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フッ素は、常に酸化状態が-1である、非常に多様な化学化合物を形成します。フッ素は他の原子と極性共有結合またはイオン結合を形成します。フッ素原子が関与する共有結合は、ほとんどの場合単結合ですが、少なくとも2つのより高次の結合の例が存在します。[ 2 ]フッ素は、いくつかの複雑な分子において、2つの金属間の架橋配位子として機能することがあります。フッ素を含む分子は、水素結合（特定の非金属とのより弱い架橋結合）を示すこともあります。[ 3 ]フッ素の化学には、水素、金属、非金属、さらには希ガスと形成される無機化合物、および多様な有機化合物が含まれます。[注1 ] 多くの元素（すべてではありませんが）では、既知の最高酸化状態はフッ化物で達成できます。一部の元素では、これはフッ化物でのみ達成され、他の元素では酸化物でのみ達成され、さらに他の元素（特定のグループの元素）では、酸化物とフッ化物の最高酸化状態は常に等しくなります。[ 4 ]
フッ素原子単体には不対電子が1つあるが、フッ素分子（F₂ ）にはすべての電子が対になっている。そのため、フッ素分子は反磁性（磁石にわずかに反発される）であり、磁化率は−1.2×10⁻⁴（SI）で、理論予測値に近い。[ 5 ]対照的に、隣接する元素である酸素の二原子分子は、分子あたり2つの不対電子を持ち、常磁性（磁石に引きつけられる）である。 [ 6 ]
二フッ素分子のフッ素-フッ素結合は、より重い二ハロゲン分子の結合と比較すると比較的弱い。結合エネルギーは、Cl 2や Br 2分子の結合エネルギーよりも著しく弱く、過酸化物の容易に切断される酸素-酸素結合やヒドラジンの窒素-窒素結合に似ている。[ 8 ] F 2 分子に見られる約 71 ピコメートルのフッ素の共有結合半径は、2 つのフッ素原子間のこの弱い結合のために、他の化合物のそれよりも著しく大きい。[ 9 ]これは、原子のサイズが小さいために生じる結合軌道の重なりが比較的小さいことと、比較的大きな電子および核間反発が組み合わさった結果である。[ 10 ]
F 2分子は、他のハロゲン X 2分子と同様に、原子あたり1 つのp 電子によって提供される結合がちょうど 1 つ (つまり、結合次数が 1) であると一般的に説明されます。しかし、より重いハロゲンの p 電子軌道は d 軌道と部分的に混ざり合い、その結果、有効結合次数が増加します。たとえば、塩素の結合次数は 1.12 です。[ 11 ]フッ素の電子は、フッ素の価電子軌道にエネルギー的に近いそのような d 軌道がないため、この d 特性を示すことはできません。[ 11 ]これは、F 2の結合が Cl 2の結合よりも弱い理由を説明するのにも役立ちます。[ 10 ]
元素フッ素との反応は、しばしば突然または爆発的に起こります。粉末鋼、ガラス片、アスベスト繊維など、一般的に不活性と考えられている多くの物質は、冷たいフッ素ガスによって容易に消費されます。木材や水でさえ、火花を必要とせずにフッ素の噴流にさらされると炎を上げて燃えます。[ 12 ] [ 13 ]
元素フッ素と金属との反応には、金属の種類に応じてさまざまな条件が必要です。多くの場合、金属（アルミニウム、鉄、銅など）は粉末状にする必要があります。これは、多くの金属がフッ化金属の保護層を形成して不動態化し、それ以上のフッ素化に抵抗するためです。 [ 7 ]アルカリ金属はフッ素と爆発的に反応する可能性がありますが、アルカリ土類金属はそれほど激しく反応しません。貴金属であるルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金、金は最も反応しにくく、300～450 ℃（575～850 °F）の純粋なフッ素ガスが必要です。[ 14 ]
フッ素はアルカリ金属と同様に水素と爆発的に反応する。 [ 15 ]ハロゲンはフッ素ガスと容易に反応する[ 16 ] 。重い希ガスであるラドンも同様である[ 17 ]。軽い希ガスであるキセノンとクリプトンは特殊な条件下でフッ素と反応させることができるが、アルゴンはフッ化水素とのみ化学変化を起こす[ 18 ]。非常に安定した三重結合を持つ窒素は、フッ素と直接結合するために放電と高温を必要とする[ 19 ] 。フッ素はアンモニアと反応して窒素とフッ化水素を生成する。
フッ素の化学的性質は、電子を獲得しようとする強い傾向によって特徴づけられる。フッ素は最も電気陰性度の高い元素であり、単体フッ素は強力な酸化剤である。フッ素原子から電子を取り除くには非常に多くのエネルギーが必要なため、フッ素を正の酸化状態に酸化する既知の試薬は存在しない。[ 20 ]
