FLUOROWCE
CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA
Do grupy fluorowców, zwanych też
halogenami należą: fluor, chlor, brom,
jod oraz astat.
Atomy tych pierwiastków zawierają po
siedem
elektronów
walencyjnych,
brakuje więc tylko jednego elektronu
aby
osiągnąć
konfigurację
gazów
szlachetnych.
Atomy
fluorowców
wykazują więc tendencję do przyjęcia
dodatkowego elektronu i przejścia w jon
X
-
.
Oderwanie elektronu od obojętnego
atomu fluorowca i utworzenie jonu X
+
wymaga dostarczenia dużej energii.
Ważną cechą fluorowców jest ich duża
reaktywność. Pierwiastki te należą do
najbardziej aktywnych pod względem
chemicznym.
FLUOROWCE
CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA
Także istotną cechą fluorowców jest to,
że należą one do najsilniejszych
środków utleniających. Fluor stanowi
najsilniejszy
utleniacz
spośród
wszystkich pierwiastków.
Fluorowce występują w przyrodzie
wyłącznie w stanie związanym, w postaci
związków
chemicznych.
Najbardziej
wśród fluorowców rozpowszechnionym
pierwiastkiem jest chlor, woda morska
zawiera średnio 1,95 % chloru w postaci
chlorku
sodu
NaCl.
Astat
jest
pierwiastkiem otrzymywanym wyłącznie
na drodze sztucznej. Fluor w skorupie
ziemskiej
występuje
w
postaci
minerałów:
fluoryt
CaF
2
,
apatyt
Ca
5
(PO
4
)
3
F oraz kriolitu Na
3
AlF
6
.
Najważniejszym
związkiem
chloru
występującym
w
przyrodzie
i
stanowiącym
główny
surowiec
do
otrzymywania chloru jest chlorek sodu
NaCl. Chlorek sodu stanowi rozległe
złoża
po
wysychaniu
mórz.
Chlor
otrzymuje się na skalę techniczną na
drodze elektrolizy wodnego roztworu
chlorku sodu.
2NaCl
+
2H
2
O
Cl
2
+
2NaOH
+
H
2
elektroliza
FLUOROWCE
WŁAŚCIWOŚCI
FIZYCZNE
I
CHEMICZNE
Fluor
i
chlor
są
w
warunkach
normalnych gazami, brom jest cieczą o
dość wysokiej prężności pary, a jod jest
ciałem stałym. Ze wzrostem masy
atomowej tych pierwiastków zmienia się
ich zabarwienie: Fluor wykazuje lekkie
zabarwienie żółtozielone, chlor jest
zielonożółty,
par
bromu
są
czerwonobrunatne, a jodu fioletowe.
Ciekły brom ma barwę ciemnobrunatną,
a jod w stanie stałym tworzy szaroczarne
kryształy
o
metalicznym
połysku.
Kolorystyka tych pierwiastków jest więc
bardzo bogata.
fluor
chlor
ciekły brom
i para bromu
stały jod
i para jodu
FLUOROWCE
WŁAŚCIWOŚCI
FIZYCZNE
I
CHEMICZNE
W stanie gazowym fluorowce mają ostry
zapach i silnie drażnią drogi oddechowe.
Fluor, brom i chlor działają toksycznie i
są niebezpieczne dla zdrowia.
Chlor i brom dosyć dobrze rozpuszczają
się w wodzie, tworząc bezbarwną wodę
chlorową i brunatną wodę bromową.
Fluor gwałtownie rozkłada wodę z
wytworzeniem fluorowodoru HF i z
wydzieleniem wolnego tlenu.
Fluorowce wykazują bardzo znaczna
aktywność
chemiczną,
malejącą
w
szeregu od fluoru do jodu. Fluor łączy
się
niemal
z
wszystkimi
innymi
pierwiastkami,
nawet
z
gazami
szlachetnymi. Z wodorem elementarnym
reaguje wybuchowo nawet w ciemności.
Odbiera również wodór z jego związków.
Najodporniejsze wśród metali złoto i
platyna ulęgają działaniu fluoru w
temperaturze 800 do 900 K. Całkowicie
czysty fluor prawie nie działa na szkło,
wystarczy jednak niewielka domieszka
fluorowodoru
by
zapoczątkować
gwałtowną
reakcję.
