§ 30. Галагены

Галагены як хімічныя элементы

Да галагенаў адносяць пяць элементаў VIIА-групы перыядычнай сістэмы: фтор F, хлор Сl, бром Вr, ёд I і астат At.

Атамы галагенаў утрымліваюць па 7 электронаў на знешнім электронным слоі, агульная электронная канфігурацыя якога ns²np⁵, гэта значыць галагены з’яўляюцца р-элементамі (Дадатак 1). Электроннаграфічныя схемы знешняга электроннага слоя атамаў фтору і хлору выглядаюць наступным чынам:

₉F

₁₇Cl

Пры гэтым на знешнім электронным слоі ў атама фтору чатыры арбіталі, а атамы астатніх галагенаў змяшчаюць яшчэ пяць незапоўненых d-арбіталей.

Фтор як самы электраадмоўны элемент у злучэннях праяўляе толькі адмоўную ступень акіслення –1. Характэрныя для іншых элементаў ступені акіслення (–1, +1, +3, +5, +7) можна растлумачыць магчымасцю распарвання электронаў знешняга электроннага слоя. У выпадку атамаў хлору гэта выглядае так:

Cl
Ступені акіслення +1, –1, 0

Cl^**
Ступень акіслення +5

Cl^*
Ступень акіслення +3

Cl^***
Ступень акіслення +7

Прыкладамі злучэнняў з рознымі ступенямі акіслення хлору могуць служыць вядомыя вам рэчывы: (галіт), (берталетава соль), (хлорная кіслата).

У прыродзе галагены існуюць у выглядзе злучэнняў з іншымі элементамі (табл. 21, мал. 68). Фтор і хлор належаць да дваццаці самых распаўсюджаных элементаў у зямной кары.

Табліца 21. Хімічныя элементы галагены

Галагены як простыя рэчывы

Будова простых рэчываў. Простыя рэчывы галагены складаюцца з двухатамных малекул, атамы ў якіх звязаны кавалентнай непалярнай σ-сувяззю (мал. 69).

У радзе галагенаў F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂ з павелічэннем памераў малекул павялічваюцца сілы міжмалекулярнага ўзаемадзеяння, таму ў групе з павелічэннем атамнага нумара элемента павышаюцца тэмпературы плаўлення і кіпення простых рэчываў галагенаў. Так, пры пакаёвай тэмпературы фтор і хлор — газы, бром — вадкасць, ёд — цвёрдае рэчыва (табл. 22).

Табліца 22. Фізічныя ўласцівасці галагенаў

Рэчыва	Фтор F2	Хлор Cl2	Бром Вr2	Ёд I2
Маштабныя мадэлі малекул
Tпл., °С	–220	‒101	‒7	+113,5
Tкіп., °С	–188	‒34	+58	+184
Агрэгатны стан пры пакаёвай тэмпературы	Газ	Газ	Вадкасць	Цвёрдае рэчыва
Колер	Светла-жоўты	Жоўта-зялёны	Чырвона-буры	Цёмна-шэры
Пах	Рэзкі, раздражняльны	Рэзкі, задушлівы	Рэзкі, смуродны	Рэзкі

Растваральнасць у вадзе хлору, брому і ёду ўмераная. Іх водныя растворы, якія выкарыстоўваюцца ў лабараторнай практыцы, называюць хлорнай, бромавай і ёднай вадой. Растваральнасць галагенаў значна вышэйшая ў непалярных і малапалярных арганічных растваральніках — бензоле С₆Н₆, тэтрахлорметане ССl₄, этаноле С₂Н₅ОН.

Хімічныя ўласцівасці

1. Рэакцыі з металамі. Найбольш актыўны з галагенаў фтор. Ужо пры пакаёвай тэмпературы ён рэагуе з большасцю металаў:

Хлор пры награванні рэагуе з серабром, золатам, плацінай і іншымі металамі:

Для дасягнення заўважнай скорасці рэакцыі іншых галагенаў з металамі звычайна таксама патрабуецца папярэдняе награванне металу.

Звернем увагу на тое, што простыя рэчывы хлор і бром з-за высокай акісляльнай здольнасці ўтвараюць з жалезам злучэнні , , у той час як дзеянне салянай кіслаты на жалеза прыводзіць да ўтварэння .

2. Рэакцыі з вадародам:

• а) фтор узаемадзейнічае пры пакаёвай тэмпературы: ;
• б) хлор рэагуе пры падпальванні або ўздзеянні ультрафіялетавага выпраменьвання: ;
• в) бром рэагуе пры награванні: , реакция обратима;
• г) ёд уступае ў рэакцыю павольна нават пры награванні, рэакцыя абарачальная: .

Такім чынам, рэакцыйная здольнасць у адносінах да вадароду зніжаецца ў радзе галагенаў F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂.

3. Рэакцыі з растворамі солей галагенавадародных кіслот. У водных растворах галагенавадародных кіслот, а таксама іх солей больш электраадмоўны галаген выцясняе менш электраадмоўны. Так, хлор выцясняе бром і ёд, напрыклад:

.

Бром выцясняе толькі ёд з раствораў ёдыду:

.