したがって、フッ素の一般的な酸化状態は −1 のみです。この値は、原子同士が結合して酸化状態が 0 となる単体フッ素や、いくつかの多原子イオンでは異なります。中間的な酸化状態を持つ非常に不安定な陰イオンF − 2およびF − 3は、非常に低い温度で存在し、約 40 Kで分解します。 [ 21 ] (非常にまれな状況では、フッ素は単体以外のゼロ酸化状態で存在できます。具体的には、AuF 7およびヘリウム原子との SF 6 +クラスターです[ 22 ] )。また、F + 4カチオンおよびいくつかの関連種は安定であると予測されています。[ 23 ]
フッ素はネオンとヘリウムを除くすべての元素と化合物を形成します。特に、アルゴンを除く上記のすべての元素とフッ化物と呼ばれる二元化合物を形成します。アスタチンとフランシウムを除く、 99番目の元素であるアインスタイニウムまでのすべての元素が調べられています[ 24 ]。また、フッ素は101番目の元素であるメンデレビウム[ 25 ] 、 104番目の元素であるラザフォードウム[ 26 ]、106番目の元素であるシーボーギウム[ 27 ]とも化合物を形成することが知られています。
フッ化物アニオンは、その小さなサイズと高い負電荷密度により、「最も硬い」塩基（つまり、分極率が低い）である。[ 28 ]
分子の一部として、それは大きな誘起効果を持つ部分である。後者の場合、それは分子の酸性を著しく増加させる。プロトンを放出した後に形成されるアニオンは、結果として安定化する。酢酸とそのモノフルオロ酢酸、ジフルオロ酢酸、トリフルオロ酢酸誘導体、およびそれらのpKa値（4.74、2.66、1.24、および0.23 [注2 ]）を考えてみよう。 [ 29 ]言い換えれば、トリフルオロ誘導体は酢酸よりも33,800倍強い酸である。[ 30 ]フッ素は、既知の最も強い電荷中性酸であるフルオロアンチモン酸（H）の主要成分である。2 FSbF6 ) [ 31 ]フルオロ金酸（H）と呼ばれるさらに強い酸の存在を示す証拠がある。2 FAuF6）しかし、単離はできていない。 [ 32 ]
フッ素は水素と結合してフッ化水素（HF）と呼ばれる化合物、特に水溶液中ではフッ化水素酸を形成します。HF結合は、水素結合（類似分子との追加のクラスター形成）を形成できる数少ない結合タイプの1つです。これは、フッ化水素の特性のさまざまな特異な側面に影響を与えます。ある意味では、この物質は、HClなどの他のハロゲン化水素よりも、水素結合を非常に起こしやすい水に似た振る舞いをします。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]
HF分子間の水素結合により、液相では高粘度となり、気相では予想よりも低い圧力となる。フッ化水素は20 ℃まで沸騰しないが、より重いハロゲン化水素は-85 ℃から-35 ℃（-120 °Fから-30 °F）の間で沸騰する。HFは水と混和性があり（どのような割合でも溶解する）、他のハロゲン化水素は水との溶解度に大きな差がある。フッ化水素と水は固体状態でもいくつかの化合物を形成するが、最も注目すべきは-40 ℃（-40 °F）まで融解しない1:1化合物であり、これは純粋なHFの融点より44℃（79°F）高い。[ 36 ]
塩酸などの他のハロゲン化水素酸とは異なり、フッ化水素は水溶液中では弱酸であり、酸解離定数(pK a ) は 3.19 です。[ 37 ] HF の極性が HCl、HBr、または HI の結合よりもはるかに高いことを考えると、水溶液中の酸としての HF の弱さは逆説的です。この挙動の説明は複雑で、HF、水、およびフッ化物イオンのさまざまなクラスター形成傾向と熱力学的問題に関係しています。[注 3 ]高濃度では、ホモ共役と呼ばれる性質が明らかになります。HF はフッ化物イオンを受け入れ始め、多原子イオン (二フッ化物、HF − 2など) とプロトンを形成し、化合物の酸性を大幅に増加させます。[ 39 ]フッ化水素酸は、酢酸および類似の溶媒中で最も強いハロゲン化水素酸でもあります。[ 40 ]塩酸、硫酸、硝酸などの酸をプロトン化するという事実からも、その隠れた酸性ポテンシャルが明らかになる。[ 41 ]フッ化水素酸は弱いにもかかわらず、非常に腐食性が高く、ガラス（水和ガラスのみ）を侵食する。[ 39 ]
乾燥フッ化水素は低原子価金属フッ化物を容易に溶解します。いくつかの分子フッ化物もHFに溶解します。多くのタンパク質と炭水化物は乾燥HFに溶解し、そこから回収できます。ほとんどの非フッ化物無機化学物質は、溶解するのではなくHFと反応します。[ 42 ]
金属フッ化物は他の金属ハロゲン化物とはかなり異なり、独特の構造をとる。多くの点で、金属フッ化物は酸化物に似ており、結合や結晶構造が似ていることが多い。[ 43 ]
