§ 31. Соединения галогенов

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.

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):

.

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+ + = 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):

.

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

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): . Низкая сила кислоты НF обусловлена высокой прочностью (энергией) связи в молекуле.

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
Хлороводородная (соляная)	HCl	Хлориды	Cl– хлорид	AgNO3	Белый творожистый осадок AgCl
Бромоводородная	HBr	Бромиды	Br– бромид	AgNO3	Светло-жёлтый осадок AgBr
Йодоводородная	HI	Йодиды	I– йодид	AgNO3	Жёлтый осадок AgI

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
		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

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.

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 H₂SO_4(р-р);
• в) KCl_(р-р) и H₂SO_4(р-р);
• г) NaCl_(тв) и H₂SO_4(конц).