Print bookPrint book

§ 30. Галогены

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 30. Галогены
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 10:11 PM

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 img
17Cl img

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 img
Степени окисления +1, –1, 0
Cl** img
Степень окисления +5
Cl* img
Степень окисления +3
Cl*** img
Степень окисления +7

Примерами соединений с различными степенями окисления хлора могут служить известные вам вещества: Na Cl with negative 1 on top (галит), straight K Cl with plus 5 on top straight O subscript 3 (бертолетова соль), straight H Cl with plus 7 on top straight O subscript 4 (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

Элемент Радиус атома, нм χ Степени окисления Природные соединения
Фтор 9F 0,071 4,0 –1, 0 CaF2 (флюорит, плавиковый шпат);
Na3[AlF6] (криолит);
Са5[РО4]3F (фторапатит)
Хлор 17Cl 0,099 3,0 –1, 0, +1, +3, +5, +7 NaCl (каменная соль, галит);
KCl (сильвин);
Смесь NaCl и KCl (сильвинит);
KMgCl3 · 6H2O (карналлит)
Бром 35Br 0,114 2,8 –1, 0, +1, +3, +5, +7 NaBr, KBr, MgBr2 — в отложениях хлоридов; в морской воде в виде бромид-ионов
Йод 53I 0,133 2,5 –1, 0, +1, +3, +5, +7 KIO3 (йодат калия) — в залежах чилийской селитры, в подземных буровых водах, в морских водорослях
img
Рис. 68. Важнейшие природные соединения галогенов

Галогены как простые вещества

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

img
Рис. 69. Молекула фтора

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 img img img img
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

img
Взаимодействие
алюминия
с йодом

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

Zn space plus space straight F with 0 on top subscript 2 space equals space Zn straight F with negative 1 on top subscript 2.

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

2 Au space plus space 3 Cl with 0 on top subscript 2 space stack equals space with t on top 2 Au Cl with negative 1 on top subscript 3 semicolon
2 Fe space plus space 3 Cl with 0 on top subscript 2 space stack equals space with t on top 2 Fe Cl with negative 1 on top subscript 3.

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

img

Обратим внимание на то, что простые вещества хлор и бром в силу высокой окислительной способности образуют c железом соединения Fe with plus 3 on top Cl subscript 3, Fe with plus 3 on top Br subscript 3, в то время как действие соляной кислоты на железо приводит к образованию Fe with plus 2 on top Cl subscript 2.

2. Реакции с водородом:

  • а) фтор взаимодействует при комнатной температуре: straight Н subscript 2 space plus stack space straight F with 0 on top subscript 2 space equals space 2 straight H straight F with negative 1 on top;
  • б) хлор реагирует при поджигании или воздействии ультрафиолетового излучения: straight Н subscript 2 space plus stack space Сl with 0 on top subscript 2 stack space equals space with h v on top 2 straight H Cl with negative 1 on top;
  • в) бром реагирует при нагревании: straight Н subscript 2 space plus space Br with 0 on top subscript 2 stack space rightwards arrow over leftwards arrow space with t on top 2 straight H Br with negative 1 on top, реакция обратима;
  • г) йод вступает в реакцию медленно даже при нагревании, реакция обратима: straight Н subscript 2 space plus space straight I with 0 on top subscript 2 stack space rightwards arrow over leftwards arrow space with t on top 2 straight H straight I with negative 1 on top.

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:

Cl with 0 on top subscript 2 space plus space 2 straight K stack Br space with negative 1 on top equals space 2 straight K stack Cl space with negative 1 on top plus stack space Br with 0 on top subscript 2 semicolon number space number space number space number space number space Cl with 0 on top subscript 2 space plus space 2 stack KI space with negative 1 on top equals space 2 straight K Cl with negative 1 on top space plus space straight I with 0 on top subscript 2 downwards arrow.

Бром вытесняет только йод из растворов йодидов:

Br with 0 on top subscript 2 space plus space 2 stack KI space with negative 1 on top equals space 2 straight K stack Br space with negative 1 on top plus space straight I with 0 on top subscript 2 not stretchy downwards arrow.

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.

img

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

2F2 + 2H2O = 4HF + O2↑.

При растворении хлора в воде протекает обратимая реакция: Cl subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space HCl space plus space HOCl. 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: СН subscript 4 space plus space Сl subscript 2 stack space not stretchy rightwards arrow with h v on top space CH subscript 3 Cl space plus space HCl (реакция замещения);
    • • бромирование бензола: straight C subscript 6 straight H subscript 6 space plus space Br subscript 2 stack space not stretchy rightwards arrow space with FeCl subscript 3 on top straight C subscript 6 straight H subscript 5 Br space plus space HBr;
    • • взаимодействие бромной воды с фенолом:
img + 3HBr (реакция замещения);
  • • хлорирование этилена: CH subscript 2 equals CH subscript 2 space plus space Cl subscript 2 space rightwards arrow space CH subscript 2 Cl minus CH subscript 2 Cl (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.

ul

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:

Сl with 0 on top subscript 2 space stack plus space 2 NaOH space space equals with blank below space stack Na stack stack Cl space with negative 1 on top with blank on top with хлорид space натрия below and blank on top space space stack space plus space space space space Na Cl with plus 1 on top straight O space space plus space with space space space space гипохлорит space натрия below space space space straight H subscript 2 straight O comma space space

а с горячим раствором — хлорид и хлорат:

3 Сl with 0 on top subscript 2 space plus space stack 6 KOH stack space equals with t on top with blank below stack 5 straight K Cl with negative 1 on top with хлорид space калия below stack space plus space space space space straight K Cl with plus 5 on top straight O subscript 3 space plus space with хлорат space калия below 3 straight H subscript 2 straight O.

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:

straight O subscript 2 space plus space straight F subscript 2 space equals space straight O with plus 1 on top subscript 2 straight F with negative 1 on top subscript 2.

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:

2 straight H subscript 2 straight O with blank on top space plus space 2 straight F with blank on top subscript 2 space end subscript equals space 4 HF with blank on top upwards arrow plus space straight O with blank on top subscript 2 upwards arrow.

img

В атмосфере фтора окисляется даже платина: begin mathsize 14px style Pt space plus space 2 straight F with 0 on top subscript 2 space equals with t equals 350 minus 400 space degree straight C on top space Pt straight F with negative 1 on top subscript 4 end style. 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.

img

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):

Mn with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space 4 straight Н Cl with negative 1 on top space stack equals space with blank on top Mn with plus 2 on top Cl subscript 2 space plus space Cl with 0 on top subscript 2 upwards arrow plus space 2 straight H subscript 2 straight O;

2 KMnO subscript 4 space plus space 16 HCl stack space equals with t on top space 2 KCl space plus space 2 MnCl subscript 2 space plus space 5 Cl subscript 2 upwards arrow plus space 8 straight H subscript 2 straight O.

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

img
Рис. 69.1. Получение хлора в лаборатории
img

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) equals with ⚡ on top 2Na + Cl2↑.

Подробнее процессы электролиза вы рассмотрите в главе «Металлы».

Для атомов фтора характерны степени окисления 0, –1; для хлора, брома и йода — –1, 0, +1, +3, +5, +7.

Галогены являются окислителями в реакциях с металлами и неметаллами, атомы которых имеют меньшую электроотрицательность.

В VIIА-группе окислительные свойства простых веществ галогенов ослабевают при переходе от фтора к йоду.

При галогенировании органических соединений протекают, как правило, реакции замещения либо присоединения.

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.