Reakcję
te
wykorzystuje się przy trawieniu i
matowieniu szkła.
Chlor jest również pierwiastkiem o dużej
aktywności, mniejszej jednak niż fluor.
W temperaturze pokojowej i w ciemności
reakcja między chlorem i wodorem nie
zachodzi.
FLUOROWCE
CHEMICZNE ZWIĄZKI FLUOROWCÓW
Fluorowce w połączeniu z wodorem
tworzą fluorowcowodory. Fluorowodór i
chlorowodór otrzymuje się działając
stężonym
kwasem
siarkowym
na
odpowiednie sole.
CaF
2
+
H
2
SO
4
= CaSO
4
+
2HF
NaCl
+
NaHSO
4
=
H
2
SO
4
+
HCl
W roztworach wodnych fluorowcowodory
ulegają
dysocjacji
elektrolitycznej
zgodnie z równaniem:
HX
+
H
2
O
H
3
O
+
+
X
Kwas fluorowodorowy HF jest kwasem
umiarkowanie słabym, podczas gdy
dalsze
kwasy
fluorowcowodorowe
poczynając od kwasu solnego HCl,
należą do kwasów bardzo mocnych. Sole
kwasów
fluorowcowodorowych
o
ogólnym wzorze MX - atom metalu
jednowartościowego, noszą odpowiednie
nazwy: fluorek, chlorek, bromek i jodek
danego metalu.
FLUOROWCE
Cl
O H
O
H
O
Cl
O
Cl
O
O H
O Cl
O
O
O
H
kwas
monooksochlorowy(I)
kwas chlorowy(I)
kwas
dioksochlorowy(III)
kwas chlorowy(III)
kwas
trioksochlorowy(V)
kwas chlorowy(V)
kwas
tetraoksochlorowy(VII)
kwas chlorowy(VII)
Tlenowe kwasy (oksokwasy) fluorowców
są liczne, tu podano tylko kilka
przykładów.
Większości
tlenowych
kwasów fluorowców nie udaje się
wydzielić w stanie czystym i znane są
tylko w postaci roztworów lub soli.
Trwałość ich wzrasta ze stopniem
utlenienia fluorowca. Dzięki temu kwas
jodowy (V), HIO
3
, chlorowy (VII), HClO
4
i
heksaoksojodowy (VII), H
5
IO
6
można
otrzymać w stanie czystym.
Wszystkie
kwasy
wykazują
silne
właściwości utleniające.
Pierwsza podana nazwa kwasu jest
nazwą obowiązującą pełną, druga nazwa
jest uproszczona.
Chemia fizyczna
(2)
PRZEMIANY FAZOWE
SUBSTANCJI
POJĘCIA PODSTAWOWE
Przemiany fazowe są to takie fizyczne
przemiany substancji, które zachodzą
bez
zmiany
składu
chemicznego
substancji.
Wrzenie,
krzepnięcie,
przemiany
grafitu
w
diament
to
przykłady przemian fazowych.
Fazą danej substancji nazywamy postać
materii,
która
charakteryzuje
się
jednorodnym składem chemicznym i
stanem fizycznym. Rozróżniamy fazy
stałą, ciekłą i gazową substancji oraz o
różnych fazach stałych np. grafit i
diament, biały i czarny fosfor (odmiany
alotropowe).
Przemiana fazowa, czyli samorzutna
przemiana jednej fazy w drugą, dla
danego
ciśnienia
zachodzi
w
charakterystycznej temperaturze.
Na przykład pod ciśnieniem 1 atm lód
jest faza trwałą wody poniżej 0
o
C.
Natomiast powyżej tej temperatury, faza
bardziej trwałą jest ciecz.
W
gazach
i
cieczach
mobilność
cząsteczek pozwala na zauważalnie
szybkie przemiany, podczas gdy w ciele
stałym przemiany zachodzą bardzo
wolno. Nie będziemy się zagłębiać w to
zagadnienie.
PRZEMIANY FAZOWE
SUBSTANCJI
DIAGRAM FAZOWY
Diagram fazowy substancji pokazuje
obszary ciśnienia i temperatury, w
których
różne
jej
fazy
są
termodynamicznie
trwałe.
