M Fluorowce
Fluorowce, to grupa pierwiastków o właściwościach przeciwnych do omawianych wcześniej litowców i berylowców. O ile te pierwsze uważa się, i rzeczywiście takimi są, za typowe metale, o tyle fluorowce to typowe niemetale. Mając siedem elektronów na powłoce walencyjnej mogą przyłączyć jeden elektron, stając się anionami o ładunku -1 (są to jony proste), oddając je zaś tak by każdorazowo mieć ma ostatniej powłoce parzystą ilość elektronów, przyjmują stopnie utlenienia +I, +III, +V i +VIII (występują wówczas w jonach złożonych). Wyjątkowo pod tym względem zachowuje się fluor, jako pierwiastek o największej elektroujemności, przyjmuje wyłącznie wartościowość -1. Reasumując, ze względu na możliwe wartościowości, oddzielnie omawia się połączenia, w których fluorowce posiadają wartościowość -1 oraz te w których wykazują elektrowartościowości dodatnie.
Ze względu na dużą aktywność, pierwiastki te występują w przyrodzie w stanie wolnym w niewielkich ilościach, głównie jako efekt procesów życiowych np. glonów, które wytwarzają wolny brom czy jod. Chlor w stanie wolnym jest zaś wydzielany jako produkt aktywności wulkanicznej. Fluorowce występują w przyrodzie głównie w postaci związanej, jako sole z litowcami. Sole takie są między innymi odpowiedzialne za zasolenie mórz stanowiąc tym samym istotny element równowagi cieplnej na Ziemi.
Jako, że fluorowce występują głównie jako sole beztlenowe, a więc na stopniu utlenienia -1, otrzymuje się je przez utlenienie z odpowiednich soli, lub kwasów beztlenowych. Najbardziej typowym procesem tego typu jest utlenienie chlorowodoru braunsztynem (tlenkiem manganu(IV)).
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2
Ten sposób jest najczęściej wykorzystywany do otrzymywania chloru na skalę laboratoryjną. Chlor, na skalę techniczną, otrzymuje się również przez utlenienie jonów chlorkowych najczęściej przy okazji innych technologii np. otrzymywaniu wodorotlenku sodu metodami elektrochemicznymi.
Fluorowce stanowią interesujący przykład zmiany właściwości fizycznych w miarę wzrastającej masy atomowej. Dwa pierwsze, czyli fluor i chlor, są gazami, dalej brom jest cieczą i to jest prawdziwym ewenementem ponieważ w warunkach normalnych tylko dwa pierwiastki są cieczami - brom i rtęć. Najcięższy - jod, jest ciałem stałym. Chlor jest gazem o barwie zielonkawo żółtej i ostrym, duszącym zapachu, jest trujący. Brom, to oleista ciecz o barwie brunatnej, łatwo paruje z utworzeniem ciemno brunatnych par o właściwościach trujących i ostrym duszącym zapachu. Jod jest ciałem stałym barwy szarej o połysku metalicznym. Łatwo ulega sublimacji, tworząc pary o intensywnej fioletowej barwie. Z tego względu również zapisuje się go najczęściej w postaci cząsteczek dwuatomowych I2. Jeżeli chodzi o ich rozpuszczalność w wodzie, to wszystkie, z różną łatwością rozpuszczają się w wodzie. Chlor, tworzy tzw. wodę chlorową (tzw. płyn Javela [Żawela]), która jest stosowana głównie jako odczynnik w analizie chemicznej, wodę chlorową zapisuje się następująco Cl2aq. Brom rozpuszcza się w wodzie dając ciecz o barwie brunatnej Br2 aq. Woda bromowa, dzięki intensywnej barwie, jest wykorzystywana do przeprowadzania charakterystycznej reakcji niektórych węglowodorów, jest to tzw. reakcja odbarwiania wody bromowej. Jod jest najsłabiej rozpuszczalny w wodzie, aby uzyskać roztwór o wyższym stężeniu jod rozpuszcza się w roztworze jodku potasu, tworzy się wówczas tzw. płyn Lugola. Roztwór jodu w jodku potasu stosuje się do wykonywania reakcji charakterystycznej dla skrobi (barwa fioletowa). Reakcja ta w formie odwróconej jest stosowana w tzw. kleiku jodoskrobiowym do wykrywania obecności substancji utleniających. Działanie jego polega na tym, że pod wpływem utleniacza jony jodkowe utleniają się do jodu, który barwi skrobię na intensywny kolor fioletowy.
