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

Определения и обозначения

Галогены — элементы 17-й группы, простые вещества которых состоят из двухатомных молекул. К ним относятся фтор F₂, хлор Cl₂, бром Br₂ и йод I₂. Это название объединяет элементы со сходными свойствами, но не означает, что они одинаково активны или одинаково опасны.

Галогениды — соли, содержащие отрицательно заряженные ионы галогенов. Примеры: хлориды с ионами Cl⁻, бромиды с Br⁻ и иодиды с I⁻. Такие соли важны как природные источники галогенов и как исходные вещества для получения некоторых простых веществ.

Электролиз — способ получения веществ с помощью электрического тока, при котором на электродах происходят химические реакции. На аноде частицы отдают электроны, а на катоде принимают их. Знание этих процессов помогает понять, почему при электролизе раствора или расплава образуются разные продукты.

Биологическое значение галогенов — роль самих элементов и их соединений в организме. Например, йод необходим для образования гормонов, а хлорид-ионы участвуют в работе организма. Однако это не делает любые галогены и их соединения безопасными: значение имеют химическая форма и количество вещества.

Как это устроено

В природе галогены обычно встречаются не как свободные простые вещества, а в составе соединений. Их атомам легко присоединить электрон, поэтому они активно вступают в реакции с другими элементами и образуют галогениды. Так, хлор широко представлен в природе хлоридами, в том числе растворёнными в морской воде и подземных рассолах.

Для получения фтора используют электролиз расплава фторсодержащих веществ, обычно специальной смеси на основе фторидов. В водном растворе одновременно присутствует вода, и при пропускании тока реакции с её участием идут легче, чем выделение фтора из фторид-ионов. Поэтому из водного раствора фтор не получают: вместо него образуются продукты превращений воды.

Хлор получают электролизом водного раствора хлорида натрия. На аноде хлорид-ионы отдают электроны и превращаются в молекулы хлора: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. На катоде вода принимает электроны, образуются водород и гидроксид-ионы; суммарно реакцию можно записать так: 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH. Метод важен для промышленности, потому что вместе с хлором получают водород и гидроксид натрия — востребованные продукты химического производства.

Бром и йод можно выделить, окисляя их ионы хлором. Атомы хлора принимают электроны у бромид- или иодид-ионов, после чего образуются молекулы Br₂ или I₂. Такой способ связан с тем, что бромиды и иодиды содержатся в природных водах и рассолах; их растворы обрабатывают хлором, чтобы получить соответствующий галоген.

Значение галогенов для организма и их применение зависят от конкретного вещества. Хлорид-ионы поддерживают водно-солевое равновесие и входят в состав желудочного сока, соединения фтора помогают укреплять зубную эмаль, а йод необходим для гормонов щитовидной железы. Галогенсодержащие вещества используют также для дезинфекции, в медицине и химическом производстве. Бромсодержащие соединения применяются в различных химических материалах, но их действие, как и действие других соединений, зависит от состава и дозы.

Получение, биологическое значение и применение галогенов

Сравнивайте строки по трём вопросам: откуда получают элемент, какую роль его соединения играют в организме и где их используют. Не переносите свойства простого вещества на все его соли: например, активный хлор и хлорид-ионы — не одно и то же. Помните и о дозе: необходимый организму элемент может причинить вред при избытке.

Разбор задач

Задача 1. Электролиз раствора хлорида натрия

Условие: запишите уравнение получения хлора электролизом раствора NaCl и укажите продукты на электродах. Нужно учитывать, что электролиз идёт в водной среде, поэтому в реакции участвуют ионы соли и вода. Сначала разберём, что происходит на каждом электроде.

1. На аноде отрицательно заряженные Cl⁻ отдают электроны: 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻. Здесь образуется хлор.
2. На катоде молекулы воды принимают электроны: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻. Здесь выделяется водород, а гидроксид-ионы остаются в растворе.
3. Складываем процессы и учитываем ионы натрия: 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH. Проверяем, что число атомов каждого элемента и общий заряд уравнены.

