§ 30. Галогены

Галогены как химические элементы

К галогенам относят пять элементов VIIА-группы периодической системы: фтор F, хлор Сl, бром Вr, йод I и астат At.

Атомы галогенов содержат по 7 электронов на внешнем электронном слое, общая электронная конфигурация которого ns²np⁵, то есть галогены являются р-элементами (Приложение 1). Электронно-графические схемы внешнего электронного слоя атомов фтора и хлора выглядят следующим образом:

₉F

₁₇Cl

При этом на внешнем электронном слое у атома фтора четыре орбитали, а атомы остальных галогенов содержат ещё пять незаполненных d-орбиталей.

Фтор как самый электроотрицательный элемент в соединениях проявляет только отрицательную степень окисления –1. Характерные для других элементов степени окисления (–1, +1, +3, +5, +7) можно объяснить возможностью распаривания электронов внешнего электронного слоя. В случае атомов хлора это выглядит так:

Cl
Степени окисления +1, –1, 0

Cl^**
Степень окисления +5

Cl^*
Степень окисления +3

Cl^***
Степень окисления +7

Примерами соединений с различными степенями окисления хлора могут служить известные вам вещества: (галит), (бертолетова соль), (хлорная кислота).

В природе галогены существуют в виде соединений с другими элементами (табл. 21, рис. 68). Фтор и хлор принадлежат к двадцати самым распространённым элементам в земной коре.

Таблица 21. Химические элементы галогены

Галогены как простые вещества

Строение простых веществ. Простые вещества галогены состоят из двухатомных молекул, атомы в которых связаны ковалентной неполярной σ-связью (рис. 69).

В ряду галогенов F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂ c увеличением размеров молекул увеличиваются силы межмолекулярного взаимодействия, поэтому в группе с увеличением атомного номера элемента повышаются температуры плавления и кипения простых веществ галогенов. Так, при комнатной температуре фтор и хлор — газы, бром — жидкость, йод — твёрдое вещество (табл. 22).

Таблица 22. Физические свойства галогенов

Вещество	Фтор F2	Хлор Cl2	Бром Вr2	Йод I2
Масштабные модели молекул
Tпл., °С	–220	‒101	‒7	+113,5
Tкип., °С	–188	‒34	+58	+184
Агрегатное состояние при комнатной температуре	Газ	Газ	Жидкость	Твёрдое вещество
Цвет	Светло-жёлтый	Жёлто-зелёный	Красно-бурый	Тёмно-серый
Запах	Резкий, раздражающий	Резкий, удушливый	Резкий, зловонный	Резкий

Растворимость в воде хлора, брома и йода умеренная. Их водные растворы, используемые в лабораторной практике, называют хлорной, бромной и йодной водой. Растворимость галогенов значительно выше в неполярных и малополярных органических растворителях — бензоле С₆Н₆, тетрахлорметане ССl₄, этаноле С₂Н₅ОН.

Химические свойства

1. Реакции с металлами. Наиболее активным из галогенов является фтор. Уже при комнатной температуре он реагирует с большинством металлов:

Хлор при нагревании реагирует с серебром, золотом, платиной и другими металлами:

Для достижения заметной скорости реакции других галогенов с металлами обычно также требуется предварительное нагревание металла.

Обратим внимание на то, что простые вещества хлор и бром в силу высокой окислительной способности образуют c железом соединения , , в то время как действие соляной кислоты на железо приводит к образованию .

2. Реакции с водородом:

• а) фтор взаимодействует при комнатной температуре: ;
• б) хлор реагирует при поджигании или воздействии ультрафиолетового излучения: ;
• в) бром реагирует при нагревании: , реакция обратима;
• г) йод вступает в реакцию медленно даже при нагревании, реакция обратима: .

Таким образом, реакционная способность по отношению к водороду снижается в ряду галогенов F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂.

3. Реакции с растворами солей галогеноводородных кислот. В водных растворах галогеноводородных кислот, а также их солей более электроотрицательный галоген вытесняет менее электроотрицательный. Так, хлор вытесняет бром и йод, например:

.

