水とフッ素の反応

Question

フッ素を水の中に入れると、激しく反応しフッ化水素と酸素とオゾンを生じます。
化学反応式はどのように書けばいいのでしょうか？

replay · Accepted Answer

>よろしかったら中間体の図とラジカルの動き
>（なぜＦＯＨができないのか）、
>開始、成長、停止反応も教えてもらいたいのですが

「開始、成長、停止反応」レポート疑惑が出てきましたので、詳細な回答はしません。

まず、大本の質問の反応は気体フッ素ガスと水（液体）が大量に存在する場合を想定していますよね。
このような凝縮相の反応を実験的に観測するのは不可能です。
で、実験できそうなのは気相反応、それも分子ビーム衝突によるものでしょう。その様な場合はFOHも出来るのを観測出来るでしょう。

今回の計算ではFOHが出来るパスを考えませんでした。
なぜなら時間が（労力をかける気が）なかったからです。

F2 + H2O -> HF + FOH -> HF + HF + O'
という経路を考えることも出来ないではありません。
が、F2のLUMO、H2OのHOMO、F2 + H2OのHOMOを見てみるとF-F-H-O-Hという反応中間体を考えるより
F-H
| |
| O
| |
F-H
を考えた方が波動関数の位相に無理がありません。
振動数解析と遷移状態解析もやってみましたが同様です。

もっとも凝集相での反応はある意味、何でもありですが。

replay · Answer

>納得はしますが、証明はできますか？ 
>反応の経緯やオゾンが生成する原理も
>教えていただけると。 
>それとも経験値として導き出したものなのか？ 
>よろしくお願いします

実験的な証明はできませんので、量子化学計算というものをしてみました。
もちろんその前に、どのような反応がもとになるかを想像できないといけません。
質問のフッ素と水（液体）の反応なら激しく進みますので、H3O+やOH-のことは考えないでH2OとF2について考えればよいでしょう。
反応の基本となる、F2とH2Oの配向として、それぞれの分子のHOMO,LUMOという化学反応にかかわる分子軌道の形から、まず、H2Oのなす平面に垂直にF2の結合の垂直二等分面重なって近づくものを考えます。その場合、H2側から、O側からと二通りF2が近づく向きが考えられます。いずれの反応中間体を考えても、次に近づくF2あるいはH2Oとの反応からOラジカル（ O'とします、遊離酸素原子）が出来ることが予想されます。

で、そのような量子化学計算で確認する前に、既にフッ素と水からフッ化水素と酸素とオゾンが出来るということから、以下の反応を思いついたというのが正直なところです。
  F2 +   H2O -> 2 HF + O'
遊離酸素が水中でできれば
H2O + O' -> H2O2
H2O2 + F2 -> 2 HF + O2
などの反応が考えられ、オゾンの発生は
O2 + O' -> O3
という反応が考えられます。
最後に化学量論的にまとめると
5 F2 + 5 H2O -> 10 HF + O2 + O3
となると考えたわけです。

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5 F_2 + 5 H_2 O -> 10 HF_2 + O_2  + O_3
[_]は下付きの意味
これで納得できますか？

azicyan · Answer

Ｆ＾２　+　Ｈ２Ｏ　→　２ＦＯＨ　+　Ｈ２

じゃあないかなあ？

じしんなし・・・

水とフッ素の反応

>よろしかったら中間体の図とラジカルの動き

この回答への補足

>納得はしますが、証明はできますか？

この回答への補足

5 F_2 + 5 H_2 O -> 10 HF_2 + O_2 + O_3

この回答への補足

Ｆ＾２ + Ｈ２Ｏ → ２ＦＯＨ + Ｈ２

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