§ 23. Соединения галогенов

Определения и обозначения

Галогеноводороды — бинарные соединения, состоящие из водорода и одного галогена. Их общая формула — HX, где X обозначает F, Cl, Br или I. По этой записи легко определить состав вещества и составить формулы HF, HCl, HBr и HI.

Галогениды — соединения галогенов с металлами или другими элементами. В составе таких веществ галоген обычно записан рядом с символом второго элемента: NaCl, CaF₂, AlBr₃. Значит, галогенид можно распознать по наличию атомов галогена и отсутствию водорода как обязательного второго элемента.

Хлороводород — газообразное соединение водорода с хлором состава HCl. Это чистое вещество, а не раствор. Различие нужно учитывать при описании свойств: газ HCl и его водный раствор имеют разное состояние и по-разному участвуют в реакциях.

Соляная кислота — водный раствор хлороводорода. В воде HCl образует ионы H₃O⁺ и Cl⁻, поэтому раствор проявляет свойства кислоты. Именно наличие подвижных ионов объясняет электропроводность и реакции соляной кислоты.

Как это устроено

Формула HX показывает, что в молекуле галогеноводорода один атом водорода соединён с одним атомом галогена. Связь H–X является ковалентной: общая электронная пара принадлежит атомам неравномерно, потому что галоген сильнее притягивает электроны. Поэтому на атоме водорода возникает частичный положительный заряд, а на атоме галогена — частичный отрицательный.

При переходе от HF к HI размер атома галогена увеличивается, расстояние между ядрами H и X становится больше. Электронная пара дальше от ядер, поэтому связь H–X ослабевает и легче разрывается в воде. Связь H–F самая прочная, а H–I — самая слабая, поэтому сила соответствующих кислот возрастает от HF к HI.

Хлороводород хорошо растворяется в воде благодаря полярности его молекул и способности взаимодействовать с полярными молекулами воды. В результате реакции образуются ионы H₃O⁺ и Cl⁻: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻. Раствор становится кислым именно из-за ионов гидроксония, а не просто из-за присутствия молекул HCl.

В лаборатории хлороводород получают действием концентрированной серной кислоты на хлорид натрия: NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl↑. HCl собирают вытеснением воздуха, потому что он хорошо растворяется в воде и при сборе над водой быстро переходил бы в раствор. Газ направляют в сосуд, где он вытесняет воздух вниз или вверх в зависимости от плотности газа и положения сосуда.

Соляная кислота проявляет общие свойства кислот. С активными металлами она образует соль и водород, с основаниями — соль и воду, а с карбонатами — соль, воду и углекислый газ. Например: 2HCl + Na₂CO₃ → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.

Сравнение галогеноводородов

Таблица помогает одновременно сравнить физические свойства веществ и силу их водных растворов. Для объяснения ряда от HF к HI нужно смотреть на прочность связи H–X: чем она меньше, тем легче образуются ионы в воде. Растворимость у всех веществ высокая, но растворимость и сила кислоты — не одно и то же.

Разбор задач

Задача 1

Запишите формулу галогеноводорода, образованного бромом, и назовите вещество. Нужно использовать общую формулу HX и заменить X символом брома. Индекс ставить не требуется, потому что водород и бром соединяются в отношении 1:1.

1. Записываем общую формулу галогеноводородов: HX.
2. Подставляем символ брома Br вместо X.
3. Получаем формулу HBr и читаем название по составу.

Ответ: HBr — бромоводород.

Задача 2

Составьте уравнение лабораторного получения хлороводорода из хлорида натрия и концентрированной серной кислоты. Это реакция соли с кислотой, в которой образуются кислая соль и летучий HCl. Стрелка вверх показывает выделение газа.

1. Записываем исходные вещества: NaCl и H₂SO₄.
2. Составляем продукты: NaHSO₄ и HCl.
3. Проверяем число атомов: уравнение уже сбалансировано.

Ответ: NaCl + H₂SO₄(конц.) → NaHSO₄ + HCl↑.

Задача 3

Пусть масса NaCl равна m граммов, а серная кислота взята в избытке. По уравнению реакции 1 моль NaCl даёт 1 моль HCl, поэтому количество хлороводорода можно найти через количество соли. Затем используем молярный объём газа V_m = 22,4 л/моль при н. у.

1. Находим количество NaCl: n(NaCl) = m/58,5.
2. По соотношению 1:1 получаем n(HCl) = m/58,5.
3. Вычисляем объём газа: V(HCl) = n(HCl) · 22,4 = 22,4m/58,5 л.
4. Записываем реакцию кислоты с карбонатом: 2HCl + Na₂CO₃ → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.

Ответ: V(HCl) = 22,4m/58,5 л при н. у.; при реакции с карбонатом образуются хлорид натрия, вода и углекислый газ.

Типичные ошибки

Считать хлороводород и соляную кислоту одним веществом нельзя: первый является чистым газом HCl, вторая — его водным раствором. Ошибка возникает из-за одинакового химического состава растворённого вещества. Проверяйте себя по агрегатному состоянию и словам «водный раствор».

Нельзя называть все галогеноводородные кислоты одинаково сильными. Сила возрастает от HF к HI, потому что связь H–X постепенно ослабевает. Сверяйте вывод с рядом HF < HCl < HBr < HI.

Растворение HCl в воде — не только физическое смешивание. Вода взаимодействует с молекулами хлороводорода, и образуются ионы H₃O⁺ и Cl⁻. Если в объяснении нет ионов, причина кислотных свойств раскрыта неполно.

При реакции соляной кислоты с карбонатом нельзя оставлять только соль. Карбонат распадается с образованием воды и CO₂, поэтому наблюдаются пузырьки газа. Проверяйте продукты по схеме «кислота + карбонат → соль + вода + углекислый газ».

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атомов галогенов, их валентности и ковалентной полярной связи. Эти представления объясняют формулу HX и различия между веществами.

Тема опирается на общие свойства кислот и продолжает их изучение на примере соляной кислоты. Позже знания пригодятся при изучении солей, качественной реакции на хлорид-ионы и химических производств, использующих хлор и его соединения.

Что запомнить

• Общая формула галогеноводородов — HX.
• Хлороводород HCl — газ, а соляная кислота — его водный раствор.
• В молекулах галогеноводородов связь H–X полярная.
• Сила галогеноводородных кислот в водном растворе возрастает от HF к HI.
• Соляная кислота реагирует с активными металлами, основаниями и карбонатами.
• Хлорид-ионы можно обнаружить раствором нитрата серебра: образуется белый осадок AgCl.