フッ素は電気陰性度が高いため、M:ハロゲン比が高い高酸化状態の金属を安定化させる。電荷中性の五フッ化物や六フッ化物は数多く知られているが、類似の塩化物や臭化物はまれである。分子状二元フッ化物は、室温で固体[ 44 ]、液体[ 45 ] 、または気体[ 46 ]として揮発性であることが多い。
フッ化物の溶解度は大きく変動するが、金属イオンの電荷が増加するにつれて減少する傾向がある。溶解したフッ化物は塩基性溶液を生成する。[ 47 ]
アルカリ金属はモノフッ化物を形成する。これらはすべて可溶性で、塩化ナトリウム（岩塩）構造を持つ[ 48 ]。フッ化物 アニオンは塩基性であるため、多くのアルカリ金属フッ化物は式MHF2の二フッ化物を形成する。他のモノフッ化物の中では、銀(I) [ 49 ]とタリウム(I) [ 50 ]のフッ化物だけがよく特徴付けられている。これらは、これらの金属の他のハロゲン化物とは異なり、どちらも非常に可溶性である。
一フッ化物とは異なり、二フッ化物は可溶性または不溶性のいずれかである。銅(II)やニッケル(II)などのいくつかの遷移金属二フッ化物は可溶性である。[ 49 ] アルカリ土類金属は不溶性の二フッ化物を形成する。 [ 49 ] 対照的に、アルカリ土類塩化物は容易に溶解する。[ 49 ]
多くの二フッ化物は、フッ化カルシウムにちなんで名付けられた蛍石構造（ CeO₂、UO₂、ThO₂などのいくつかの金属二酸化物もこの構造を採用している）を採用しており、各金属陽イオンを8個のフッ化物イオンが取り囲んでいる。一部の二フッ化物は、二酸化チタンの一種にちなんで名付けられたルチル構造を採用しており、他のいくつかの金属二酸化物もこの構造を採用している。この構造は正方晶系であり、金属原子は八面体配位となる。
二フッ化ベリリウムは、他の二フッ化物とは異なります。一般的に、ベリリウムは他のアルカリ土類金属よりもはるかに共有結合する傾向があり、そのフッ化物は部分的に共有結合しています（ただし、他のハロゲン化物よりもイオン結合性が高いです）。BeF₂は、主に共有結合したネットワーク固体であるSiO₂（石英）と多くの類似点があります。BeF₂は四面体配位の金属を持ち、ガラスを形成します（結晶化は困難です）。結晶化したベリリウムは、室温では石英と同じ結晶構造を持ち、高温でも多くの構造を共有しています。
二フッ化ベリリウムは、他のアルカリ土類金属とは異なり、水に非常に溶けやすい。 [ 49 ] (アルカリ土類金属は強いイオン性を持つが、蛍石構造の格子エネルギーが非常に強いため溶解しない)。しかし、BeF 2は、溶液中または溶融状態では、イオン性であると予想されるよりもはるかに低い電気伝導率を示す。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]
鉄、ビスマス、希土類元素、周期表のアルミニウムとスカンジウムの列の金属など、多くの金属が三フッ化物を形成します。多くの希土類元素とビスマスの三フッ化物はYF₃構造をとります。プルトニウム、サマリウム（高温時）、ランタンの三フッ化物はLaF₃構造をとります。鉄とガリウムの三フッ化物はFeF₃構造をとり、これは三酸化レニウムに似ています。ScF₃だけが常温で立方晶（ReO₃ ）構造をとります。この物質は、非常に広い温度範囲で、加熱すると収縮する負の熱膨張という珍しい性質も持っています。
三フッ化金は、らせん状に並んだ連結した –AuF 4 – 四角形からなる構造をとる。 [ 55 ]金の明確なイオン性三フッ化物とは対照的に、その三塩化物と三臭化物は揮発性の二量体分子である。[ 56 ] 三フッ化アルミニウムは高融点固体であり、気相では単量体であるが、他の三ハロゲン化物は低融点の揮発性分子または線状ポリマー鎖であり、気相では二量体を形成する。[ 57 ]三フッ化物は水には溶けないが、いくつかの三フッ化物は他の溶媒には溶ける。[ 58 ]
テトラフルオロ化合物は、イオン結合と共有結合が混在している。ジルコニウム、ハフニウム、および多くのアクチニドは、金属カチオンが8配位の正方反角柱となるイオン構造を持つテトラフルオロ化合物を形成する。[ 59 ] [ 60 ]融点は約1000 ℃である。[ 61 ]
チタンとスズの四フッ化物はポリマーであり、融点は400 ℃以下である。（対照的に、それらの四塩化物は分子であり、室温で液体である。）四フッ化バナジウムはスズと同様の構造を持ち[ 62 ]、 100～120 ℃で三フッ化物と五フッ化物に不均化する。
イリジウム、白金、パラジウム、ロジウムの四フッ化物はすべて同じ構造を持ち、これは1975年まで知られていなかった。これらの化合物は、8面体配位の金属原子を持ち、4つのフッ素原子が共有され、2つのフッ素原子が非共有されている。融点は、既知の限りでは300 ℃以下である。
