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