Ответ: на аноде получают Cl₂, на катоде — H₂; в растворе образуется NaOH. Уравнение реакции: 2NaCl + 2H₂O → Cl₂ + H₂ + 2NaOH.

Задача 2. Получение брома из бромида натрия

Условие: предложите способ выделить бром из раствора NaBr с помощью хлора и запишите реакцию. Требуется понять, какой галоген активнее и может ли он превратить ионы другого галогена в простое вещество. Для ответа применяем правило о вытеснении менее активного галогена более активным.

1. Сравниваем вещества: хлор активнее брома, поэтому молекулы Cl₂ способны принять электроны у Br⁻.
2. Два бромид-иона отдают по электрону и образуют молекулу Br₂: 2Br⁻ → Br₂ + 2e⁻. Молекула хлора принимает эти электроны.
3. Записываем сокращённое ионное уравнение Cl₂ + 2Br⁻ → 2Cl⁻ + Br₂. Добавляем ионы натрия, которые не меняются в реакции.

Ответ: к раствору бромида натрия добавляют хлор: Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂. Бром выделяется потому, что хлор активнее брома.

Задача 3. Получение йода из иодида калия

Условие: из раствора KI нужно получить йод, выбрав подходящий галоген-окислитель. Окислителем называют вещество, которое принимает электроны у другого вещества. Нужно выбрать галоген, способный окислить I⁻, и проверить, что продуктом станет I₂.

1. Сравниваем активность: хлор активнее йода и может принять электроны у иодид-ионов. Бром тоже активнее йода и способен окислить I⁻, но в задаче достаточно выбрать хлор.
2. Записываем превращение иодид-ионов: 2I⁻ → I₂ + 2e⁻. Ионы отдают электроны, соединяясь в молекулу йода.
3. Записываем реакцию с выбранным окислителем: Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂. Калий переходит в состав соли, а йод выделяется как простое вещество.

Ответ: подходит хлор; уравнение реакции — Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂. Он выбран потому, что активнее йода и способен окислить иодид-ионы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все галогены получают одним способом. Так думают, потому что элементы объединены в одну группу, но способы зависят от их свойств и доступности исходных соединений. Проверка: отдельно вспомните электролиз для фтора и хлора и окисление галогенид-ионов для брома и йода.

Путаница между электролизом расплава и раствора приводит к неверным продуктам. В водной среде может реагировать вода, тогда как в расплаве её нет. Перед записью уравнения проверьте, какие частицы действительно находятся в электролизёре: ионы расплава или ещё и молекулы воды.

Нельзя утверждать, что хлор вытесняет фтор из фторидов. Причина ошибки — перенос правила вытеснения на все пары галогенов без сравнения их активности; фтор активнее хлора. Проверьте направление ряда активности: более активный галоген вытесняет менее активный из его соли, а не наоборот.

Биологическое значение элемента не означает, что любое его вещество безопасно. Пользу иногда ошибочно приравнивают к безвредности, забывая о форме соединения и дозе. Проверяйте вывод вопросами: какое именно вещество рассматривается и в каком количестве оно действует?

Связь с другими темами

Чтобы объяснить способы получения галогенов, нужны знания о строении их атомов, галогенид-ионах и окислительных свойствах. Эти сведения связывают тему с электролизом, окислительно-восстановительными реакциями и реакциями замещения. Понимание состава природных вод помогает объяснить, откуда получают соединения брома и йода. Знания о применении галогенидов пригодятся при изучении химической промышленности, профилактики йододефицита и безопасного использования бытовых дезинфицирующих средств.

Что запомнить

• Галогены обладают высокой химической активностью и в природе преимущественно входят в состав соединений.
• Фтор получают электролизом расплава фторсодержащих веществ.
• Хлор в промышленности получают электролизом раствора хлорида натрия.
• Бром и йод можно выделить окислением соответствующих галогенид-ионов более активным галогеном.
• Хлорид-ионы важны для организма, а йод входит в состав гормонов щитовидной железы.
• Фторсодержащие соединения применяют для профилактики кариеса, но избыток фтора вреден.
• Биологическое действие галогенов и их соединений зависит от вещества и его количества.