⚽🏆 Періодичну таблицю можна уявити як великий футбольний чемпіонат між атомами. Тут є свої чемпіони, рекордсмени, спокійні гравці й справжні майстри жорсткого пресингу. І почнемо ми з найагресивнішого гравця цієї хімічної ліги — фтору.
Якби атоми грали у футбол, фтор був би чимось на кшталт Пепе: постійний тиск, жорсткий відбір і жодного шансу супернику спокійно тримати м’яч. Тільки у хімії замість м’яча — електрони. ⚛️
Фтор. Будова атома
Фтор — грає під дев’ятим номером, в його ядрі є 9 протонів і всього два енергетичних рівня, на яких розташовані дев’ять електронів. Тобто зовнішні електрони розташовані відносно близько до ядра.
Уявіть футбольного захисника, який стоїть дуже близько до суперника. Він не дає йому розігнатися, постійно дихає в спину і відразу йде у відбір. Ось так само ядро фтору дуже близько “контролює” свої зовнішні електрони — і чужі електрони теж.
На першому рівні фтор має 2 електрони. На другому — 7. Тобто, до завершення зовнішнього рівня фтору не вистачає одного електрона. Поєднання цих двох складових – відносно сильного зарядженого ядра і близько розташованих електронів, зробило фтор найелектронегативнішим елементом у періодичній таблиці. Про саму електронегативність ми вже докладно говорили у попередньому відео. Якщо коротко — фтор став чемпіоном завдяки майже ідеальному поєднанню сильного ядра і малого розміру атома.
Тож, давайте подивимось, як цей “електронний хижак” поводиться у хімічних реакціях. І для цього візьмемо кілька елементів із дуже різною електронегативністю.
Реакція фтору і натрію
Почнемо з натрію, який розташований на протилежному кінці шкали Полінга.
Натрій має лише один електрон на зовнішньому рівні:
1s² 2s² 2p⁶ 3s¹
Для нього цей електрон — майже “зайвий”. Його простіше віддати, ніж утримувати. А фтору якраз бракує одного електрона до повного зовнішнього рівня. Коли атоми зустрічаються, фтор буквально “вириває” цей електрон у натрію:
Na → Na⁺ + e⁻
F + e⁻ → F⁻
У результаті виникають два іони: позитивний іон Na⁺ і негативний іон F⁻. Через різницю зарядів вони сильно притягуються один до одного — і утворюється фторид натрію NaF.
2Na + F₂ → 2NaF
Реакція проходить дуже бурхливо і супроводжується виділенням великої кількості тепла. У результаті небезпечний газ і активний метал утворюють кристалічну сіль. Вона досить стабільна і використовується у зубних пастах та засобах для профілактики карієсу.
Слід розуміти, що, отримавши електрон, фтор миттєво заспокоюється і вже не поводиться так агресивно у хімічному плані. Він отримав потрібний електрон і перейшов у стабільний стан аніону F⁻. Саме тому сполуки фтору і близько не мають тої високої реакційності, що є у чистого фтору F₂.
Реакція фтору і водню
Тепер поглянемо, що буде, якщо поєднати фтор з воднем, який розташований приблизно посередині шкали електронегативності. У водню один протон і один електрон. Водень не хоче повністю віддавати електрон, як натрій. Йому вигідніше ділитися ним з іншим атомом. Тому між воднем і фтором виникає ковалентний зв’язок.
Але фтор тягне електрон значно сильніше, тому спільна електронна пара зміщується у його бік. Електрон більшу частину часу перебуває ближче саме до атома фтору. Так утворюється молекула HF — фтороводню.
H₂ + F₂ → 2HF
Суміш водню і фтору може реагувати навіть при дуже слабкому нагріванні або під дією світла. Реакція настільки енергетично вигідна, що запускається дуже легко. Сам по собі фтороводень HF — безбарвний газ. Але якщо розчинити його у воді, утворюється плавикова кислота — одна з найнебезпечніших кислот у хімії.
Більшість сильних кислот, наприклад сірчана чи соляна, насамперед пошкоджують поверхню тканин. А плавикова кислота може проникати глибоко всередину організму. Фторид-іони починають активно реагувати з кальцієм і магнієм у тканинах та крові. Через це навіть відносно невеликий контакт із HF може бути смертельно небезпечним.
Крім того, плавикова кислота здатна розчиняти скло, оскільки реагує з оксидом силіцію SiO₂. Саме тому HF зазвичай зберігають не у скляному, а у пластиковому посуді.
Реакція фтору і кисню
Тепер візьмемо ще сильнішого суперника — кисень, який є срібним призером серед найбільш електронегативних елементів, і на шкалі Полінга стоїть одразу за фтором. У більшості сполук саме кисень “забирає” електрони й має ступінь окиснення −2. Але у сполуках із фтором усе навпаки.
Наприклад, у молекулі дифториду кисню OF₂ саме фтор відтягує електрони сильніше, ніж кисень. Через це кисень має незвичний для себе позитивний ступінь окиснення +2
2F₂ + O₂ → 2OF₂
Це дуже реакційноздатний і нестабільний газ із різким запахом. Він є надзвичайно сильним окисником і може підтримувати горіння навіть там, де звичайного кисню недостатньо.
Реакція фтору і ксенону
Тепер настала черга благородних газів, які є такою собі елітою серед хімічних елементів. Вони мають завершений зовнішній рівень і не хочуть ні з чим реагувати. Але фтор настільки агресивний, що може при певних умовах навіть укласти тимчасовий шлюб, наприклад, з ксеноном.
За високої температури та тиску фтор “витягує” електронну густину у атомів ксенону, утворюючи сполуки XeF₂, XeF₄ та XeF₆.
Xe + F₂ → XeF₂
Це стало справжнім шоком для науки XX століття. Виявилося, що навіть “недоторканні” благородні гази можуть вступати в реакції — якщо партнером є фтор.
Фторид ксенону XeF₂ — це безбарвна кристалічна речовина. Вона нестійка й поступово розкладається, виділяючи фтор. Але сам факт її існування повністю змінив уявлення вчених про благородні гази.
Як бачимо, фтор у металів із низькою електронегативністю забирає електрони й утворює іонні сполуки.
У водню чи інших неметалів — зміщує спільні електрони настільки сильно, що починає майже повністю контролювати зв’язок.
А у випадку з дуже електронегативними елементами або навіть благородними газами фтор усе одно є “сильнішим гравцем”, перетягуючи електрони на себе.
Саме тому у світі хімії фтор вважають абсолютним чемпіоном з електронного пресингу. 🏆⚛️