Бром вытесняет только йод из растворов йодидов:

.

Способность более активных галогенов вытеснять менее активные из их соединений используется на практике. Например, бром и йод получают при действии хлора на их соединения.

Для фтора реакция вытеснения из растворов менее активных галогенов не характерна, так как фтор вступает в реакцию с водой.

Фтор с водой реагирует, окисляя атомы кислорода в молекулах воды:

2F₂ + 2H₂O = 4HF + O₂↑.

При растворении хлора в воде протекает обратимая реакция: . Образующийся раствор называют хлорной водой. Аналогично происходит растворение в воде брома и йода, но равновесные концентрации продуктов уменьшаются в ряду Cl₂ — Br₂ — I₂.

4. Реакции с органическими веществами. Галогенирование органических соединений происходит чаще всего в реакциях замещения (насыщенные и ароматические углеводороды) или присоединения (ненасыщенные и ароматические углеводороды). Например:

• • хлорирование метана: (реакция замещения);
• • бромирование бензола: ;
• • взаимодействие бромной воды с фенолом:

 + 3HBr (реакция замещения);

• • хлорирование этилена:  (реакция присоединения).

Из курсов биологии и органической химии вам также известно, что йод взаимодействует с раствором крахмала, образуя соединение синего цвета, а бромную воду используют как реагент на алкены, фенол, анилин.

5. Взаимодействие хлора со щелочами. В зависимости от условий проведения реакции образуются разные продукты. Так, при взаимодействии хлора с холодным раствором щёлочи хлор образует соли хлорид и гипохлорит:

а с горячим раствором — хлорид и хлорат:

Гипохлорит натрия широко применяется для дезинфекции сточных вод, воды в системах водоснабжения и плавательных бассейнов, в пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, медицине.

6. Особенности химических свойств фтора. Фтор, в отличие от других галогенов, которые не взаимодействуют с кислородом, реагирует с ним, однако процесс протекает только под действием электрического разряда при −196 °С:

В этом соединении атомы фтора имеют степень окисления −1, атомы кислорода как менее электроотрицательного элемента имеют положительную степень окисления +1. Поэтому O₂F₂ называют фторидом кислорода(I).

Вода при соприкосновении со фтором горит. Состав продуктов зависит от условий протекания реакции. Среди продуктов всегда обнаруживают фтороводород и кислород:

.

В атмосфере фтора окисляется даже платина: . Однако некоторые металлы (Mg, Al, Ni, Cu) устойчивы к действию фтора за счёт образования плотной плёнки фторида на поверхности металла.

Под давлением или при действии ультрафиолетового излучения фтор реагирует с криптоном и ксеноном с образованием фторидов благородных газов.

Биологическое значение галогенов и их соединений

Соединения галогенов играют значительную роль в жизнедеятельности организмов человека и животных.

Фтор участвует в построении костного скелета и зубной эмали, в процессах обмена веществ в мышцах, железах, нервной ткани. При недостаточном содержании фтора в продуктах питания и питьевой воде происходит поражение зубной эмали. Избыток фтора также оказывает пагубное воздействие: приводит к разрушению зубной эмали и скелета.

Хлор входит в состав соляной кислоты как компонента желудочного сока и обеспечивает переваривание пищи, участвует в обмене веществ. Постоянная концентрация кислоты в желудке поддерживается за счёт поваренной соли, поступающей в организм в составе продуктов питания.

Бром регулирует процессы возбуждения и торможения центральной нервной системы. Именно поэтому при лечении нервных болезней (бессонницы, истерии, неврастении др.) используют бромсодержащие препараты.

Йод играет значительную роль в работе щитовидной железы. Важнейшей функцией вырабатываемых в ней гормонов является регуляция работы мозга и сердца, мускульного возбуждения. Недостаток йода приводит к увеличению щитовидной железы, замедлению умственного и физического развития.

Очень важно с продуктами питания получать достаточное количество каждого микроэлемента, так как их недостаток может стать угрозой здоровью.

Фтор, бром, йод содержатся в следующих продуктах питания.

