Print bookPrint book

§ 31. Соединения галогенов

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 31. Соединения галогенов
Printed by: Guest user
Date: Sunday, 26 May 2024, 9:32 AM

К важнейшим соединениям галогенов относят галогеноводороды состава НЭ (Э — элемент галоген) и их водные растворы — галогеноводородные кислоты, а также образуемые ими соли. Атомы в молекулах галогеноводородов связаны ковалентной полярной одинарной σ-связью. На рисунке 70 показано образование химической связи в молекуле HCl.

img
Рис. 70. Модели образования химической связи в молекуле хлороводорода
img
Рис. 71. Получение соляной
кислоты в лаборатории

Хлороводородная кислота

Хлороводородная (соляная) кислота HCl — крупнотоннажный продукт химической промышленности. Oна является водным раствором хлороводорода, который представляет собой бесцветный газ с резким запахом. Растворимость HCl при 20 °С составляет около 450 объёмов на 1 объём воды.

Концентрированная соляная кислота, содержащая 36–38 % хлороводорода и имеющая плотность 1,19 г/см3, дымит на воздухе, так как из неё выделяется газообразный хлороводород. Разбавленные растворы НСl не дымят.

В промышленности соляную кислоту получают растворением в воде хлороводорода. При этом хлороводород синтезируют из простых веществ:

H2 + Cl2 = 2HCl.

В лабораторных условиях хлороводород получают действием концентрированной серной кислоты на хлориды (NaCl или KCl) при нагревании (рис. 71):

NaCl subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space straight H subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis end subscript stack space equals space with t on top HCl not stretchy upwards arrow space plus space NaHSO subscript 4.

Химические свойства. Являясь сильным электролитом, хлороводородная кислота диссоциирует с образованием ионов водорода и хлорид-ионов:

HCl → H+ + Cl

и обладает всеми общими свойствами кислот: действует на индикаторы и образует соли (хлориды) при взаимодействии с металлами (1), основными и амфотерными оксидами (2), гидроксидами металлов (3), солями (4):

1 Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
металл
Fe0 + 2H+ = Fe2+ + H2
2 МgO + 2HCl = MgCl2 + H2O
оксид основный
MgO + 2H+ = Mg2+ + H2O
ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O
оксид амфотерный
ZnO + 2H+ = Zn2+ + H2O
3 КOH + HCl = КCl + H2O
основание (щёлочь)
H+ + OH = H2O
Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O
амфотерный гидроксид
3H+ + Al(OH)3 = Al3+ + 3H2O
4 Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2
соль
2H+ + CO subscript 3 superscript 2 minus end superscript = CO2↑ + H2О

К специфическим свойствам соляной кислоты следует отнести реакции, обусловленные наличием аниона Сl. Выделим два важнейших.

1. Реакции окисления хлорид-ионов. Ион хлора в составе хлороводородной кислоты имеет низшую степень окисления –1 и способен её повышать при потере электронов. Значит, за счёт ионов хлора кислота является восстановителем. Например, для получения хлора в лаборатории используют реакцию концентрированной соляной кислоты с сильными окислителями (МnO2, КМnO4, КClO3):

МnO subscript 2 plus space 4 straight H bold Cl with negative 1 on top space stack equals space with t on top MnCl subscript 2 space plus space bold Cl with 0 on top subscript 2 space end subscript plus space 2 straight H subscript 2 straight O.

2. Реакции связывания аниона Сl c катионами некоторых металлов, например свинца Pb2+, серебра Ag+ в растворе. Это иллюстрируют уравнения реакций:

2HCl + Pb(NO3)2 = PbCl2↓ + 2HNO3;
Pb2+ + 2Cl = PbCl2↓;
HCl + AgNO3 = AgCl↓ + HNO3;
Ag+ + Cl = AgCl↓.

Действие нитрата серебра(I) приводит к образованию белого творожистого осадка AgCl, что используют как тест (качественная реакция) на хлорид-ионы (Приложение 3).