四フッ化マンガンは不安定な固体で、室温でも分解します。[ 63 ] 2つの同素体のうち、α-MnF4のみが理解されています。この化合物では、マンガンは–MnF6–八面体を形成し、架橋フッ素を共有して–Mn4F20–環を形成し、それがさらに三次元的に連結されます。[ 64 ]
金属ペンタフッ化物およびそれ以上のフッ化物はすべて分子性であり、したがって少なくともある程度の揮発性を持つ。
バナジウム、ニオブ、タンタル、プロトアクチニウムは、最も電荷が中性のフッ化物として五フッ化物を形成します。五フッ化バナジウムは、バナジウムが–VF 6–八面体の中心となる唯一の非揮発性高電荷金属フッ化物です。ニオブとタンタルの五フッ化物は、構造中に同じ四面体を持っていますが、違いは（ポリマーではなく）四量体分子の形成です。[ 65 ]
ビスマスの最高位のフッ化物は揮発性の五価種であり、強力なフッ素化剤である。固体状態ではポリマー状であり、軸方向のフッ化物を共有する八面体の直線鎖から構成されている。五価ビスマスはアルカリ金属と組み合わせると、フッ化物供与体（NaF [ 66 ] [ 67 ]のような強いもの、または XeF 4 [ 68 ]のような弱いもの）と反応して、六価フルオロビスマス酸塩 [BiF 6 ] − を形成することができる。
六フッ化物を形成する多くの金属は、五フッ化物も形成することができる。例えば、よく知られた六フッ化物を持つウランは、2種類の異なる五フッ化物構造も形成する。室温（アルファ）型の五フッ化物構造は、五フッ化ビスマスと同じ直線鎖構造を持つ。分子（気体）状態の五フッ化物（UF₅）は、四角錐構造を持つ。
よく特性が解明されている六フッ化物を構成する金属には、周期表の中央に位置する9つの金属（モリブデン、テクネチウム、ルテニウム、ロジウム、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金）と、92～94番元素（ウラン、ネプツニウム、プルトニウム）が含まれる。室温では、六フッ化タングステンは気体である。六フッ化モリブデンと六フッ化レニウムは液体である。残りは揮発性の固体である。
金属六フッ化物はフッ素を放出する傾向があるため酸化剤である。例えば、六フッ化白金は分子状酸素[ 69 ]とキセノン[ 70 ] を酸化する最初の化合物であった。ポロニウムも六フッ化物を形成するが、研究は十分に進んでいない[ 71 ] 。
レニウムは、 7つのフッ化物と結合することが知られている唯一の金属であり、電荷中性の金属化合物の荷電配位子の数としては記録的です。[ 72 ]七フッ化レニウムは五角両錐型の分子構造をとります。計算によると、現在未知ではあるものの、おそらく存在する可能性のある七フッ化イリジウム[ 73 ]（合成の報告が準備中です[ 74 ]）、七フッ化テクネチウム[ 75 ] 、および七フッ化オスミウム[ 76 ]もこの構造を持つことが示されています。
八フッ化オスミウムは1913年に初めて報告されたが、1958年にその化合物は実際には六フッ化オスミウムであることが示された。[ 77 ] 1993年の理論的研究では、八 フッ化オスミウムの結合は非常に弱く、実験的に検出することは困難であると予測された。この研究では、もし生成された場合、OsF8には2つの異なる長さのOs-F結合が存在すると予測された。[ 78 ]
非金属二元フッ化物は揮発性化合物です。これらは第2周期と他のフッ化物との間に大きな違いを示します。たとえば、第2周期の元素のフッ化物は、原子のオクテットを超えることはありません。（ホウ素は周期表の特定の位置のため例外です。）しかし、下位周期の元素は、五フッ化リンや六フッ化硫黄などの超原子価分子を形成する可能性があります。[ 79 ]このような種の反応性は大きく異なります。六フッ化硫黄は不活性ですが、三フッ化塩素は非常に反応性が高いです。ただし、周期表の位置に基づく傾向がいくつかあります。
三フッ化ホウ素は平面分子です。中心のホウ素原子の周りには6個の電子しかありません（したがってオクテット則を満たしていません）が、ルイス塩基を容易に受け入れ、アンモニアや別のフッ化物イオンなど、孤立電子対を持つ分子やイオンと付加物を形成し、オクテット則を満たすためにさらに2個の電子を供与することができます。[ 80 ]一フッ化ホウ素は、単結合よりも高いBF結合を持つ珍しい分子です。結合次数は1.4（単結合と二重結合の中間）とされています。N2と等電子です。[ 81 ]
四フッ化ケイ素は、四フッ化炭素や四フッ化ゲルマニウムと同様に、分子四面体構造をとります。[ 82 ] SiF4は加熱や電気火花に対して安定ですが、水（湿った空気でも）、金属、アルカリと反応し、弱い酸性を示します。[ 83 ]有機マグネシウム化合物、アルコール、アミン、アンモニアとの反応により付加化合物が生成されます。[ 83 ] SiF4の誘導体であるフルオロケイ酸は、水溶液中で強酸です（無水物は存在しません）。[ 84 ]
