§ 22. Галогены

Определения и обозначения

Галогены — элементы 17-й группы: фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I и астат At. Название происходит от греческих слов «соль» и «рождаю», потому что эти элементы образуют соли с металлами. Такое положение в таблице связано с семью электронами на внешнем уровне.

Галоген — название отдельного химического элемента этой группы, например хлор как элемент обозначают Cl. Простое вещество, образованное хлором, записывают Cl₂ и называют хлором. Различие нужно, чтобы не смешивать свойства атомов элемента и свойства вещества, состоящего из молекул.

Галогенид-ион — отрицательно заряженный ион галогена, например Cl⁻. Он появляется, когда атом хлора присоединяет один электрон: Cl + e⁻ → Cl⁻. Знак «−» показывает, что электронов стало на один больше, чем протонов.

Галогеноводород — соединение галогена с водородом, например хлороводород HCl. В воде некоторые галогеноводороды образуют кислоты: раствор HCl — соляная кислота. Поэтому по формуле вещества можно связать свойства галогенов с темой кислот.

Как это устроено

На внешнем энергетическом уровне атома любого галогена находятся семь электронов, а устойчивый внешний слой обычно содержит восемь. Поэтому атому выгодно присоединить один электрон, чем отдавать семь. При этом образуется ион X⁻, а галоген выступает окислителем, то есть принимает электроны у другого вещества.

Один атом галогена может образовать общую электронную пару с другим таким же атомом. Так возникают двухатомные молекулы F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. Связь в них ковалентная неполярная: оба одинаковых атома притягивают общую пару электронов примерно одинаково, поэтому молекулу простого вещества обозначают X₂.

Сверху вниз по группе увеличиваются размеры атомов и молекул, а вместе с ними — число электронов и сила межмолекулярного притяжения. Поэтому температуры плавления и кипения возрастают: фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество. Цвет также становится темнее: от бледно-жёлтого фтора и жёлто-зелёного хлора к красно-бурому брому и тёмному иоду.

Чем дальше внешний электронный слой от ядра, тем слабее ядро притягивает присоединяемый электрон. Поэтому от фтора к иоду уменьшаются химическая активность и окислительная способность. Более активный галоген забирает электроны у ионов менее активного: например, хлор окисляет Br⁻ до Br₂ и вытесняет бром из раствора его соли.

С металлами галогены образуют соли — галогениды, в которых металл отдаёт электроны, а галоген принимает их. Например, при реакции 2Na + Cl₂ → 2NaCl каждый атом хлора получает по одному электрону. С водородом галогены образуют галогеноводороды: H₂ + Cl₂ → 2HCl; в этой реакции хлор также является окислителем.

Сравнение простых веществ — галогенов

Таблицу удобно читать по столбцам, сравнивая конкретные галогены, и по строкам, прослеживая закономерность в группе. Формула вторая строка показывает простое вещество, а не символ химического элемента. Ряд активности помогает предсказать, возможна ли реакция вытеснения.

Разбор задач

Задача 1. Электроны и ион хлора

Условие: укажите число электронов на внешнем уровне атома хлора и заряд иона, который он образует при присоединении одного электрона.

1. Хлор находится в 17-й группе, поэтому на внешнем уровне его атома семь электронов.
2. До завершённого уровня не хватает одного электрона, и атом присоединяет его.
3. Число электронов становится на единицу больше числа протонов, поэтому ион получает заряд −1.

Ответ: 7 электронов; ион хлора Cl⁻ имеет заряд −1.

Задача 2. Вытеснение брома хлором

Условие: запишите уравнение реакции хлора с раствором бромида калия и определите, какой галоген вытесняется из соли.

1. Сравниваем активность: хлор расположен выше брома, поэтому он сильнее как окислитель.
2. Хлор принимает электроны у Br⁻, превращая бромид-ионы в молекулы Br₂.
3. Уравниваем атомы и записываем реакцию: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂.

Ответ: из бромида калия вытесняется бром, уравнение реакции: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂.

Задача 3. Масса хлорида натрия

Условие: какую массу NaCl можно получить при реакции 4,6 г натрия с избытком хлора?

1. Записываем уравнение: 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Хлор в избытке, значит, ограничивающим веществом является натрий.
2. Находим количество натрия: n(Na) = m/M = 4,6 г / 23 г/моль = 0,2 моль.
3. По коэффициентам 2Na : 2NaCl = 1 : 1, поэтому n(NaCl) = 0,2 моль.
4. Вычисляем массу соли: m(NaCl) = nM = 0,2 моль · 58,5 г/моль = 11,7 г.

Ответ: можно получить 11,7 г хлорида натрия.

Типичные ошибки

Путать элемент хлор и простое вещество хлор: Cl — символ элемента, а Cl₂ — формула его молекулы. Ошибка возникает, когда не различают атом и вещество; проверяйте, говорится ли о составе атома или о свободном веществе.

Записывать галоген одним символом в свободном состоянии неправильно: галогены образуют двухатомные молекулы X₂. Если речь идёт о реакции простого вещества, у формулы должны быть индексы 2: F₂, Cl₂, Br₂ или I₂.

Нельзя считать, что активность возрастает сверху вниз по группе. Окислительная способность уменьшается от фтора к иоду, потому что внешний уровень удаляется от ядра; сверяйте направление ряда F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.

Галогенид-ион не равен нейтральному атому галогена. Ион X⁻ присоединил один электрон и имеет заряд −1, поэтому знак заряда нужно проверять в записи формулы.

Связь с другими темами

Для понимания галогенов нужны знания о строении атома, электронных оболочках и положении элементов в периодической системе. Число внешних электронов объясняет их типичные реакции.

При разборе реакций пригодятся понятия окислителя и восстановителя, а также умение расставлять коэффициенты. Галогены связывают эту тему с солями, галогеноводородными кислотами и изменением свойств элементов в группах.

Что запомнить

• Галогены находятся в 17-й группе периодической системы.
• На внешнем энергетическом уровне атома галогена семь электронов.
• Простые вещества галогенов состоят из двухатомных молекул X₂.
• В реакциях галогены обычно принимают один электрон и образуют ионы X⁻.
• Окислительная способность галогенов уменьшается от фтора к иоду.
• Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли.