"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Галогены — элементы 17-й группы: фтор, хлор, бром и йод. Их атомам не хватает одного электрона до завершения внешнего уровня, поэтому они легко вступают в реакции и образуют соединения с металлами и водородом. Простые вещества галогенов состоят из двухатомных молекул, а их способность окислять другие вещества ослабевает от фтора к йоду. Эти закономерности помогают предсказывать реакции и объяснять получение галогенидов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Галогены — элементы 17-й группы периодической системы, образующие простые вещества с формулами F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. Это название объединяет фтор, хлор, бром и йод, свойства которых закономерно меняются в группе. Формулы с индексом 2 показывают, что частицы простых веществ состоят из двух атомов.
Галогениды — бинарные соединения галогенов с металлами и водородом, в которых галоген имеет степень окисления −1. Например, NaCl и KBr — галогениды металлов, а HCl — галогеноводород. Понятие помогает отличать соединения от свободных галогенов и определять состав солей.
Галогеноводороды — соединения галогенов с водородом общей формулы HX. Буква X обозначает любой галоген, поэтому возможны HF, HCl, HBr и HI. Эта запись удобна, когда речь идёт об их общих свойствах и реакциях.
Галогеноводородные кислоты — водные растворы галогеноводородов, проявляющие кислотные свойства. Например, газообразный HCl — галогеноводород, а его раствор в воде — соляная кислота. Различие важно: свойства раствора нельзя автоматически приписывать чистому газу.
У атомов галогенов на внешнем энергетическом уровне семь электронов: два на s-подуровне и пять на p-подуровне. До устойчивой конфигурации из восьми электронов недостаёт одного, поэтому атомы часто присоединяют электрон и образуют ион X⁻. Так объясняется характерная степень окисления −1 в галогенидах, например в NaCl.
Для завершения внешнего уровня два атома галогена могут поделиться парой электронов и образовать одну ковалентную связь. Поэтому простые вещества имеют двухатомные молекулы, а не отдельные атомы. Вниз по группе электронные оболочки становятся больше, межмолекулярное притяжение усиливается: фтор и хлор — газы, бром — жидкость, йод — твёрдое вещество; окраска также темнеет.
Чтобы окислить другое вещество, галоген должен принять электроны. У фтора атомный радиус меньше, поэтому присоединяемый электрон сильнее притягивается ядром; вниз по группе радиус растёт, а притяжение ослабевает. Поэтому окислительная способность убывает от F₂ к I₂: фтор активнее хлора, хлор — брома, а бром — йода.
При реакции с металлами галогены принимают электроны, которые отдают атомы металла, и образуют галогениды: 2Na + Cl₂ → 2NaCl. С водородом они образуют галогеноводороды, например H₂ + Cl₂ → 2HCl. Эти уравнения показывают передачу электронов и помогают увидеть, почему в соединениях галоген обычно имеет степень окисления −1.
Более активный галоген способен принять электроны у ионов менее активного галогена и вытеснить его из раствора соли. Например, Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂: хлор превращается в Cl⁻, а Br⁻ — в Br₂. При составлении уравнения сначала записывают формулы реагентов и продуктов по правилу активности, затем расставляют коэффициенты, чтобы число атомов каждого элемента совпадало.
| Свойство | Фтор F₂ | Хлор Cl₂ | Бром Br₂ | Йод I₂ |
|---|---|---|---|---|
| Электронная конфигурация внешнего уровня атома | 2s²2p⁵ | 3s²3p⁵ | 4s²4p⁵ | 5s²5p⁵ |
| Формула и агрегатное состояние простого вещества при обычных условиях | F₂, газ | Cl₂, газ | Br₂, жидкость | I₂, твёрдое вещество |
| Окраска простого вещества | Бледно-жёлтая | Жёлто-зелёная | Красно-бурая | Тёмно-серая; пары фиолетовые |
| Изменение окислительной способности | Наибольшая | Меньше, чем у F₂ | Меньше, чем у Cl₂ | Наименьшая |
| Реакция с металлами | Образует фториды | Образует хлориды | Образует бромиды | Образует иодиды |
| Реакция с водородом | Реагирует очень энергично, образуя HF | Реагирует, образуя HCl | Реагирует при нагревании, образуя HBr | Реагирует при нагревании обратимо, образуя HI |
| Вытеснение из растворов солей других галогенов | Вытесняет Cl⁻, Br⁻ и I⁻ | Вытесняет Br⁻ и I⁻ | Вытесняет I⁻ | Не вытесняет другие галогениды |
Таблица показывает общие тенденции: вниз по группе темнеет окраска и уменьшается окислительная способность. Чтобы предсказать вытеснение, сравните галогены: свободное вещество должно стоять выше того, чей ион входит в соль. Условия реакции с водородом различаются, поэтому не следует считать все взаимодействия одинаково быстрыми.