窒素の周期表の列であるプニクトゲンは、最も高いフッ化物（五フッ化物）と最も一般的なフッ化物（三フッ化物）の反応性と酸性度において非常に類似した傾向を示し、その性質は族を下るにつれて増加します。NF 3は加水分解に対して安定であり、[ 85 ] PF 3 は湿った空気中で非常にゆっくりと加水分解し、[ 86 ] AsF 3は完全に加水分解します。[ 85 ] SbF 3はフッ素との結合のイオン性の増加により部分的にしか加水分解しません。これらの化合物は弱いルイス塩基であり、NF 3は例外です。[ 85 ]リンの五フッ化物[ 86 ]とヒ素の五フッ化物[ 87 ]は三フッ化物よりもはるかに反応性が高く、五フッ化アンチモンは非常に強い酸であるため、最強のルイス酸の称号を持っています。[ 87 ]窒素は五フッ化物を形成することは知られていないが、四フッ化アンモニウム陽イオン（NF + 4）は形式酸化状態が +5 の窒素を特徴としている。[ 88 ]一フッ化窒素はレーザー研究で観察された準安定種である。これは O 2と等電子であり、珍しいことに、BF と同様に、単結合フッ素よりも高い結合次数を持つ。[ 2 ] [ 89 ]
カルコゲン（酸素の周期表の列）は、やや似ています。S、Se、Teのテトラフルオロ化合物は加水分解し、ルイス酸性を示します。硫黄とセレンのテトラフルオロ化合物は分子ですが、TeF 4はポリマーです。[ 90 ]ヘキサフルオロ化合物は、元素の直接フッ素化によって生成されます（比較：これらの元素の他のヘキサハロゲン化物は存在しません）。原子番号とともに反応性が高まります。SF 6は極めて不活性で、SeF 6はそれほど貴ではなく（例えば、200 °C（400 °F）でアンモニアと反応します）、TeF 6は容易に加水分解してオキソ酸を生成します。[ 90 ]酸素の最高位のフッ化物は二フッ化酸素ですが、[ 90 ]フッ素は理論的には (2012 年現在) それを酸化して、フッ素カチオンOF + 3の +4 という非常に高い酸化状態になることができます。[ 91 ]さらに、複数のカルコゲンを持つカルコゲンフッ化物 (O 2 F 2、[ 92 ] S 2 F 10、[ 93 ]など) もいくつか存在します。
よく特徴づけられている重いハロゲン（塩素、臭素、ヨウ素）はすべて、モノ、トリ、ペンタフルオリド（XF、XF 3、XF 5 ）を形成します。中性の+7種のうち、ヨウ素七フッ化物のみが知られています。[ 94 ]塩素と臭素の七フッ化物は知られていませんが、対応する陽イオンClF + 6とBrF + 6は非常に強力な酸化剤です。[ 95 ]アスタチンはよく研究されておらず、非揮発性のアスタチン一フッ化物の報告はありますが、[ 96 ]その存在については議論があります。[ 97 ]多くのハロゲンフッ化物は強力なフッ素化剤です。三フッ化塩素は特に注目に値し、アスベストや難燃性酸化物を容易にフッ素化し、五フッ化塩素よりもさらに反応性が高い可能性があります。工業的に使用されるClF 3は、腐食性があり人体に危険であるため、フッ素ガスと同様の特別な予防措置が必要です。[ 98 ] [ 99 ]
いくつかの重要な無機酸はフッ素を含んでいます。フッ素の電気陰性度が高いため、これらの酸は一般的に非常に強い酸です。そのような酸の一つであるフルオロアンチモン酸（HSbF₆ ）は、既知の中性酸の中で最も強い酸です。[ 31 ]アニオン上の電荷の分散は、溶媒和プロトン（ Hの形）の酸性度に影響を与えます。2 F +この化合物は極めて低いpKa値（ -28）を持ち、純粋な硫酸よりも10京倍（10¹⁶ ）強い。 [ 31 ]フルオロアンチモン酸は非常に強いため、炭化水素などの通常は不活性な化合物をプロトン化する。ハンガリー系アメリカ人の化学者ジョージ・オラーは、このような反応を研究した功績により、1994年にノーベル化学賞を受賞した。[ 100 ]
希ガスは一般的に電子殻が満たされているため反応性が低い。1960年代までは、希ガスとの化学結合は知られていなかった。1962年、ニール・バートレットは六フッ化白金がキセノンと反応することを発見した。彼は自分が作った化合物を六フッ化キセノン白金酸塩と名付けたが、その後、生成物は混合物であることが明らかになった。おそらくモノフルオロキセニル(II)ペンタフルオロ白金酸塩、[XeF] + [PtF 5 ] −、モノフルオロキセニル(II)ウンデカフルオロジ白金酸塩、[XeF] + [Pt 2 F 11 ] −、およびトリフルオロジキセニル(II)六フッ化白金酸塩、[Xe 2 F 3 ] + [PtF 6 ] −である。[ 101 ]バートレットによるキセノンのフッ素化は高く評価されている。[ 102 ]その後1962年に、キセノンがフッ素と直接反応して二フッ化物と四フッ化物を生成することが発見された。それ以来、他の希ガスフッ化物も報告されている。
キセノンの二元化合物には、二フッ化キセノン、四フッ化キセノン、六フッ化キセノンが含まれる。[ 103 ]キセノンは、四フッ化キセノンの加水分解により、オキシ二フッ化キセノン、XeOF2などのいくつかのオキシフッ化物を形成する。 [ 104 ]より軽い隣接元素であるクリプトンも、二フッ化クリプトンなどのよく特徴付けられた化合物を形成する。四フッ化クリプトンは1963年に報告されたが、[ 105 ]その後、誤った同定であることが判明した。この化合物は現在合成が非常に難しいようである（六フッ化クリプトンさえ存在する可能性がある）。[ 106 ]
周期的な傾向に従って、ラドンはフッ素に対してより反応性が高い。二フッ化ラドンが主張されている。[ 96 ]より軽い希ガス（ヘリウムからアルゴンまで）は安定な二元フッ化物を形成しない。
元素は、多くの場合、二元フッ化物という形で最高酸化状態をとります。いくつかの元素は、ごく少数の化合物でのみ最高酸化状態を示し、そのうちの1つがフッ化物です。また、一部の元素の既知の最高酸化状態は、フッ化物でのみ見られます。
第 1 ～ 5族、第 13 ～ 16 族 (窒素を除く)では、酸化物とフッ化物の最高酸化状態は常に等しい。違いが見られるのは、クロム、第 7 ～ 10 族、銅、水銀、および希ガスのみである。フッ素化により、一部の元素は、そうでなければ達成するのが難しい比較的低い[注 4 ]最高酸化状態を達成することができる。たとえば、クリプトンの二元酸化物は知られていないが、二フッ化クリプトンはよく研究されている。[ 107 ]同時に、他のいくつかの元素では、特定の非常に高い酸化状態は、フッ素ベースの種ではなく、酸素ベースの種についてのみ知られている。前述の揮発性酸化物については、レニウムを除いて、対応する七フッ化物または八フッ化物は存在しない。(例えば、八フッ化ルテニウムは合成される可能性は低いが、[ 108 ]四酸化ルテニウムは工業用途が見つかっている。[ 109 ] ) フッ素が共有結合性の七フッ化物および八フッ化物で最高位を形成するのを妨げる主な問題は、1 つの原子の周りにそのような多数のリガンドを付けるのが難しいことである。類似の酸化物ではリガンドの数は半分になる。[ 110 ] [注 5 ]しかし、八フッ化ヨウ素酸 ( IF − 8 )、八フッ化ジルコン酸 ( ZrF 4− 8 )、八フッ化キセノン酸( XeF 2− 8 ) などの八フッ化物アニオンはよく知られている。
最高酸化状態は、日常生活や産業用途においてさえ一般的ではない場合がある。例えば、第12族元素で初めて+2を超える酸化状態を達成し、満たされた5d軌道を破壊した四フッ化水銀の合成は、重元素に対する相対論的効果の重要性を改めて示し、水銀、カドミウム、亜鉛が遷移金属であるかどうかについての議論を巻き起こしたが[ 111 ] 、極低温で行われ、固体窒素の温度で分解する[ 112 ] 。さらに不安定なことに、稀なコバルト(V)種であるCoF + 4カチオンは、気相でのみ観測されている（他の原子との相互作用がないため、いかなる化学環境においても安定性は示されていない）[ 108 ] 。このような不安定な種が存在する理由は複雑であるが、仮説上のNFの例で以下のように要約できる。5分子：現代の計算によると、5つのフッ素原子と1つの窒素原子は、理論的にはNFのようにさまざまな方法で配置できる。3とF2、NF・4およびF•、NF5など。NF3 +F2システムは最小エネルギー (最も安定) です。ただし、NF5分子が合成された場合、高エネルギーの遷移状態を経由する必要があり、そこから 2 つの分子に崩壊する可能性があります。しかし、遷移状態は六原子分子よりもエネルギーが高いため、遷移状態に到達して崩壊を可能にするには、エネルギー差を加える必要があります。このエネルギーは反応活性化障壁と呼ばれます。（2 番目の崩壊モードも同様の位置にあります。）したがって、加えられるエネルギーが少ない場合（低温の場合）、化合物は存在できますが、合成は深刻な問題です（まだ解決されていません）。 [ 113 ]
フッ素は、その並外れた電気陰性度のため、フッ素に酸素原子を一つ追加するごとに相当なエネルギー増加が必要となるため、オキソ酸を形成するのは非常に難しい。
フッ素の既知のオキソ酸は次亜フッ素酸（HOF）のみです。-117℃以下では白色固体、それ以上では淡黄色の液体として存在します。HOF自体は0℃以下でのみ安定であり、それ以上の温度では急速に分解し、室温では爆発性があります。[ 114 ]フッ素による水の酸化反応において、HOFはしばしば短命な中間体として見られますが、固体として安定に単離することができ、これは既知の次亜ハロゲン酸の中で唯一のものです。その共役塩基である次亜フッ素酸アニオン（OF− ））は、次亜フッ素酸リチウム（LiOF）や次亜フッ素酸トリフルオロメチル（CF）などの特定の安定化合物を形成する可能性がある。3 OF)。