F	Листья салата, шпинат, яблоки, грейпфруты, зерновые, рис, картофель, орехи, лук, чай; продукты животного происхождения: морская рыба и морепродукты, курица, яйца, молоко, мясо и субпродукты
Br	Бобовые: фасоль, горох, чечевица; орехи, зерновые, морские водоросли
I	Морепродукты: морская капуста, рыба; молочные продукты: молоко, сыр, творог; овощи: картофель, морковь, свёкла, лук, помидоры, шпинат, бобовые; фрукты и ягоды: яблоки, сливы, виноград, вишня, земляника; крупы: пшено, гречка

*Получение хлора в лаборатории и промышленности

Для получения хлора в лаборатории используют реакцию концентрированной соляной кислоты с сильными окислителями (МnO₂, KМnO₄, KClO₃) (рис. 69.1):

;

.

Чтобы удалить следовые количества хлороводорода, полученный газ пропускают через воду, а для удаления паров воды — через концентрированную серную кислоту .

Впервые хлор получил шведский химик Карл Вильгельм Шееле (1742–1786) при взаимодействии минерала пиролюзита (оксида марганца(IV)) и соляной кислоты в 1774 году. Ему принадлежит честь открытия множества неорганических и органических веществ.

В промышленности хлор получают в основном электролизом водного раствора хлорида натрия. При этом на аноде выделяется хлор, а на катоде — водород.

Хлор также образуется при электролизе расплава хлорида натрия:

2NaCl_{(расплав)} 2Na + Cl₂↑.

Подробнее процессы электролиза вы рассмотрите в главе «Металлы».

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите:

• а) символы элементов галогенов;
• б) формулы простых веществ галогенов;
• в) биологическую роль каждого из галогенов;
• г) по три продукта питания, содержащих в значительном количестве фтор, бром, йод.

2. Для ряда веществ F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂ укажите закономерность изменения:

• а) температуры плавления;
• б) температуры кипения;
• в) активности в реакции с водородом;
• г) активности в реакции с металлами.

Дайте объяснения.

3. Рассчитайте относительную плотность хлора по воздуху.

4. Баллон вмещает 15 кг жидкого хлора. Рассчитайте его количество.

5. Составьте формулы электронных конфигураций атомов фтора и хлора. Укажите сходство и различие в электронном строении этих атомов.

6. Бром массой 4 г растворили в воде объёмом 250 см³. Рассчитайте массовую долю брома в бромной воде.

7. Составьте уравнения реакций:

• а) хлора с железом, натрием, йодидом натрия, этаном;
• б) брома с железом, алюминием, йодидом натрия, бензолом;
• в) бромной воды с йодидом алюминия, этиленом, фенолом, анилином.

8. В баллоне содержится сжиженный хлор массой 50 кг. Определите, какой объём займёт хлор при н. у.

9. Установите химическую формулу соли, в которой массовая доля калия составляет 31,836 %, хлора — 28,980 %, кислорода — 39,184 %. Определите степени окисления атомов.

10. В пронумерованных пробирках находятся растворы фенола, йодида натрия, хлорида калия. Предложите план распознавания веществ с помощью одного реактива. Составьте уравнения соответствующих реакций.

*Самоконтроль

1. Положительные степени окисления не проявляют атомы элемента с конфигурацией внешнего электронного уровня:

• а) 5s²5p⁵;
• б) 4s²4p⁵;
• в) 3s²3p⁵;
• г) 2s²2p⁵.

2. Относительно ряда галогенов F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂ справедливыми являются утверждения:

• а) увеличивается длина связи в молекулах простых веществ;
• б) химическая активность повышается;
• в) температура кипения простых веществ возрастает;
• г) возрастает относительная плотность паров вещества по воздуху.

3. Простое вещество хлор реагирует с веществами:

• а) NaBr;
• б) HCl;
• в) КI;
• г) FeCl₃.

4. Реакция протекает при пропускании через бромную воду газов:

• а) НCl;
• б) HI;
• в) CН≡СН;
• г) СН₃–СН=СН₂.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции железа с хлором равна:

• а) 4;
• б) 5;
• в) 6;
• г) 7.