Здольнасць больш актыўных галагенаў выцясняць менш актыўныя з іх злучэнняў выкарыстоўваецца на практыцы. Напрыклад, бром і ёд атрымліваюць пры дзеянні хлору на іх злучэнні.

Фтору рэакцыя выцяснення з раствораў менш актыўных галагенаў не ўласцівая, бо фтор уступае ў рэакцыю з вадой.

Фтор з вадой рэагуе, акісляючы атамы кіслароду ў малекулах вады:

2F₂ + 2H₂O = 4HF + O₂↑.

Пры растварэнні хлору ў вадзе працякае абарачальная рэакцыя: . Утвораны раствор называюць хлорнай вадой. Аналагічна адбываецца растварэнне ў вадзе брому і ёду, але раўнаважкія канцэнтрацыі прадуктаў памяншаюцца ў радзе Cl₂ — Br₂ — I₂.

4. Рэакцыі з арганічнымі рэчывамі. Галагенаванне арганічных злучэнняў адбываецца часцей за ўсё ў рэакцыях замяшчэння (насычаныя і араматычныя вуглевадароды) або далучэння (ненасычаныя і араматычныя вуглевадароды). Напрыклад:

• • хлараванне метану: (рэакцыя замяшчэння);
• • брамаванне бензолу: (рэакцыя замяшчэння);
• • узаемадзеянне бромавай вады з фенолам:

 + 3HBr (рэакцыя замяшчэння);

• • хлараванне этылену:  (рэакцыя далучэння).

З курсаў біялогіі і арганічнай хіміі вам таксама вядома, што ёд узаемадзейнічае з растворам крухмалу, утвараючы злучэнне сіняга колеру, а бромавую ваду выкарыстоўваюць як рэагент на алкены, фенол, анілін.

5. Узаемадзеянне хлору са шчолачамі. У залежнасці ад умоў правядзення рэакцыі ўтвараюцца розныя прадукты. Так, пры ўзаемадзеянні з халодным растворам шчолачы хлор утварае солі хларыд і гіпахларыт:

а з гарачым растворам — хларыд і хларат:

Гіпахларыт натрыю шырока ўжываецца для дэзынфекцыі сцёкавых вод, вады ў сістэмах водазабеспячэння і плавальных басейнаў, у харчовай і цэлюлозна-папяровай прамысловасці, медыцыне.

6. Асаблівасці хімічных уласцівасцей фтору. Фтор, у адрозненне ад іншых галагенаў, якія не ўзаемадзейнічаюць з кіслародам, рэагуе з ім, аднак працэс працякае толькі пад дзеяннем электрычнага разраду пры −196 °С:

У гэтым злучэнні атамы фтору маюць ступень акіслення −1, атамы кіслароду як менш электраадмоўнага элемента маюць дадатную ступень акіслення +1. Таму O₂F₂ называюць фтарыдам кіслароду(I).

Вада пры судакрананні са фторам гарыць. Састаў прадуктаў залежыць ад умоў працякання рэакцыі. Сярод прадуктаў заўсёды выяўляюць фторавадарод і кісларод:

.

У атмасферы фтору акісляецца нават плаціна: . Аднак некаторыя металы (Mg, Al, Ni, Cu) устойлівыя да дзеяння фтору за кошт утварэння шчыльнай плёнкі фтарыду на паверхні металу.

Пад ціскам ці пры дзеянні ўльтрафіялетавага выпраменьвання фтор рэагуе з крыптонам і ксенонам з утварэннем фтарыдаў высакародных газаў.

Біялагічнае значэнне галагенаў і іх злучэнняў

Злучэнні галагенаў выконваюць значную ролю ў жыццядзейнасці арганізмаў чалавека і жывёл.

Фтор удзельнічае ў будове касцявога шкілета і зубной эмалі, у працэсах абмену рэчываў у мышцах, залозах, нервовай тканцы. Пры недастатковым утрыманні фтору ў прадуктах харчавання і пітной вадзе адбываецца пашкоджанне зубной эмалі. Лішак фтору таксама дрэнна ўздзейнічае: прыводзіць да разбурэння зубной эмалі і шкілета.

Хлор уваходзіць у састаў салянай кіслаты як кампанента страўнікавага соку і забяспечвае страваванне ежы, удзельнічае ў абмене рэчываў. Пастаянная канцэнтрацыя кіслаты ў страўніку падтрымліваецца за кошт кухоннай солі, якая паступае ў арганізм з прадуктамі харчавання.

Бром рэгулюе працэсы ўзбуджэння і тармажэння цэнтральнай нервовай сістэмы. Менавіта таму пры лячэнні нервовых хвароб (бяссонніцы, істэрыі, неўрастэніі ды інш.) выкарыстоўваюць бромзмяшчальныя прэпараты.

Ёд адыгрывае значную ролю ў працы шчытападобнай залозы. Найважнейшай функцыяй выпрацаваных у ёй гармонаў з’яўляецца рэгуляцыя працы мозгу і сэрца, мускульнага ўзбуджэння. Недахоп ёду прыводзіць да павелічэння шчытападобнай залозы, запаволення разумовага і фізічнага развіцця.