Granice
pomiędzy obszarami - linie równowagi
faz, określają wartości ciśnienia i
temperatury, dla których dwie fazy
istnieją ze sobą w równowadze.
Ciśnienie gazu w stanie równowagi z
fazą ciekłą w danej temperaturze
nazywamy prężnością pary substancji.
c
iś
n
ie
n
i
e
temperatura,
T
ciało
stałe
ciecz
punkt
krytyczny
punkt
potrójn
y
para
PRZEMIANY FAZOWE
SUBSTANCJI
TEMPERATURA WRZENIA
Ciecz ogrzewana w naczyniu otwartym
paruje
ze
swej
powierzchni.
W
temperaturze, w której prężność pary
zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym,
parowanie może zachodzić w całej
objętości
cieczy
i
para
ulega
swobodnemu rozprężaniu do otoczenia.
Proces
swobodnego
parowania
zachodzący w całej objętości cieczy
nazywamy wrzeniem. Temperaturę, w
której prężność pary cieczy równa jest
ciśnieniu
zewnętrznemu,
nazywamy
temperaturą
wrzenia
pod
tym
ciśnieniem.
TEMPERATURA KRYTYCZNA
Gdy ciecz ogrzewamy w naczyniu
zamkniętym,
wrzenie
nie
następuje.Temperatura, prężność pary
oraz jej gęstość wzrastają w sposób
ciągły.
wzrost T
ciecz w równowadze
z parą
gęstość gazu
wzrasta,
cieczy maleje
w temp. krytycznej granica
między fazami znika
PRZEMIANY FAZOWE
SUBSTANCJI
Temperatura, w której powierzchnia
graniczna
znika,
nazywana
jest
temperaturą krytyczną T
kr
. Prężność
pary w temperaturze krytycznej nosi
nazwę ciśnienia krytycznego p
kr
. W
temperaturze krytycznej i powyżej niej
naczynie wypełnia jednorodna faza
zwana płynem nadkrytycznym. Powyżej
temperatury
krytycznej
faza
ciekła
substancji nie istnieje.
TEMPERATURA TOPNIENIA
Temperatura, w której pod danym
ciśnieniem
ciecz
i
ciało
stałe
współistnieją ze sobą w równowadze,
nazywa
się
temperaturą
topnienia.
Temperatura topnienia i krzepnięcia
substancji jest taka sama.
TEMPERATURA PUNKTU POTRÓJNEGO
Istnieje taki zbiór warunków, w których
trzy
różne
fazy
współistnieją
w
równowadze.
Temperaturę
punktu
potrójnego oznacza się symbolem T
3
.
Położenie punktu potrójnego substancji
czystych jest poza naszą kontrolą,
odpowiada
on
jedynemu
ściśle
zdefiniowanemu
ciśnieniu
i
jednej
temperaturze,
które
są
charakterystyczne dla danej substancji.
PRZEMIANY FAZOWE
SUBSTANCJI
DIAGRAM FAZOWY WODY
1
2
2000
4000
6000
8000
p
,
a
tm
200
300
400
500
600
700
T
normalny punkt wrzenia
ciecz, woda
punkt krytyczny
punk potrójny
normalny
punkt
topnienia
lód I
lód I
lód II
lód III
lód V
lód VI
para wodna
T
t
= 273,15
T
3
= 273,16
T
w
= 373,15
T
kr
= 647,30, p
kr
=218,3 atm
PRZEMIANY FAZOWE
SUBSTANCJI
Na diagramie fazowym wody, linia
równowagi ciecz - para pokazuje, jak
prężność pary wody zmienia się z
temperaturą
oraz
jak
temperatura
wrzenia zmienia się z ciśnieniem.
Linia ciało stałe - ciecz pokazuje, jak
temperatura topnienia zmienia się z
ciśnieniem. Bardzo strome nachylenie
tej linii wskazuje, że do wywołania
znaczących
zmian
temperatury
topnienia potrzeba ogromnych ciśnień.
Pod wysokim ciśnieniem, gdy wiązania
pomiędzy cząsteczkami są modyfikowane
przez nacisk, bardziej trwałe są inne
formy strukturalne lodu. Niektóre z tych
faz, nazwane lód II, III itd., topią się w
wysokich temperaturach. Np. lód VII
topi się w temperaturze 100
o
C, lecz
istnieje jedynie powyżej ciśnienia 25
kbar.