Połączenia fluorowców na stopniu utlenienia -1 Jest to wartościowość typowa i najpowszechniejsza dla pierwiastków grupy XVII. Związki na tym stopniu utlenienia powstają w wyniku reakcji z metalami i są to sole. Oddzielnie trzeba potraktować związki powstałe przez syntezę fluorowców z wodorem. Powstają wówczas fluorowcowodory, związki o charakterze mocnych kwasów, jednak właściwości te objawiającym się dopiero w roztworach wodnych, kiedy to, typowe dla fluorowcowodorów, wiązanie spolaryzowane w wyniku solwatacji zostaje przekształcone w wiązanie jonowe i następuje dysocjacja czyniąca te związki, zgodnie z teorią Arhenniusa, kwasami i to mocnymi kwasami. Moc tych kwasów, wbrew oczekiwaniom, rośnie ze wzrostem masy atomowej fluorowca. Niezwykłość sytuacji polega na tym, że w tym porządku maleje ich elektroujemność a więc i charakter wiązania polarnego w cząsteczce odpowiedniego fluorowcowodoru. Efekt ten jednak z nawiązką, kompensuje wzrost promienia jonowego, a co za tym idzie, coraz słabsze przyciąganie protonu wodorowego przez jądro atomu fluorowca to zaś wprost przekłada się na coraz łatwiejsze odłączenie jonu wodorowego, czyli na zwiększenie stopnia dysocjacji a co za tym idzie, mocy kwasu. Kwasy te zalicza się więc do kwasów mocnych, jednak nie wykazują one właściwości utleniających (dlatego nie reagują z metalami o dodatnich potencjałach elektrochemicznych !). Reagują z metalami o ujemnych potencjałach i powstają wówczas sole, w których metal o wielu możliwych wartościowościach wykazują tę najniższą. Najbardziej typowym i najczęściej cytowanym przykładem jest reakcja żelaza z kwasem solnym i powstaje wówczas chlorek żelaza(II):
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Reagują również z tlenkami i wodorotlenkami. Jako mocne kwasy mogą wypierać z soli wiele innych. Na podkreślenie zasługuje również to, że wiele soli tych kwasów jest dobrze rozpuszczalnych w wodzie. Wyjątek stanowią sole srebra, ołowiu oraz fluorek wapnia. Zmienność aktywności fluorowców w szeregu od fluoru do jodu objawia się również tym, że fluorowiec aktywniejszy wypiera z roztworu soli fluorowiec mniej aktywny: 2KBr + Cl2aq→ 2KCl + Br2
Na dodatnich stopniach utlenienia fluorowce występują w połączeniach tlenowych, są to kwasy tlenowe, w których fluorowce wchodzą w skład reszty kwasowe, tworząc jon złożony dlatego jego elektrowartościowość jest podawana w postaci cyfr rzymskich. Poniżej podano wzory i nazwy tych tlenowych kwasów chloru oraz ich soli potasowych:
HClO - kwas chlorowy(I); KClO - chloran(I) potasu
HClO2 - kwas chlorowy(III); KClO2 - chloran(III) potasu
HClO3 - kwas chlorowy(V); KClO3 - chloran(V) potasu
HClO4 - kwas chlorowy(VII); KClO4 - chloran(VII) potasu
Najczęściej podawanym przykładem połączenia z tej grupy jest tzw. sól Bertholeta, chloran(V) potasu, który stosuje się jako składnik prochu oraz do otrzymywania tlenu na skalę laboratoryjną w wyniku rozkładu termicznego: 2KClO3 → 2KCl + 3O2
Uwaga! W rozważaniach pomija się przeważnie astat, który jest pierwiastkiem słabo rozpowszechnionym w przyrodzie.
2