フッ化水素酸（HFO）2 )フッ化物（HFO）3）、および過フルオロ酸（HFO）4）は次亜フッ素酸よりもはるかに不安定であることが判明しており、まだ単離されていません。
有機フッ素化合物の炭素-フッ素結合は、有機化学において最も強い結合である。[ 115 ]分子の低い分極率と相まって、これらは有機フッ素化合物の優れた安定性に寄与する最も重要な要因である。[ 116 ]
より小さな分子の炭素-フッ素結合は、主に 3 つの方法で形成されます。フッ素がハロゲンまたは水素を置換するか、多重結合に付加します。炭化水素とフッ素ガスの直接反応は危険なほど反応性が高いため、温度を −150 °C (−240 °F) まで下げる必要がある場合があります。[ 117 ]代わりに、加熱するとフッ素を放出する化合物である「固体フッ素キャリア」、特に三フッ化コバルト[ 118 ]またはフッ化水素を使用できます。反応後、元素のファンデルワールス半径が非常に似ているため、分子サイズは大きく変化しません。[ 116 ]有機ハロゲン化合物または不飽和化合物の反応、またはパーフルオロカーボンが必要な場合 (その場合は通常HF ベースの電気分解が使用されます)には、直接フッ素化の重要性はさらに低くなります。 [ 119 ]対照的に、フッ素ポリマーはフリーラジカルの重合によって形成されます。炭化水素ポリマーに使用される他の技術は、フッ素ではそのように機能しない。[ 120 ]
有機フッ素化合物の範囲は多様であり、有機化学の本質的な複雑さを反映している。フッ素置換の程度が異なる多数の小分子や多くのポリマーが存在し、特定の分野の研究は応用の商業的価値によって推進されている。[ 121 ]
モノフルオロアルカン（水素原子の1つがフッ素原子に置換されたアルカン）は化学的にも熱的にも不安定である可能性があるが、多くの溶媒に溶解する。しかし、水素原子の代わりにフッ素原子が多くなるにつれて、安定性は向上するが、融点、沸点、溶解度は低下する。密度と粘度は増加するが、誘電率、表面張力、屈折率は低下する。[ 122 ]
部分的にフッ素化されたアルカンはハイドロフルオロカーボン（HFC）です。フッ素と他のハロゲンを組み合わせると、クロロフルオロカーボン（CFC）やブロモフルオロカーボン（BFC）などが生成されます（水素が残っている場合はHCFCなど）。特性はハロゲン原子の数と種類によって異なります。一般に、ハロゲン原子の組み合わせによって沸点はさらに高くなります。これは、異なるハロゲンのサイズと電荷が異なるため、分子間引力が大きくなるためです。[ 123 ]フルオロカーボンと同様に、クロロフルオロカーボンとブロモフルオロカーボンは不燃性です。これらは反応する炭素-水素結合を持たず、放出されたハロゲン化物が炎を消します。 [ 123 ]
すべての水素をフッ素に置き換えてパーフルオロアルカンを得ると、大きな違いが明らかになる。このような化合物は非常に安定しており、標準条件下では液体アンモニア中のナトリウムのみが攻撃する。また、溶解度も非常に低く、溶解できる有機溶媒はほとんどない。[ 122 ]
しかし、パーフルオロカーボンが二重結合または三重結合（パーフルオロアルケンまたは-アルキン）を含む場合、配位子受容に対して非常に反応性が高く、対応する炭化水素よりもさらに不安定になります。[ 124 ]液体窒素温度でも分解するジフルオロアセチレン[ 125 ]は、注目すべき例です。このような分子が非対称の場合、C-F結合によって正電荷を持ち、弱く遮蔽されているフッ素化炭素がより多く攻撃されます[ 124 ] （HFによって攻撃される不飽和炭化水素がマルコフニコフ則に従って水素の多い原子に水素を追加するのと同様です[ 126 ]）。
パーフルオロ化合物は、パーフルオロカーボンとは対照的に、余分な官能基を持つことを除けばパーフルオロカーボン（炭素原子とフッ素原子のみ）である分子に使用される用語です（別の定義も存在しますが[ 127 ]）。これらは、パーフルオロカーボンの特性（不活性、安定性、水や油に対する非濡れ性および不溶性、滑りやすさなど）のほとんどを共有していますが[ 128 ]、官能基の特性により異なる場合があります。ただし、パーフルオロカーボンの尾部は、炭化水素尾部を持つ化合物と比較して、グループ固有の特性が異なります。
パーフルオロアルカンスルホン酸は酸性度が高いことでも知られています。スルホン酸誘導体であるトリフルオロメタンスルホン酸は、過塩素酸に匹敵する強さです。[ 129 ]これらの化合物は表面エネルギーを低下させるため、特にパーフルオロオクタンスルホン酸（PFOS、かつては「スコッチガード」ブランドの有効成分）は界面活性剤として工業的に利用されています。[ 129 ]
