§ 24. Получение галогенов. Биологическое значение и применение галогенов и их соединений

Определения и обозначения

Галогены — элементы, название которых означает «рождающие соли»: к ним относятся фтор, хлор, бром, йод и астат. Их простые вещества состоят из двухатомных молекул: F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. Поэтому, говоря о свободном хлоре или броме, записывают именно формулы Cl₂ и Br₂, а не Cl и Br.

Электролиз — способ получения веществ, при котором электрический ток вызывает окислительно-восстановительные процессы в расплаве или растворе электролита. Электролит — вещество, раствор или расплав которого проводит ток благодаря подвижным ионам. Этот способ позволяет получать галогены, поскольку на электродах ионы превращаются в новые вещества.

Окислительная способность галогенов убывает в ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Окислитель принимает электроны, а более сильный окислитель способен превращать ионы менее активного галогена в простое вещество. Поэтому хлор может вытеснить бром или йод из раствора их солей, но йод не вытеснит хлор из хлорида.

Биологическая роль галогенов состоит в участии некоторых из них и их соединений в работе организма. Йод необходим для образования гормонов щитовидной железы, фториды связаны с состоянием зубной эмали, а хлориды участвуют в важных процессах организма. Такие вещества нужны в подходящем количестве: и нехватка, и избыток могут навредить.

Как это устроено

Высокая химическая активность объясняет, почему галогены редко встречаются в природе в свободном виде: они легко соединяются с другими элементами. Так, хлор обнаруживают в составе хлоридов, а фтор — в составе фторидных минералов. Чтобы получить простое вещество, нужно либо провести реакцию, в которой соединение галогена окисляется, либо использовать электрический ток. Конкретный способ выбирают с учётом свойств вещества и масштаба производства.

В лаборатории хлор можно получить окислением хлороводорода диоксидом марганца: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O. Марганец в MnO₂ принимает электроны и восстанавливается, а хлор в HCl отдаёт электроны и окисляется до Cl₂. Так объясняется, почему для реакции нужны и окислитель, и восстановитель. Хлор ядовит, поэтому опыт проводят под вытяжкой: она удаляет опасные пары из зоны дыхания.

Для промышленного получения хлора электролизуют водный раствор хлорида натрия. У анода отрицательные ионы теряют электроны и образуют Cl₂, а у катода из воды образуется H₂; в растворе остаётся гидроксид натрия. Продукты необходимо разделять, потому что хлор может реагировать с водородом, а также взаимодействовать со щёлочью. Разделение позволяет безопасно собирать нужные вещества и сохранять их выход.

Фтор получают электролизом расплава смеси безводного фтороводорода и фторида калия. Водный раствор для этого не подходит: фтор очень активен и взаимодействует с водой, поэтому его выделить таким способом не удастся. Бром и йод можно получить, окисляя их ионы в растворе хлором. Например, хлор вытесняет бром из бромида, потому что он активнее брома и способен отнять электроны у ионов Br⁻.

Биологическое значение галогенов связано прежде всего с их соединениями: йод входит в состав гормонов щитовидной железы, фториды в малых количествах помогают поддерживать зубную эмаль, а хлориды важны для процессов в организме. При этом дозировка имеет значение: избыток фторидов может быть вреден, а недостаток йода нарушает работу щитовидной железы. Хлор и его соединения применяют для обеззараживания воды и получения химических продуктов; йод используют как антисептик, а его соединения добавляют в йодированную соль. Бромсодержащие вещества находят применение, в частности, в производстве специальных материалов.

Получение, биологическое значение и применение галогенов

Таблица помогает сравнить, что для каждого галогена важны и способ получения, и конкретная форма, в которой он нужен организму или используется человеком. Обратите внимание: биологическую роль обычно играют соединения галогенов, а не свободные простые вещества. При выборе способа получения учитывают свойства галогена и безопасность процесса.

Разбор задач

1. Получение хлора в лаборатории

Условие. Запишите уравнение лабораторного получения хлора из хлороводорода и диоксида марганца. Нужно определить, какие элементы меняют степени окисления, а затем уравнять реакцию.

