"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Галогены — элементы 17-й группы, к которым относятся фтор, хлор, бром и йод. Их простые вещества состоят из двухатомных молекул, а способность принимать электроны постепенно уменьшается от фтора к йоду. При соединении галогенов с водородом возникают галогеноводороды, а с металлами — соли, называемые галогенидами. Эти вещества важны для понимания кислот, солей и окислительно-восстановительных реакций: по ряду активности можно предсказать, какой галоген вытеснит другой из раствора его соли.
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: фтор F, хлор Cl, бром Br и йод I. Их название происходит от греческих слов со значением «рождающие соли»: многие галогены соединяются с металлами и образуют соли. Символы F, Cl, Br и I обозначают химические элементы, а формулы F₂, Cl₂, Br₂ и I₂ — их простые вещества. Различать обозначение элемента и формулу вещества нужно, чтобы правильно читать уравнения реакций.
Галогеноводороды — бинарные соединения, то есть вещества из атомов двух химических элементов: водорода и галогена. Их общая формула — HX, где H обозначает водород, а X — любой галоген; примеры: HF, HCl, HBr и HI. Одна буква X позволяет записывать общую закономерность для всего ряда, а конкретный символ показывает, какой именно галоген входит в соединение. Например, HCl — хлороводород, а не название водного раствора этого газа.
Галогениды металлов — соли, состоящие из положительно заряженных катионов металла и отрицательно заряженных галогенид-ионов. Их формулу составляют так, чтобы суммарный заряд частиц был равен нулю: NaCl содержит Na⁺ и Cl⁻, а CaF₂ — Ca²⁺ и два F⁻. Галогенид-ионом называют отрицательно заряженную частицу галогена, например Cl⁻ или F⁻. Такое представление помогает составлять формулы солей по зарядам ионов.
Галогены находятся в 17-й группе, потому что у атомов каждого из них на внешнем электронном слое семь электронов. Завершённый внешний слой обычно устойчивее, а для него галогену не хватает всего одного электрона. Поэтому атомы легко принимают электрон и превращаются в отрицательно заряженные галогенид-ионы, например Cl⁻. Эта особенность объясняет многие реакции галогенов с металлами и их способность выступать окислителями — принимать электроны у других частиц.
В обычных условиях простые вещества галогенов состоят из двухатомных молекул: два атома объединяют по одному электрону, чтобы сделать внешний слой более устойчивым. Так возникают молекулы F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. По ряду от фтора к йоду присоединить электрон становится труднее: увеличивается размер атома и сильнее сказывается влияние его внутренних электронных слоёв. Поэтому окислительная способность ослабевает в направлении F₂ → Cl₂ → Br₂ → I₂, и более активный галоген может окислить ионы менее активного.
Физические свойства галогенов тоже меняются сверху вниз по группе. Фтор — бледно-жёлтый газ, хлор — жёлто-зелёный газ, бром — красно-бурая жидкость, а йод — тёмное твёрдое вещество с фиолетовыми парами при нагревании. При переходе от лёгких молекул F₂ и Cl₂ к более тяжёлым Br₂ и I₂ усиливается притяжение между молекулами. Поэтому для перехода в жидкое или газообразное состояние требуется всё больше энергии.
При взаимодействии водорода с галогенами образуются галогеноводороды: H₂ + X₂ → 2HX. Например, водород соединяется с хлором с образованием хлороводорода HCl. Если HCl, HBr или HI растворить в воде, образуются кислые растворы: частицы этих веществ хорошо переходят в ионы. HF ведёт себя иначе: он распадается на ионы лишь частично, поэтому фтороводородная кислота слабая; её слабость не означает, что вещество безопасно.
Металлы соединяются с галогенами с образованием галогенидов: атом металла отдаёт электроны, а атом галогена принимает их. Так, кальций образует ион Ca²⁺, а хлор — Cl⁻, поэтому формула соли — CaCl₂. В растворе соли более активный галоген может принять электроны у галогенид-ионов менее активного и вытеснить его: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Обратная реакция не идёт, потому что бром не способен окислить хлорид-ионы.
| Объект | Примеры и формулы | Характерные свойства | Характерная реакция |
|---|---|---|---|
| Галогены | F₂, Cl₂, Br₂, I₂ | Двухатомные молекулы; окислительная способность убывает от фтора к йоду. | H₂ + Cl₂ → 2HCl |
| Галогеноводороды и соответствующие кислоты | HF, HCl, HBr, HI; водные растворы HCl, HBr, HI — кислоты | Галогеноводород — соединение с водородом; HF в воде проявляет слабые кислотные свойства. | HCl(г) растворяется в воде с образованием соляной кислоты. |
| Галогениды металлов | NaCl, CaF₂, KBr | Соли из катионов металла и галогенид-ионов; формула должна быть электрически нейтральной. | 2Na + Cl₂ → 2NaCl |
| Изменение свойств и активности в ряду F → Cl → Br → I | F₂ → Cl₂ → Br₂ → I₂ | Окраска темнеет, агрегатное состояние меняется от газа к жидкости и твёрдому веществу; активность окислителя убывает. | Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂ |
Сначала определите, о каком объекте идёт речь: о простом веществе, соединении с водородом или соли. Затем по строке таблицы найдите его состав и характерное свойство. Уравнения помогают проверить, как это свойство проявляется в реакции.
