§ 33. Кислородсодержащие соединения хлора

Определения и обозначения

Кислородсодержащие кислоты хлора — это соединения, в состав которых входят водород, хлор и кислород. Их формулы: HClO — гипохлорная кислота, HClO₂ — хлористая, HClO₃ — хлорноватая, HClO₄ — хлорная. Формулы помогают увидеть, сколько атомов кислорода приходится на один атом хлора. По ним также можно определить степень окисления хлора и сопоставить кислоту с её солями.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, рассчитанный по правилам распределения электронов. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления всех атомов равна нулю; обычно H имеет +1, а O — −2. Например, в HClO получаем уравнение +1 + x − 2 = 0, значит, x = +1. Так можно сравнить кислоты и увидеть, что степень окисления хлора возрастает от +1 до +7.

Гипохлориты, хлориты, хлораты и перхлораты — соли соответственно гипохлорной, хлористой, хлорноватой и хлорной кислот. Например, NaClO — гипохлорит натрия, а NaClO₃ — хлорат натрия. Название соли подсказывает, от какой кислоты она образовалась. Это соответствие помогает правильно назвать вещество по формуле и не путать близкие названия.

Хлорная известь — смесь веществ, содержащая соединения хлора; её состав не следует считать формулой одного чистого вещества. Её окислительное действие позволяет уничтожать микроорганизмы и изменять окрашенные вещества. Поэтому хлорную известь применяли для дезинфекции и отбеливания. Это название обозначает смесь с определённым действием, а не хлорид натрия.

Как это устроено

Сравним формулы кислот: HClO, HClO₂, HClO₃ и HClO₄. В каждой молекуле на один атом водорода и один атом хлора приходится всё больше атомов кислорода, которому обычно приписывают степень окисления −2. Чтобы сумма степеней окисления в нейтральной молекуле оставалась равной нулю, степень окисления хлора увеличивается: +1, +3, +5, +7. Поэтому добавление атомов кислорода в этой последовательности связано с изменением степени окисления хлора.

Названия солей связаны с названиями кислот, но для соли нужно использовать название соответствующего аниона. Гипохлорная кислота даёт гипохлориты, хлористая — хлориты, хлорноватая — хлораты, хлорная — перхлораты. Например, остаток ClO⁻ в соли NaClO соответствует гипохлорной кислоте, а ClO₃⁻ в NaClO₃ — хлорноватой. Такое сопоставление помогает не принимать хлорат за гипохлорит только потому, что оба содержат хлор и кислород.

При взаимодействии хлора со щёлочью один и тот же элемент одновременно меняет степень окисления в двух направлениях. В холодном растворе часть хлора переходит из Cl₂ в Cl⁻ и образует хлорид, а другая часть — в ClO⁻ и образует гипохлорит. Уравнение реакции с гидроксидом натрия: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Это пример диспропорционирования — реакции, в которой атомы одного элемента и окисляются, и восстанавливаются.

При нагревании щёлочного раствора меняются условия реакции, и вместо гипохлорита образуется хлорат, в котором у хлора степень окисления +5. Часть атомов хлора по-прежнему восстанавливается до хлорида, а часть окисляется сильнее, чем в холодном растворе. Для гидроксида натрия уравнение имеет вид: 3Cl₂ + 6NaOH → 5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O. Поэтому уравнения нельзя составлять, не учитывая температуру и состояние раствора.

Соединения, в которых хлор имеет высокую степень окисления, могут принимать электроны от других веществ, то есть проявлять окислительные свойства. При этом хлор восстанавливается, а другое вещество окисляется; конкретная способность зависит от самого соединения и условий реакции. Окисление может разрушать или изменять молекулы микроорганизмов и окрашенных веществ. Этим объясняется применение некоторых соединений хлора для обеззараживания воды и отбеливания материалов.

Кислородсодержащие кислоты хлора и соответствующие соли

Сначала найдите в таблице формулу кислоты, затем проследите по той же строке название соли и пример её формулы. Степень окисления хлора позволяет проверить, верно ли вы сопоставили вещества. Например, соль HClO₃ — хлорат, а не гипохлорит.

Разбор задач

Задача 1. Определите степень окисления хлора в HClO и HClO₃ и назовите соответствующие соли.