1. Записываем схему: MnO₂ + HCl → MnCl₂ + Cl₂ + H₂O.
2. Степень окисления марганца меняется с +4 в MnO₂ на +2 в MnCl₂: он принимает электроны и является окислителем.
3. Хлор в HCl имеет степень окисления −1, а в Cl₂ — 0: хлорид-ионы отдают электроны, значит, HCl выступает восстановителем.
4. Ставим коэффициенты, чтобы уравнять атомы и число переданных электронов: MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O.

Ответ. MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O. В лаборатории реакцию проводят под вытяжкой, поскольку хлор токсичен.

2. Вытеснение брома и йода хлором

Условие. В растворы бромида калия и иодида калия добавили хлорную воду. Требуется определить, выделится ли простое вещество, и записать уравнения реакций.

1. Сравниваем окислительную способность: Cl₂ активнее Br₂ и I₂.
2. Значит, хлор окислит ионы Br⁻ и I⁻ до простых веществ, а сам превратится в Cl⁻.
3. Записываем молекулярные уравнения: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂; Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂.

Ответ. Простые вещества выделятся в обоих растворах: образуются бром Br₂ и йод I₂. Проверка по ряду активности подтверждает, что хлор сильнее обоих вытесняемых галогенов.

3. Расчёт количества водорода при электролизе

Условие. При электролизе раствора хлорида натрия получили 0,20 моль хлора. Определите количество вещества водорода, образовавшегося при полном протекании реакции.

1. Записываем уравнение процесса: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂ + Cl₂.
2. Из коэффициентов видно, что 1 моль H₂ образуется одновременно с 1 моль Cl₂.
3. Следовательно, количества вещества водорода и хлора равны: n(H₂) = n(Cl₂) = 0,20 моль.

Ответ. Образовалось 0,20 моль водорода. Равенство получилось из соотношения коэффициентов H₂ и Cl₂ в уравнении реакции.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что галогены легко встречаются в природе свободными. Это предположение возникает из-за того, что формулы простых веществ часто приводят отдельно от их природных источников. Высокая активность галогенов заставляет их реагировать с другими элементами, поэтому чаще они находятся в соединениях. Проверяйте себя вопросом: указано простое вещество или минерал, содержащий галоген?

Лабораторный и промышленный способы получения хлора нельзя смешивать: в первом случае проводят химическую реакцию с хлороводородом, во втором используют электролиз раствора хлорида натрия. Путаница появляется потому, что результат обоих способов — Cl₂. Чтобы проверить ответ, назовите исходные вещества и процесс: MnO₂ и HCl означают лабораторный способ, раствор NaCl и электрический ток — промышленный.

Неверно думать, будто любой галоген вытесняет любой другой из соли. Такое правило не учитывает различия в активности: вытеснить менее активный галоген может более активный. Сверьте направление ряда F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂ и сначала определите, какой галоген сильнее. Например, Cl₂ вытесняет Br₂ из бромида, но I₂ не вытеснит Cl₂ из хлорида.

Полезность элемента не означает, что любое количество безопасно. Такую ошибку допускают, если запоминают только положительную роль йода или фторидов и забывают о дозировке. Уточняйте, о каком соединении и количестве идёт речь: недостаток йода и избыток фторидов могут вредить здоровью. Проверка проста: не приравнивайте необходимость вещества к безопасности его неограниченного употребления.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства галогенов, нужно знать строение их атомов и особенности внешнего электронного слоя: они помогают объяснить активность элементов и образование ионов. Понятие окислительно-восстановительной реакции понадобится при разборе получения хлора и вытеснения брома или йода. Электролиз связывает эту тему с производством веществ и электрохимическими процессами, где ток вызывает реакции на электродах. Биологическая роль галогенов продолжает разговор об обмене веществ, здоровье и безопасном использовании бытовых и лекарственных средств.

Что запомнить

• В природе галогены преимущественно находятся в составе соединений.
• Молекулы простых веществ галогенов двухатомны.
• Фтор получают электролизом смеси безводного фтороводорода и фторида калия.
• Промышленный способ получения хлора — электролиз раствора хлорида натрия.
• Окислительная способность галогенов убывает от фтора к йоду.
• Йод необходим для образования гормонов щитовидной железы.
• Недостаток и избыток галогенов и их соединений могут быть вредны.