§ 25. Галогены

Определения и обозначения

Галогены — элементы 17-й группы периодической таблицы, образующие простые вещества из двухатомных молекул. Название переводят как «рождающие соли»: так называют элементы, потому что многие из них реагируют с металлами с образованием солей. К основным изучаемым галогенам относятся фтор F, хлор Cl, бром Br и йод I.

Галогенид-ионы — отрицательно заряженные ионы галогенов, которые образуются, когда атом присоединяет один электрон. Например, атом хлора превращается в хлорид-ион Cl⁻. Это обозначение нужно, чтобы отличать заряженную частицу в составе соли от нейтрального атома или молекулы хлора.

Галогеноводороды — соединения, состоящие из водорода и галогена. Примеры — хлороводород HCl и фтороводород HF. Эти формулы показывают состав соединения и помогают отличить его от простого вещества галогена, например Cl₂.

Галогенидные соли — соединения из положительно заряженных ионов металла и отрицательно заряженных галогенид-ионов. Например, NaCl состоит из ионов Na⁺ и Cl⁻, заряды которых взаимно компенсируются. При составлении формулы соли нужно подобрать соотношение ионов так, чтобы соединение в целом было нейтральным.

Как это устроено

Положение галогенов в 17-й группе связано со строением их атомов: на внешнем электронном слое у них семь электронов. Для завершения внешнего слоя не хватает одного электрона, поэтому атомы часто присоединяют его и превращаются в галогенид-ионы с зарядом −1. Такая склонность объясняет, почему галогены активно вступают в реакции и образуют соединения с металлами.

В простом веществе два атома галогена объединяются в молекулу, поэтому его формулу записывают с индексом ₂: F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Каждый атом участвует в образовании связи с другим атомом того же элемента, а не существует в виде отдельной частицы. Индекс относится именно к молекуле простого вещества; в формулах солей, например NaCl, его наличие определяется уже составом и соотношением ионов.

При движении сверху вниз по группе атомы становятся крупнее, а притяжение внешней области одного атома к соседнему ослабевает. Поэтому молекулы легче удерживаются рядом друг с другом, летучесть галогенов уменьшается. Видимый результат — постепенное потемнение окраски и смена агрегатного состояния: фтор и хлор являются газами, бром — жидкостью, йод — твёрдым веществом при комнатной температуре.

Окислительная способность — способность частицы принимать электроны; у галогенов она уменьшается сверху вниз по группе. По этой причине ряд активности простых веществ убывает: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂. Более активный галоген может отнять электроны у галогенид-ионов менее активного галогена, поэтому вытесняет его из раствора соли; обратное вытеснение в этих условиях не происходит.

При реакции с металлами атомы галогена принимают электроны, а атомы металла их отдают; противоположные заряды ионов притягиваются, образуя галогенидную соль. Например, натрий и хлор дают хлорид натрия NaCl. С водородом галогены образуют галогеноводороды: формула HF показывает соединение водорода с фтором, а HCl — с хлором. Такие реакции иллюстрируют, как стремление атомов получить устойчивый внешний электронный слой приводит к образованию новых веществ.

Сравнение простых веществ — галогенов

Сравнивайте вещества по одному свойству: например, сначала найдите их состояние при комнатной температуре, затем проследите изменение активности. Строка о свойствах вниз по группе объединяет общую закономерность, а не означает, что все галогены имеют одинаковые значения. Уравнения показывают примеры солей, возникающих при реакции галогенов с металлом.

Разбор задач

1. Формулы простых веществ

Условие. Запишите формулы простых веществ, образованных фтором, хлором, бромом и йодом. Нужно учесть, сколько атомов входит в состав молекулы каждого вещества. Для ответа используем символы элементов и правило о двухатомности молекул галогенов.

1. Определяем символы элементов: фтор — F, хлор — Cl, бром — Br, йод — I. Каждый символ обозначает один атом соответствующего элемента.
2. Для простого вещества галогена записываем два одинаковых атома в одной молекуле. Поэтому к каждому символу добавляем индекс ₂.
3. Проверяем, что во всех четырёх формулах указано по два атома одного элемента. Индекс ставится справа внизу и не меняет сам символ элемента.