パーフルオロ化合物がフッ素化された末端を持ち、官能基の近くにフッ素化されていない炭素がいくつか（通常は2つ）ある場合、それはフルオロテロマーと呼ばれます（このような分子は商業的にはパーフルオロ化合物として扱われます）が、このような分子は化学的価値よりも工業的価値の方が高いです。同様に、鎖末端は（水素化された末端炭素を介して）ヒドロキシル基などの異なる官能基に結合してフルオロテロマーアルコールになったり、スルホン酸基が結合してフルオロテロマースルホン酸になったりします。[ 128 ]
フッ素ポリマーは多くの点でより小さな分子と類似しています。ポリマーにフッ素を加えると、小さな分子の場合と同様に特性に影響します（化学的安定性、融点の向上、可燃性、溶解性の低下など）。ただし、それぞれのフッ素ポリマーには固有の特性があります。[ 120 ]
最も単純なフッ素樹脂はポリテトラフルオロエチレン（PTFE、デュポン社のテフロン）で、繰り返し構造単位：–CF 2 – を持つ単純な線状鎖ポリマーです。PTFE は、長い鎖で単結合した炭素の主鎖を持ち、すべての側鎖はフッ素に結合しています。水素を含まず、ポリエチレン（構造単位：–CH 2 –）のパーフルオロ類似体と考えることができます。PTFE は、パーフルオロカーボンに期待されるように、ポリエチレンよりもはるかに高い化学的および熱的安定性を持っています。ファンデルワールス力に対する耐性により、PTFE はヤモリがくっつかないことが知られている唯一の表面です。 [ 130 ]ただし、この化合物は融解時に変化する能力がありませんが、これはさまざまな PTFE 誘導体、すなわち FEP（フッ素化エチレンプロピレン、一部のフッ素が –CF 3基に置き換えられたもの）または PFA（パーフルオロアルコキシ、一部のフッ素が –OCF 3に置き換えられたもの）では問題になりません。それらはPTFEとほとんどの特性を共有しているが、最大使用温度（非柔軟性PTFEの方が高い）など、いくつかの違いがある。[ 131 ]
パーフルオロ化フッ素樹脂以外にもフッ素樹脂は存在する。ポリフッ化ビニリデン（PVDF、構造単位：–CF 2 CH 2 –）は、フッ素が半分のPTFEの類似体である。PVF（ポリフッ化ビニル、構造単位：–CH 2 CHF–）はPTFEの4分の1のフッ素を含んでいる。それにもかかわらず、よりフッ素化された化合物の多くの特性を依然として備えている。[ 132 ] PCTFE（ポリクロロトリフルオロエチレン、構造単位：–CF 2 CFCl–）はもう1つの重要な化合物である。PTFEとは異なり、フッ素の4分の1が塩素に置き換えられているが、この違いにより、硬度、クリープ耐性、耐湿性がさらに向上する。[ 132 ]
ポリエチレンの軽度フッ素化では、プラスチックのすべての水素がフッ素に置き換わるわけではなく、薄い層（ 最大で0.01 mm）のみが影響を受けます。これは金属の不動態化といくらか似ており、バルク特性は影響を受けませんが、表面特性、特に蒸気バリア性が向上します。したがって、表面特性のみが重要な場合は、パーフルオロプラスチックよりも安価な代替品となります。[ 133 ]
ナフィオンは構造的に複雑なポリマーです。PTFEに似た主鎖を持ち、スルホン酸（-SO 2 OH）基で終わるパーフルオロエーテルの側鎖も含まれています。また、形態によって正確な特性は異なりますが、化学的に非常に安定しています。しかし、複雑な化学構造のため、 Na +などのカチオンを添加したり、与えられたスルホニルフルオリドではなくスルホン酸に変換したりすることで、比較的容易にイオン性ポリマー（導電性を示すポリマー）に変換できます。導電性は、主炭素鎖が側鎖から分離し、極性領域と非極性領域が形成されることに起因します。この形態は吸湿性も非常に高いです。[ 134 ]
フルオロエラストマーは、他のエラストマー（合成ゴム）と同様に、3 次元で連結された無秩序なポリマー鎖から構成されています。フルオロエラストマーの製造における主な課題は、架橋（非反応性ポリマーの反応）と、硬化中に生成される HF の除去です。フルオロエラストマーには主に 3 つのファミリーがあります。VDF/HFP は、フッ化ビニリデンと (少なくとも 20%) ヘキサフルオロプロピレンの共重合体システムです。TFE/プロピレンは、一部の溶剤に対する耐薬品性が優れた別のコポリマーシステムです。TFE/PMVE (パーフルオロメチルビニルエーテル) は、パーフルオロ化フルオロエラストマーを生成する共重合体システムです。[ 135 ]
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