki bromu znajdują zastosowanie między innymi jako środki gaszące i spowalniające palenie, związki organiczne zawierające brom są stosowane jako leki, bromek srebra, \(AgBr\), znajduje zastosowanie w produkcji filmów fotograficznych. W przeszłości, bromek potasu, \(KBr\), był stosowany jako środek uspokajający, jednak wycofano go z użycia ze względu na wywoływanie szkodliwość dla układu nerwowego przy długotrwałym podawaniu.
Jod- właściwości, otrzymywanie
Jod w temperaturze pokojowej jest fioletowym ciałem stałym, złożonym z dwuatomowych cząsteczek \(I_2\). Stały jod wykazuje silną tendencję do sublimacji – przechodzenia ze stanu stałego bezpośrednio w gaz. Jest mniej reaktywny od lżejszych fluorowców, jego związki mają bardziej kowalencyjny charakter. Podobnie jak chlor i brom, występuje w wodzie morskiej i solankach, może być otrzymywany przez utlenianie jonów jodkowych za pomocą bromu, zgodnie z równaniem (2) lub za pomocą chloru - równanie (3).
\(Br_2 + 2 I^- \rightarrow I_2 + 2Br^-\) (2)
\(Cl_2 + 2 I^- \rightarrow I_2 + 2Cl^- \)(3)
Jod znajduje zastosowanie do dezynfekcji ran w postaci jodyny – roztworu jodu w 90% etanolu, zawierającego jodek potasu jako stabilizator wolnego jodu. Jest również niezbędnym do życia mikroelementem, składnikiem hormonów tarczycy – tyroksyny i trójjodotyroniny - jego niedobór prowadzi do chorób tarczycy. Jod w postaci jodanu(V) potasu, dodawany jest w niewielkich ilościach do soli kuchennej (sól jodowana).
Astat- właściwości, otrzymywanie
Astat jest najcięższym z fluorowców, nieposiadającym żadnego trwałego izotopu. Promieniotwórcze izotopy astatu występują w minimalnych ilości na Ziemi, jako elementy naturalnych szeregów promieniotwórczych. Chemicznie, astat podobny jest do jodu, ma jednak niższą elektroujemność a jego związki – bardziej kowalencyjny charakter. Wyizolowanie i zbadanie astatu jako wolnego pierwiastka było możliwe dzięki syntezie z jąder lżejszych pierwiastków – astat po raz pierwszy otrzymano bombardując bizmut-209 cząstkami α przyśpieszonymi w cyklotronie.