Ruch
lodowców
może
wynikać
z
obniżenia
temperatury
topnienia
spowodowanego wzrostem ciśnienia. Lód
topi się w miejscach nacisku na twarde
krawędzie kamieni i skał, powodując
pełzanie lodowca.
PRAWO DZIAŁANIA MAS
Rozważmy reakcję chemiczną, w której a
moli cząsteczek substancji chemicznej A
reaguje z b moli cząsteczek substancji
chemicznej B i powstaje c moli
cząsteczek substancji C oraz d moli
cząsteczek substancji D zgodnie z
równaniem:
aA + bB
cC + dD
Strzałki obrazujące przebieg reakcji
wskazują, że może ona przebiegać w
dwóch
kierunkach,
jednak
w
określonych stałych warunkach, reakcja
osiąga stan równowagi. Po osiągnięciu
stanu
równowagi
spełnione
jest
równanie:
x
b
B
a
A
d
D
c
C
K
x
x
x
x
Równanie to stanowi ogólną postać
prawa
działania
mas.
W
stanie
równowagi iloczyn ułamków molowych
produktów reakcji, podniesionych do
odpowiednich potęg, podzielony przez
iloczyn ułamków molowych substratów
reakcji,
również
podniesionych
do
odpowiednich potęg,ma wartość stałą.
Wykładnikami
potęgowymi
przy
wartościach ułamków molowych są
wartości
współczynników
stechiometrycznych
w
równaniu
chemicznym. K
x
jest stałą równowagi
reakcji chemicznej.
PRAWO DZIAŁANIA MAS
Ułamkiem molowym w mieszaninie jest
ilość (liczba moli) cząsteczek substancji
J wyrażona jako ułamek całkowitej ilości
cząsteczek w próbce:
...
B
A
J
J
n
n
n
n
n
x
Gdy w układzie brak jest cząsteczek J
wówczas x
J
= 0 natomiast, gdy obecne są
jedynie cząsteczki J to x
J
= 1
W mieszaninie zawierającej 1,0 mol N
2
i
3,0 mole H
2
, czyli łącznie 4,0 mole
cząsteczek, ułamek molowy N
2
wynosi
0,25, a H
2
- 0,75.
1
...
B
A
x
x
Jeżeli substancje A, B, C i D są gazami,
zamiast stałej równowagi K
x
można
wyprowadzić stałą równowagi K
p
o
b
B
a
A
d
D
c
C
b
o
B
a
o
A
d
o
D
c
o
C
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
p
K
1
b
a
d
c
PRAWO DZIAŁANIA MAS
Jako ciśnienie standardowe p
o
przyjmuje
się ciśnienie 1 atm. Jeżeli ciśnienie
cząstkowe wyrazimy w pascalach oraz p
o
= 1,01325·10
5
Pa = 1 atm to równanie
przyjmie postać:
5
10
01325
1
1
,
b
B
a
A
d
D
c
C
p
p
p
p
p
K
Gdyby natomiast ciśnienie wyrazić w
atmosferach, to wobec p
o
= 1 atm można
zapisać:
b
B
a
A
d
D
c
C
p
p
p
p
p
K
Związek pomiędzy stałą równowagi K
p
i
stałą K
x
znajdujemy uwzględniając, że:
p
p
p
p
p
D
C
B
A
.
itd
B
B
A
A
x
p
p
x
p
p
i
podstawiając:
.
itd
p
x
p
A
A
otrzymujemy:
o
x
p
p
p
K
K
PRAWO DZIAŁANIA MAS
Należy zauważyć, że jeżeli mamy do
czynienia z reakcją, w której liczba moli
cząsteczek powstających produktów jest
taka sama jak liczba moli cząsteczek
znikających substratów to obydwie stałe
równowagi mają taką samą wartość.
x
p
K
K
dla
0
W
przypadku
gdy
rozpatrujemy
równowagi ustalające się w roztworach,
najdogodniej jest posługiwać się stałą
równowagi K
c
. Jeżeli wszystkie stężenia
wyrazimy w molach na litr, co jest
stosowane najczęściej, to równanie ma
skróconą postać:
b
B
a
A
d
D
c
C
c
c
c
c
c
K
Document Outline