Вельмі важна з прадуктамі харчавання атрымліваць дастатковую колькасць кожнага мікраэлемента, бо іх недахоп можа стаць пагрозай здароўю.

Фтор, бром, ёд утрымліваюцца ў наступных прадуктах харчавання.

F	Лісце салаты, шпінат, яблыкі, грэйпфруты, збожжавыя, рыс, бульба, арэхі, цыбуля, чай; прадукты жывёльнага паходжання: марская рыба і морапрадукты, курыца, яйкі, малако, мяса і субпрадукты
Br	Бабовыя: фасоля, гарох, сачавіца; арэхі, збожжавыя, марскія водарасці
I	Морапрадукты: марская капуста, рыба; малочныя прадукты: малако, сыр, тварог; гародніна: бульба, морква, буракі, цыбуля, памідоры, шпінат, бабовыя; садавіна і ягады: яблыкі, слівы, вінаград, вішні, суніцы; крупы: проса, грэчка

*Атрыманне хлору ў лабараторыі і прамысловасці

Для атрымання хлору ў лабараторыі выкарыстоўваюць рэакцыю канцэнтраванай салянай кіслаты з моцнымі акісляльнікамі (МnO₂, KМnO₄, KClO₃) (мал. 69.1):

;

.

Каб выдаліць следавыя колькасці хлоравадароду, атрыманы газ прапускаюць праз ваду, а для выдалення пароў вады — праз канцэнтраваную серную кіслату.

Упершыню хлор атрымаў шведскі хімік Карл Вільгельм Шэеле (1742–1786) пры ўзаемадзеянні мінералу піралюзіту, г. зн. аксіду марганцу(IV), і салянай кіслаты ў 1774 годзе. Вучонаму належыць гонар адкрыцця мноства неарганічных і арганічных рэчываў.

У прамысловасці хлор атрымліваюць у асноўным электролізам воднага раствору хларыду натрыю. Пры гэтым на анодзе вылучаецца хлор, а на катодзе — вадарод.

Хлор таксама ўтвараецца пры электролізе расплаву хларыду натрыю:

2NaCl_{(расплаў)}  2Na + Cl₂↑.

Больш падрабязна працэсы электролізу вы разгледзіце ў раздзеле «Металы».

Пытанні, заданні, задачы

1. Укажыце:

• а) сімвалы элементаў галагенаў;
• б) формулы простых рэчываў галагенаў;
• в) біялагічную ролю кожнага з галагенаў;
• г) па тры прадукты харчавання, якія ўтрымліваюць у значнай колькасці фтор, бром, ёд.

2. Для рада рэчываў F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂ пакажыце заканамернасць змены:

• а) тэмпературы плаўлення;
• б) тэмпературы кіпення;
• в) актыўнасці ў рэакцыі з вадародам;
• г) актыўнасці ў рэакцыі з металамі. Дайце тлумачэнні.

3. Разлічыце адносную шчыльнасць хлору па паветры.

4. Балон змяшчае 15 кг вадкага хлору. Разлічыце яго колькасць.

5. Складзіце формулы электронных канфігурацый атамаў фтору і хлору. Пакажыце падабенства і адрозненне ў электроннай будове гэтых атамаў.

6. Бром масай 4 г растварылі ў вадзе аб’ёмам 250 см³. Разлічыце масавую долю брому ў бромавай вадзе.

7. Складзіце ўраўненні рэакцый:

• а) хлору з жалезам, натрыем, ёдыдам натрыю, этанам;
• б) брому з жалезам, алюмініем, ёдыдам натрыю, бензолам;
• в) бромавай вады з ёдыдам алюмінію, этыленам, фенолам, анілінам.

8. У балоне змяшчаецца звадкаваны хлор масай 50 кг. Вызначце, які аб’ём зойме хлор пры н. у.

9. Вызначце хімічную формулу солі, у якой масавая доля калію складае 31,836 %, хлору — 28,980 %, кіслароду — 39,184 %. Вызначце ступені акіслення атамаў.

10. У пранумараваных прабірках знаходзяцца растворы фенолу, ёдыду натрыю, хларыду калію. Прапануйце план распазнання рэчываў з дапамогай аднаго рэактыву. Складзіце ўраўненні адпаведных рэакцый.

*Самакантроль

1. Дадатныя ступені акіслення не праяўляюць атамы элемента з канфігурацыяй знешняга электроннага ўзроўню:

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

2. Адносна раду галагенаў F₂ — Cl₂ — Br₂ — I₂ справядлівымі з’яўляюцца сцвярджэнні:

• а) павялічваецца даўжыня сувязі ў малекулах простых рэчываў;
• б) хімічная актыўнасць павышаецца;
• в) тэмпература кіпення простых рэчываў узрастае;
• г) узрастае адносная шчыльнасць пароў рэчыва па паветры.

3. Простае рэчыва хлор рэагуе з рэчывамі:

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

4. Рэакцыя працякае пры прапусканні праз бромавую ваду газаў:

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

5. Сума каэфіцыентаў ва ўраўненні рэакцыі жалеза з хлорам роўная:

• а) 4;
• б) 5;
• в) 6;
• г) 7.