Номер 320, страница 76 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.320. Введение галогена в органическую молекулу обычно заметно увеличивает её реакционную способность. Тем не менее политетрафторэтилен (тефлон) является одним из наиболее химически инертных материалов. С чем связана высокая химическая стойкость тефлона?

Хотя введение галогена в органическую молекулу действительно часто повышает ее реакционную способность (например, за счет поляризации связи C-Hal и возможности галогена быть хорошей уходящей группой), случай с политетрафторэтиленом (тефлоном) является ярким исключением. Его уникальная химическая инертность объясняется совокупностью нескольких ключевых факторов.

1. Исключительная прочность связи углерод-фтор (C-F)

Связь между атомами углерода и фтора является одной из самых прочных одинарных ковалентных связей в органической химии. Энергия ее разрыва составляет примерно $485$ кДж/моль, что значительно выше, чем у связей $C-H$ (около $413$ кДж/моль), $C-Cl$ (около $328$ кДж/моль) или $C-C$ (около $348$ кДж/моль). Для протекания большинства химических реакций необходимо разорвать существующие связи в молекуле. Из-за такой высокой прочности связи $C-F$ требуется огромное количество энергии, чтобы ее разрушить, что делает тефлон устойчивым к воздействию даже очень агрессивных реагентов, таких как концентрированные кислоты, щелочи и сильные окислители.

2. Эффект экранирования углеродной цепи

Молекула тефлона представляет собой длинную полимерную цепь, состоящую из повторяющихся звеньев $-[CF_2-CF_2]-_n$. Атомы фтора, обладая большим атомным радиусом по сравнению с водородом, плотно окружают углеродный скелет полимера. Они образуют сплошную, винтообразную защитную "оболочку" или "шубу" вокруг цепи из атомов углерода. Этот плотный фторный слой создает сильные пространственные затруднения (стерический фактор), которые физически блокируют доступ атакующих реагентов к углеродной цепи. Даже если реагент теоретически способен прореагировать с углеродным скелетом, он просто не может "добраться" до него.

3. Сочетание электроотрицательности и симметрии

Фтор является самым электроотрицательным элементом, поэтому он очень сильно оттягивает на себя электронную плотность от атомов углерода, делая связь $C-F$ сильнополярной ($C^{\delta+}-F^{\delta-}$). Однако из-за симметричного и плотного расположения этих связей вокруг углеродной цепи дипольные моменты отдельных связей взаимно компенсируются. В результате вся полимерная макромолекула оказывается практически неполярной. Это снижает ее сродство к полярным растворителям и реагентам. Кроме того, сильное оттягивание электронов фтором делает углеродную цепь "электронно-бедной", но, как было отмечено выше, она надежно защищена стерически.

Таким образом, именно синергия этих факторов — сверхпрочной химической связи $C-F$ и эффективной физической защиты углеродной цепи "шубой" из атомов фтора — наделяет тефлон его знаменитой химической инертностью.

Ответ: Высокая химическая стойкость тефлона связана с двумя главными причинами: 1) чрезвычайно высокой прочностью химической связи углерод-фтор, для разрыва которой требуется очень много энергии; 2) стерическим экранированием (пространственными затруднениями) углеродной цепи плотно упакованными атомами фтора, которые создают защитный барьер и не позволяют реагентам приблизиться к углеродному скелету молекулы.