Сопоставление свойств галогеноводородных кислот и их солей

Фтороводород HF является жидкостью при температурах ниже 19 °С, а HCl, HBr, HI — газообразные вещества при н. у. (табл. 23). Резкое отличие НF по агрегатному состоянию можно объяснить образованием водородных связей между полярными молекулами вещества: H—F … H—F … H—F … H—F.

Таблица 23. Галогеноводороды

Галогеноводороды HF HCl HBr HI
Длина связи, нм 0,092 0,128 0,141 0,161
Энергия связи, кДж/моль 565 431 364 297
Температура плавления, °С –83 –114 –87 –51
Температура кипения, °С 19,5 –85 –67 –35
Агрегатное состояние (при н. у.) Жидкость Газ Газ Газ
img
Качественное
определение
хлорид-, бромид-
и йодид-ионов

Ассоциаты молекул фтороводорода настолько прочны, что не разрушаются (присутствуют) даже в газовой фазе до 90 °С. Фтороводород обладает неограниченной растворимостью в воде. Его раствор является слабой кислотой (фтороводородная кислота): HF space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space plus space straight F to the power of –. Низкая сила кислоты НF обусловлена высокой прочностью (энергией) связи в молекуле.

ul

Плавиковая (фтороводородная) кислота способна разрушать («плавить») стекло Na2O CaO 6SiO2 в соответствии с уравнением:

6НF + SiO2 = H2SiF6 + 2H2O

или 4HF(г) + SiO2 equals with t on top SiF4↑ + 2H2O.

Остальные галогеноводороды хорошо растворимы в воде и представляют собой сильные кислоты: HBr → H++ Br; HI → H+ + I.

Большинство солей, образуемых этими кислотами, хорошо растворимы в воде. Для качественного определения в растворах хлорид-, бромид- и йодид-ионов используют реакцию с раствором нитрата серебра(I) AgNO3. При этом хлориды образуют белый творожистый осадок AgCl, бромиды — светло-жёлтый AgBr, йодиды — жёлтый AgI (табл. 24, Приложение 3):

Ag+ + Cl = AgCl↓; Ag+ + Br = AgBr↓; Ag+ + I = AgI↓.

Эти осадки не растворяются в азотной кислоте.

Нитрат серебра(I) не образует осадка с растворимыми фторидами, поэтому фторид-ионы определяют с помощью раствора CaCl2 (Приложение 3):

CaCl2 + 2NaF = CaF2↓ + 2NaCl; Ca2+ + 2F= CaF2↓.

Таблица 24. Качественные реакции на анионы галогеноводородных кислот

Название кислоты и её химическая формула Соли Качественные реакции на анионы
Ион Реактив Признак реакции
Фтороводородная (плавиковая) HF Фториды F
фторид
CaCl2 Белый осадок CaF2 img
Хлороводородная (соляная) HCl Хлориды Cl
хлорид
AgNO3 Белый творожистый осадок AgCl img
Бромоводородная HBr Бромиды Br
бромид
AgNO3 Светло-жёлтый осадок AgBr img
Йодоводородная HI Йодиды I
йодид
AgNO3 Жёлтый осадок AgI img

Применение галогенов и их соединений

Галогены находят широчайшее применение и как простые вещества, и в виде соединений. Это иллюстрируют данные таблицы 25.

Таблица 25. Применение галогенов и некоторых их соединений

Галоген Соединение Важнейшие области применения
Фтор Na3[AlF6] (криолит) Производство алюминия
NaF (фторид натрия) Добавка к зубным пастам. Медицинский препарат
НF (плавиковая кислота) Стекольная промышленность. Производство алюминия
begin mathsize 14px style number space left parenthesis long dash CF subscript 2 minus CF subscript 2 long dash right parenthesis subscript n left parenthesis тефлон right parenthesis end style Термостойкий полимер. Антипригарное покрытие для сковородок, утюгов
Хлор Cl2 (хлор)

Обеззараживание питьевой воды. Отбеливание льняных и хлопчатобумажных тканей.

Органический синтез. Извлечение цветных металлов из руды. Получение соляной кислоты

NaClO (гипохлорит натрия) Компонент отбеливающих средств
НCl (соляная кислота) Химическая промышленность
NaCl (галит) Пищевая добавка. Сырьё для производства хлора, натрия, гидроксида натрия
Бром Br2 (бром) Органический синтез: производство антипиренов (ингибиторы горения), каучука, средств защиты растений. Производство медицинских препаратов
Йод I2 (йод) Медицина — спиртовой раствор (5–10 %). Фармацевтическая промышленность
img

Хлор содержится в очень опасном для жизни и здоровья веществе — диоксине, который может образоваться в результате реакций органических веществ и хлора при повышенной температуре. Органические соединения хлора и фтора (например, фреоны) учёные считают одной из причин разрушения озонового слоя Земли.

Растворы галогеноводородов являются кислотами.

Хлороводород получают синтезом из простых веществ либо действием концентрированной серной кислоты на твёрдый хлорид натрия.

Соляная кислота является окислителем за счёт водорода и восстановителем за счёт хлора.

Обнаружить хлорид-, бромид- и йодид-ионы можно с помощью раствора нитрата серебра(I). Нерастворимые галогениды серебра различаются цветом: AgCl — белый, AgBr — светло-жёлтый, AgI — жёлтый.

Вопросы, задания, задачи

1. Запишите химические формулы и назовите агрегатное состояние галогеноводородов при нормальных условиях.

2. Из перечня Mg(OH)2, FeCl2, FeCl3, Fe(NO3)3, HBr, HCl, MgCl2, ZnSO4 выпишите формулы и назовите вещества, которые при действии раствора AgNO3 образуют белый творожистый осадок.

3. Определите степени окисления атомов в соединениях: KClO3, HClO4, Cl2, KCl. В котором из них атомы хлора могут выступать только в роли восстановителя?

4. Определите массу хлороводорода в порции соляной кислоты массой 50 г с массовой долей вещества 12 %.

5. Рассчитайте объём хлороводорода (н. у.), который может выделиться при действии концентрированной серной кислоты на хлорид натрия массой 100 г.

6. Запишите химические формулы веществ, реагирующих с соляной кислотой: медь, оксид меди(II), оксид кальция, оксид углерода(IV), железо, гидроксид цинка, сульфат натрия, карбонат натрия. Объясните свой выбор. Составьте уравнения соответствующих реакций.

7. Предложите план экспериментального определения растворов йодида калия, бромида натрия и фторида натрия, находящихся в пронумерованных пробирках, используя:

  • а) реакции замещения;
  • б) реакции обмена.

Запишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и ионной формах.

8. Объясните причины нарушения последовательного изменения температур кипения галогеноводородов на рисунке 44 в § 17.

9. Определите массовую долю вещества в растворе, полученном при растворении хлороводорода объёмом 40 дм3 (н. у.) в воде объёмом 120 см3.

10. Для получения брома газообразный хлор пропустили через раствор массой 2 кг с массовой долей бромида калия 0,12 %. Рассчитайте массу полученного брома.

*Самоконтроль

1. Самой слабой кислотой является:

  • а) НF;
  • б) HBr;
  • в) HCl;
  • г) HClO4.

2. Водный раствор фтороводорода содержит частицы:

  • а) F;
  • б) Н+;
  • в) НF;
  • г) F2.

3. Соляная кислота реагирует с:

  • а) Нg;
  • б) AgNO3;
  • в) Cu(ОН)2;
  • г) Al.

4. Белый творожистый и жёлтый осадок соответственно при взаимодействии с нитратом серебра(I) образуют:

  • а) NaBr и KI;
  • б) KCl и KI;
  • в) NaCl и HCl;
  • г) HI и KI.

5. Газообразный хлороводород можно получить взаимодействием:

  • а) Н2 и Cl2;
  • б) NaCl(р-р) и H2SO4(р-р);
  • в) KCl(р-р) и H2SO4(р-р);
  • г) NaCl(тв) и H2SO4(конц).