Внешний уровень содержит семь электронов: 3s²3p⁵. Такой внешний уровень характерен для галогенов, а номер третьего уровня указывает на третий период.
Галоген третьего периода — хлор, символ Cl. Как простое вещество он существует в виде двухатомных молекул, поэтому формула — Cl₂.
Атому хлора проще принять один электрон до завершения внешнего уровня. Его наиболее характерный ион — Cl⁻.
Ответ: хлор; Cl₂; Cl⁻.
При соединении водорода с хлором образуется хлороводород. Ставим коэффициент 2 перед HCl, чтобы уравнять атомы водорода и хлора: H₂ + Cl₂ → 2HCl.
В реакции с водой хлор образует соляную и хлорноватистую кислоты: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO. Степень окисления части атомов хлора меняется с 0 на −1, а остальных — с 0 на +1, поэтому это диспропорционирование.
С холодным раствором NaOH хлор образует хлорид и гипохлорит натрия: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Хлор одновременно восстанавливается до −1 и окисляется до +1; коэффициенты проверяют по числу атомов всех элементов.
Ответ: H₂ + Cl₂ → 2HCl; Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO; Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.
Хлор активнее брома и вытесняет его из соли: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. По уравнению два моля KBr дают один моль Br₂, а хлор в избытке не ограничивает выход продукта.
Находим количество KBr: M(KBr) = 39 + 80 = 119 г/моль; n(KBr) = 20 / 119 ≈ 0,168 моль. Тогда n(Br₂) = 0,168 / 2 ≈ 0,084 моль.
Молярная масса Br₂ равна 160 г/моль. Масса брома: m(Br₂) = 0,084 × 160 ≈ 13,4 г.
Ответ: образуется примерно 13,4 г Br₂.
Записывать простое вещество как F, Cl, Br или I — ошибка: так обозначают атомы, а простые вещества состоят из молекул F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. Путаница возникает, когда символ элемента принимают за формулу вещества. Проверьте, идёт ли речь об атоме или о свободном веществе в уравнении.
Считать, что активность галогенов возрастает вниз по группе, — значит перепутать направление изменения свойства. Радиус растёт, а способность принимать электрон и окислять уменьшается от фтора к йоду. Перед реакцией вытеснения сверяйте порядок F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.
Галогенид — не то же самое, что простое вещество галогена: в галогениде галоген обычно имеет степень окисления −1. Ошибка появляется, если не различать соль KCl и молекулу Cl₂. Проверка проста: определите, связан ли галоген с другим элементом и какова его степень окисления.
В реакциях хлора с водой и щёлочью нельзя записывать только образование одного продукта или считать, что меняется степень окисления лишь части вещества. Хлор диспропорционирует: одни его атомы восстанавливаются, другие окисляются. Проверьте уравнение по степеням окисления, затем уравняйте число атомов и заряд.
Для этой темы нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях, периодическом законе, степенях окисления и составлении уравнений. Закономерности галогенов помогают при изучении кислот, солей, окислительно-восстановительных реакций и качественных реакций на галогенид-ионы. Они также объясняют способы получения хлора, брома и йода, их применение и биологическую роль.
Почему галогены существуют в виде двухатомных молекул?
У каждого атома галогена на внешнем уровне семь электронов, и для устойчивого внешнего уровня ему не хватает одного. Два атома образуют общую электронную пару, поэтому молекула содержит два атома: F₂, Cl₂, Br₂ или I₂.
Почему фтор активнее хлора, а хлор активнее брома и йода?
При движении вниз по группе радиус атома увеличивается, и притяжение присоединяемого электрона к ядру ослабевает. Поэтому способность принимать электроны и окислять другие вещества уменьшается в ряду F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.
Почему йод не вытесняет хлор из раствора хлорида натрия?
Йод — более слабый окислитель, чем хлор, поэтому он не может окислить хлорид-ионы до свободного хлора. Вытеснение возможно только в направлении от более активного галогена к менее активному.
Чем галогеноводород отличается от галогеноводородной кислоты?
Галогеноводород — соединение водорода с галогеном формулы HX, например HCl. Галогеноводородная кислота — водный раствор такого вещества; именно в растворе оно проявляет кислотные свойства.
Почему хлор в реакции с водой проявляет сразу два разных свойства?
В реакции Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO один атом хлора принимает электроны и переходит в степень окисления −1, а другой отдаёт электроны и переходит в +1. Это диспропорционирование: один и тот же элемент одновременно восстанавливается и окисляется.
§ 25. Галогены