1. Запишем правила: в этих нейтральных молекулах сумма степеней окисления равна нулю, H имеет +1, O — −2.
2. Для HClO составим равенство +1 + x − 2 = 0. Отсюда x = +1; кислота гипохлорная, её соли — гипохлориты.
3. Для HClO₃ получим +1 + x + 3 · (−2) = 0. Значит, x = +5; это хлорноватая кислота, образующая хлораты.

Ответ: в HClO хлор имеет степень окисления +1, соответствующие соли — гипохлориты; в HClO₃ степень окисления +5, соли — хлораты. Проверка: в каждом уравнении сумма значений равна нулю.

Задача 2. Запишите уравнение реакции хлора с холодным раствором гидроксида натрия и назовите продукты.

1. Учитываем условие: щёлочь холодная, поэтому вместе с хлоридом образуется гипохлорит натрия.
2. Записываем формулы реагентов и предполагаемых продуктов: Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO + H₂O.
3. Ставим коэффициент 2 перед NaOH, чтобы уравнять натрий, затем проверяем атомы: справа два атома натрия, два хлора, два водорода и два кислорода.

Ответ: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O. Продукты — хлорид натрия, гипохлорит натрия и вода; образование двух разных соединений хлора связано с диспропорционированием.

Задача 3. Запишите уравнение реакции хлора с горячим раствором гидроксида натрия, расставьте коэффициенты и объясните отличие продуктов.

1. В горячем растворе вместо гипохлорита образуется хлорат натрия, а второй продукт с хлором — хлорид натрия. Сначала записываем схему: Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO₃ + H₂O.
2. В NaClO₃ один атом хлора имеет степень окисления +5, а в NaCl она равна −1. Подбираем коэффициенты, учитывая, что часть атомов хлора окисляется, а часть восстанавливается.
3. Ставим коэффициенты 3 перед Cl₂, 6 перед NaOH, 5 перед NaCl и 1 перед NaClO₃; тогда для водорода и кислорода нужны 3H₂O. Проверяем: по обе стороны 6 атомов Cl, 6 Na, 6 O и 6 H.

Ответ: 3Cl₂ + 6NaOH → 5NaCl + NaClO₃ + 3H₂O. В горячем растворе образуется хлорат, а в холодном — гипохлорит, поэтому условие о температуре меняет состав продуктов реакции.

Типичные ошибки

Путать названия кислот и солей — значит, например, назвать NaClO₃ гипохлоритом. Ошибка возникает, потому что названия звучат похоже, хотя гипохлорит связан с HClO, а хлорат — с HClO₃. Проверяйте число атомов кислорода и название исходной кислоты. Так вы сможете установить, к какой группе относится соль.

Считать, что хлор всегда одинаково реагирует со щёлочью, нельзя: состав продуктов зависит от температуры. Часто запоминают только одно уравнение и не замечают условие задачи. Перед записью реакции проверьте, сказано ли, что раствор холодный или горячий. В первом случае указывайте гипохлорит, во втором — хлорат.

Вычисляя степень окисления хлора, нельзя забывать, что сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю. Если не учесть это правило или число атомов кислорода, получится неверное значение. Записывайте уравнение с неизвестной x и учитывайте вклад каждого атома. В конце сложите значения и убедитесь, что сумма равна нулю.

Хлорная известь — не другое название хлорида натрия и не просто хлорид. Путаница возникает из-за общего слова «хлор» в названиях веществ. Проверяйте, о каком именно веществе говорится: хлорная известь является смесью, содержащей соединения хлора, а NaCl — конкретная соль. Их состав и применение различаются.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно уметь определять степени окисления, составлять формулы кислот и солей и расставлять коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях. Эти навыки помогают объяснить, почему при реакции хлора со щёлочью образуются разные соли. Дальше знания пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, химических свойств солей и применения веществ для обеззараживания. По составу соединения можно будет связать его свойства с практическим использованием.

Что запомнить

• Хлор образует несколько кислородсодержащих кислот.
• В ряду HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄ степень окисления хлора возрастает от +1 до +7.
• Названия солей связаны с названиями соответствующих кислот.
• Хлор реагирует со щёлочью с образованием разных продуктов в зависимости от условий.
• Некоторые кислородсодержащие соединения хлора обладают окислительными свойствами.
• Окислительные свойства соединений хлора используют при отбеливании и дезинфекции.