Условие: составить уравнение реакции кальция с хлором и назвать образовавшееся соединение. Кальций — металл, а хлор в простом веществе существует в виде молекул Cl₂. Чтобы получить формулу соли, сначала нужно уравнять заряды ионов, а затем проверить число атомов в уравнении. Такой порядок не позволяет случайно записать неверную формулу продукта.
Ответ: Ca + Cl₂ → CaCl₂; образуется хлорид кальция. Индекс 2 в формуле соли показывает, что на один атом кальция приходится два атома хлора. Коэффициент перед CaCl₂ не нужен, поскольку уравнение уже сбалансировано.
Условие: определить, вытеснит ли хлор бром из раствора бромида калия, и записать уравнение. Для ответа сравнивают активность свободного галогена и галогена в составе соли. Хлор активнее брома и лучше принимает электроны. Поэтому он может превратить бромид-ионы в нейтральные молекулы брома.
Ответ: реакция идёт, Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Если бы в раствор хлорида добавили бром, реакции вытеснения не произошло бы: менее активный Br₂ не может окислить Cl⁻. Следовательно, одного факта, что оба вещества — галогены, недостаточно: нужно сравнить их активность.
Условие: при реакции водорода с хлором получили 7,3 г хлороводорода; найти количество вещества и объём водорода, необходимый для реакции. Сначала находим количество HCl по формуле n = m/M, где m — масса, а M — молярная масса. Затем используем коэффициенты уравнения: на два моля HCl требуется один моль H₂. Объём газообразного водорода при нормальных условиях рассчитываем по молярному объёму 22,4 л/моль.
Ответ: количество хлороводорода равно 0,20 моль; для реакции требуется 0,10 моль водорода, или 2,24 л при нормальных условиях. Делить количество HCl на два нужно потому, что в уравнении перед ним стоит коэффициент 2. Если условия не задают нормальные условия, молярный объём 22,4 л/моль применять нельзя.
Записывают простые вещества галогенов как одноатомные, например Cl вместо Cl₂. Путаница возникает из-за того, что символ Cl обозначает один химический элемент, а не молекулу вещества. Перед записью уравнения проверьте, не стоит ли галоген в виде простого вещества: в обычных условиях его формула двухатомная.
Называют HCl соляной кислотой независимо от агрегатного состояния. Ошибка появляется, потому что формула у газа и его водного раствора одна и та же. Проверка простая: HCl без указания воды — хлороводород, а его водный раствор — соляная кислота.
Считают, что активность галогенов возрастает от фтора к йоду. Возможно, ученики переносят на эту группу привычную схему изменения некоторых других свойств в таблице. Запомните направление окислительной способности F₂ → Cl₂ → Br₂ → I₂: она уменьшается, поэтому перед предсказанием реакции сравните положение галогенов в ряду.
Полагают, что любой галоген вытесняет любой другой из соли. Здесь смешивают способность галогенов реагировать с общим правилом вытеснения металлов или забывают сравнить их активности. Проверьте реакцию по ряду: вытеснение возможно, только если свободный галоген активнее галогена в соли.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и электронных слоях: они объясняют, почему галогенам не хватает одного электрона до завершения внешнего слоя. Положение в периодической системе и понятия валентности и степени окисления помогают составлять формулы и уравнения. Тема связана со свойствами кислот и солей, а также с окислительно-восстановительными реакциями, где частицы передают электроны. Эти знания пригодятся при изучении неметаллов и качественных реакций, позволяющих распознавать галогенид-ионы.
Почему галогены называют галогенами?
Название происходит от греческих слов со значением «рождающие соли». Это связано с тем, что галогены образуют соли при взаимодействии с металлами, например хлор образует хлорид натрия.
Почему простые вещества галогенов записывают с индексом 2?
В обычных условиях атомы галогенов соединяются попарно и образуют молекулы. Поэтому формулы простых веществ записывают как F₂, Cl₂, Br₂ и I₂.
Чем хлороводород отличается от соляной кислоты?
Хлороводород HCl — газообразное вещество. Соляная кислота — это водный раствор хлороводорода, в котором он проявляет свойства кислоты.
Почему хлор вытесняет бром из раствора бромида, а обратная реакция не идёт?
Хлор — более сильный окислитель, чем бром, поэтому он может отнять электроны у бромид-ионов и образовать молекулы Br₂. Бром слабее хлора и не может вытеснить его из раствора хлорида.
Почему фтороводородная кислота слабее соляной?
В воде HF распадается на ионы лишь частично, поэтому концентрация ионов водорода меньше, чем в растворе HCl той же концентрации. Причина — прочная связь между атомами водорода и фтора.
§ 32. Галогены. Галогеноводороды и галогениды металлов
