Химимческие и физические свойства фтороводорода и фторидов металлов

Задача 819. 

В каких сосудах хранят водный раствор фтороводорода? Как называют такой раствор? 

Решение:

Раствор фтороводорода в воде называют «плавиковой кислотой». Это название происходит от плавикового шпата – основного сырья для получения HF. Замечательным свойством фтороводорода и плавиковой кислоты является их способность взаимодействовать с оксидом кремния (IV), входящим в состав стекла, в результате чего образуется газообразный фторид фтора SiF₄:

SiO₂ +  4HF ↔ SiF4↑ + 2H₂O.

В растворе плавиковой кислоты выделения фторида кремния не происходит, так как он взаимодействует с молекулами HF c образованием хорошо растворимой комплексной кремнефтороводородной кислоты:

SiF₄ + 2HF ↔ H₂[SiF₆]

или уравнение реакции в общем виде:

SiO₂ + 6HF ↔ H₂[SiF₆] + 2H₂O

Ввиду того, что Фтороводород разрушает стекло, поэтому в лаборатории его хранят в сосудах из свинца или стеклянных сосудах, покрытых изнутри слоем парафина, а также в сосудах из специальных сортов пластмасс.

Задача 820. 
Какова реакция среды в водных растворах фторида натрия, фторида аммония, фторида кремния?
Решение:
а) Фторид натрия NaF – соль сильного основания (NaOH) и слабой кислоты (HF) гидролизуется по аниону: 

NaF ↔ Na⁺ + F^—;
F^— + H₂O ↔ HF + OH^—

или в молекулярной форме:

NaF + H₂O ↔ F + NaOH

В результате гидролиза в растворе появляется некоторый избыток ионов ОН-, которые придают раствору щелочную реакцию, рН > 7.

б) Фторид натрия NH₄F – соль слабого основания (NH₄OH) и слабой кислоты (HF) гидролизуется как по катиону, так и по аниону: 

NH₄F ↔ NH₄⁺  + F^—;
NH₄⁺  + H₂O ↔ NH₄OH +Н⁺;
F^— + H₂O ↔ HF + OH^—.

или в молекулярной форме:

NaF + H₂O ↔ HF + NaOH

В процессе гидролиза NH₄F в растворе образуются слабые электролиты (NH₄OH и HF), а также ионы Н⁺ и ионы ОН^—, которые соединяясь образуют воду
(Н⁺ + ОН^— ↔ Н₂О). При гидролизе соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием, реакция раствора зависит от относительной силы кислоты и основания, образующих данную соль. Если  K_D(кислота) =  K_D(основание), то катион и анион гидролизуется в равной степени и реакция раствора будет нейтральной; если   K_D(кислота) > K_Dоснование), то катион соли гидролизуется в большей степени, чем анион, так что концентрация ионов Н⁺ в растворе будет больше, чем ионов ОН^— и реакция среды будет слабокислой; наконец, если K_D(кислота) < K_D(основание), то гидролизу в большей степени подвергается анион соли и реакция раствора будет слабощелочной из-за образовавшегося избытка ионов ОН^—.          

Так как  K_D(NH₄OH) = 1,79 ^. 10^-8 <  K_D(HF) = 6,61 ^. 10^-4, то гидролиз катиона NH₄⁺ будет преобладать над гидролизом аниона F^—, значит, в растворе соли будет наблюдаться некоторый избыток ионов водорода Н⁺, что придаст раствору слабокислотную среду, (рН >  7 или рН =  7).

в) Фторид кремния SiF₄ в водных растворах подвергается гидролизу, в результате которого образуется фтористоводородная кислота (НF) и кремниевая кислота (H₂SiO₃):

SiF₄ + 3H₂O ↔ H₂SO₃ + 4HF↑

Образующийся фтороводород взаимодействует  SiF₄. При этом получается гексафторкремниевая (или кремнефтористоводородная) кислота:

SiF₄ + 2HF ↔ H₂SiF₆

Суммарный процесс можно выразить уравнением:

3SiF₄ + 3H₂O ↔ 2H₂SiF₆ + H₂SiO₃

В результате гидролиза фторида кремния образуются кислоты, поэтому реакция раствора будет кислой, рН < 7.

Задача 821. 
Могут ли галогеноводороды в каких-либо реакциях играть роль окислителя? Дать мотивированный ответ.
Решение:
Поскольку галогенид-ионы не способны присоединять электроны, то в реакциях окисления-восстановления они могут играть только роль восстановителей, за исключением ионов F-, а ионы водорода способны присоединять электроны. Поэтому галогеноводороды за счёт ионов Н⁺ могут играть роль окислителя. Например, в реакциях с металлами ионы водорода, входящие в состав галогеноводорода, восстанавливаются последними до свободного водорода. При этом галгеноводороды могут реагировать только с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода, а точнее со всеми металлами, имеющими отрицательные стандартные потенциалы, Так цинк вытесняет водород из раствора соляной кислоты:

Электронные уравнения полуреакций:

Ионно-молекулярная форма:

Zn⁰ + 2H⁺ ↔ Zn²⁺ + H₂O; 

Молекулярная форма:

Zn + 2HCl ↔ ZnCl₂ + H₂↑.

К реакциям, в которых галогеноводороды играют роль окислителя, относятся реакции термической диссоциации:

                                                                                                                     
                                                                         2HГ  ↔ Г₂ + Н₂

Задача 822.
Действием каких галогенов можно выделить свободный бром из растворов: а) бромида калия; б) бромата калия? Дать мотивированный ответ, используя данные таблицы стандартных электродных потенциалов.
Решение:
Электродный потенциал системы: B_r2 + 2  = 2Br^— равен 1,07 В (⁰_(Red.)).
а) В бромиде калия степень окисления брома равна -1, поэтому бром в KBr только восстановителем, В растворе бромида калия бром может быть вытеснен окислителем, электродный потенциал которого значительно больше, чем у KBr. Так как электродный потенциал системы Cl₂ + 2   = 2Cl^— равен 1,36 В (⁰_(Ok.) ), то хлор может вытеснить бром из бромида калия  (⁰_(Red.)) < (⁰_(Ok.) ):

Cl₂  + 2KBr = KCl + Br₂

б) В бромате калия KBrO₃ степень окисления брома равна +5, поэтому он будет играть роль окислителя. Значит, электродный потенциал галогена, который вытеснит бром из бромата калия, должен быть меньше. Так как электродные потенциалы системы Г₂ +  10 = 2Г⁺⁵ для брома хлора и йода, соответственно равны 1,52 В, 1,49 В и 1,19 В. Следовательно, восстановителем может быть йод:

I₂ + 2KBrO₃ = 2KIO₃ + Br₂.