Ответ: F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Это формулы молекул простых веществ, а не обозначения отдельных атомов. Например, Cl — атом хлора, а Cl₂ — молекула простого вещества хлора.

2. Реакция хлора с натрием

Условие. Составьте уравнение реакции хлора с натрием и назовите продукт. Натрий образует ион Na⁺, а хлор принимает электрон и образует Cl⁻. Сначала по зарядам устанавливаем формулу нейтральной соли, затем уравниваем число атомов.

1. Складываем ионы Na⁺ и Cl⁻ в соотношении 1:1: их заряды +1 и −1 взаимно компенсируются. Формула соли — NaCl.
2. Записываем схему реакции Na + Cl₂ → NaCl. В молекуле хлора два атома, поэтому справа перед NaCl ставим коэффициент 2.
3. Теперь справа два атома натрия, значит, слева ставим коэффициент 2 перед Na. Проверяем: по обе стороны два атома Na и два атома Cl.

Ответ: 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Образуется хлорид натрия — галогенидная соль. Индексы формулы NaCl не изменяются при уравнивании; число частиц указывают коэффициентами перед формулами.

3. Хлор и раствор бромида калия

Условие. В раствор бромида калия пропустили хлор. Нужно определить, возможна ли реакция, и записать уравнение. Для решения сравниваем активность двух галогенов, а затем проверяем, какие частицы присутствуют в растворе.

1. Хлор расположен выше брома в ряду активности, поэтому он активнее. Более активный галоген способен вытеснить менее активный из раствора его соли.
2. Бромид калия имеет формулу KBr; в растворе есть ионы K⁺ и Br⁻. Хлор превращается в хлорид-ионы, а бромид-ионы становятся молекулами Br₂.
3. Записываем схему Cl₂ + KBr → KCl + Br₂ и уравниваем её: ставим 2 перед KBr и KCl. Проверка показывает по два атома K, Br и Cl с каждой стороны.

Ответ: реакция произойдёт: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Хлор вытесняет бром из раствора его соли. Если бы в раствор соли хлорида добавили бром, он не смог бы вытеснить более активный хлор.

Типичные ошибки

Ошибка: записывать простое вещество символом элемента без индекса ₂. Её допускают, когда путают атом с молекулой: Cl обозначает атом, а Cl₂ — молекулу хлора. Проверяйте, относится ли формула к простому веществу галогена; если да, в ней должны быть два атома одного элемента.

Ошибка: считать, что активность увеличивается сверху вниз по группе. Это происходит, если переносить на химическую активность закономерности изменения агрегатного состояния или плотности. Проверяйте направление по ряду F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂: окислительная способность уменьшается к йоду.

Ошибка: путать галоген с галогенид-ионом. Нейтральный атом и отрицательный ион отличаются числом электронов и зарядом, хотя обозначения основаны на символе одного элемента. Чтобы проверить запись, укажите заряд: Cl — атом, а Cl⁻ — хлорид-ион, который получил один электрон.

Ошибка: составлять формулу соли без проверки зарядов. Например, случайное соотношение ионов может оставить соединение заряженным, хотя формула соли должна соответствовать электрически нейтральному веществу. Запишите заряды катиона и галогенид-иона, подберите их количество до нулевой суммы и проверьте результат; для Na⁺ и Cl⁻ подходит NaCl.

Связь с другими темами

Чтобы понять склонность галогенов присоединять электрон, нужно знать строение атома, электронные оболочки и устройство периодической таблицы. Объяснение образования солей опирается на понятия ионной связи и окислительно-восстановительных реакций: одни частицы отдают электроны, другие принимают. Представления о химической активности помогают сравнивать вещества и предсказывать вытеснение из растворов. Эти знания пригодятся при изучении кислот, солей и химических свойств неметаллов.

Что запомнить

• Галогены — элементы 17-й группы периодической таблицы.
• Молекулы простых веществ галогенов двухатомны.
• Атом галогена склонен присоединять один электрон.
• Вниз по группе окраска галогенов темнеет, а агрегатное состояние меняется от газообразного к твёрдому.
• Окислительная способность галогенов убывает сверху вниз по группе.
• Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли.