§ 54. Строение атомов галогенов. Галогены — простые вещества

Определения и обозначения

Галоген — элемент 17-й группы (VIIA), атом которого имеет семь электронов на внешнем энергетическом уровне. К галогенам относятся фтор, хлор, бром и иод. Это определение помогает узнать элементы группы по строению внешней оболочки атома.

Простое вещество галогена — вещество, состоящее из атомов одного галогена; его молекулы двухатомны и имеют формулу X₂. Буква X обозначает любой галоген, а индекс 2 показывает число атомов в молекуле. Так можно записать формулы F₂, Cl₂, Br₂ и I₂.

Молекула галогена — частица X₂, в которой два атома связаны общей электронной парой. Атомы как бы делят пару электронов между собой, и так возникает химическая связь. Это понятие объясняет, почему формула простого вещества содержит два атома, а не один.

Галогенид-ион — отрицательно заряженная частица X⁻, образующаяся при присоединении атомом галогена одного электрона. Знак «−» указывает на дополнительный электрон и отрицательный заряд частицы. Обозначение X⁻ пригодится при записи формул солей и разборе ионной связи.

Как это устроено

Фтор, хлор, бром и иод стоят в одной группе таблицы, потому что у их атомов одинаковое число электронов на внешнем уровне — семь. Именно внешние электроны участвуют в образовании химических связей, поэтому сходное их расположение приводит к похожему поведению элементов. Вниз по группе каждый следующий элемент имеет дополнительный энергетический уровень. Например, у атома хлора слоёв больше, чем у атома фтора, хотя внешних электронов у обоих по семь.

Электронное строение можно представить как заполнение оболочек вокруг ядра. У фтора два энергетических уровня, у хлора три, у брома четыре, у иода пять. На самом внешнем уровне каждого из этих атомов расположено по семь электронов. Поэтому при сравнении галогенов важно не смешивать число внешних электронов с общим числом электронных слоёв: первое одинаково, второе растёт сверху вниз.

Внешний уровень галогена почти завершён: до устойчивой оболочки ему не хватает одного электрона. Поэтому атому выгодно присоединить недостающий электрон, а не отдавать сразу семь внешних электронов. После присоединения образуется частица X⁻, например Cl⁻. Такой ион имеет отрицательный заряд, потому что электронов в нём стало на один больше, чем положительных зарядов ядра.

В простом веществе атомы галогена соединяются попарно, образуя молекулы X₂. Для связи каждый из двух атомов предоставляет по одному электрону, и вместе они образуют общую электронную пару. Благодаря этому у каждого атома появляется возможность завершить внешний уровень. Поэтому простые вещества обозначают формулами F₂, Cl₂, Br₂ и I₂, а не символами отдельных атомов.

При движении от фтора к иоду растёт число электронных слоёв, а вместе с ним — размер атома. Внешние электроны оказываются дальше от ядра, поэтому ядро слабее притягивает электрон, который атом должен присоединить. Из-за этого способность галогенов принимать электрон и их химическая активность ослабевают сверху вниз. Так объясняется порядок активности: фтор активнее хлора, хлор активнее брома, а бром активнее иода.

Состав и свойства простых веществ галогенов

Сначала сравнивайте формулы: индекс 2 показывает, что частица простого вещества — двухатомная молекула. Строки о состоянии и цвете позволяют отличать галогены по физическим свойствам, а последняя строка показывает порядок их химической активности. Все перечисленные вещества опасны, поэтому таблица нужна для изучения свойств, а не для самостоятельных опытов.

Разбор задач

Задача 1. Укажите число электронов на внешнем уровне атома хлора и объясните, сколько электронов ему не хватает до завершения уровня.

1. Находим хлор в периодической таблице: он расположен в 17-й группе.
2. Для элементов главных подгрупп номер группы указывает число внешних электронов. Значит, у хлора их семь.
3. Для завершения внешнего уровня до восьми электронов не хватает одного: 8 − 7 = 1.

Ответ: у атома хлора семь внешних электронов, до завершения уровня не хватает одного.

Задача 2. Запишите формулы простых веществ фтора, брома и иода.

1. Вспоминаем, что простое вещество каждого галогена состоит из молекул, в которых соединены два одинаковых атома.
2. Берём символы элементов: F — фтор, Br — бром, I — иод.
3. Ставим у каждого символа индекс 2, который обозначает два атома в молекуле.

Ответ: формулы простых веществ — F₂, Br₂ и I₂.

Задача 3. Расположите фтор, хлор и бром по убыванию химической активности и объясните порядок.

1. Располагаем элементы по группе сверху вниз: фтор, хлор, бром.
2. Вниз по группе увеличиваются число электронных слоёв и радиус атома.
3. Чем дальше внешний уровень от ядра, тем слабее оно притягивает присоединяемый электрон, поэтому способность принимать электрон уменьшается.
4. При убывании активности первым ставим самый активный элемент, а последним — наименее активный из трёх.

Ответ: фтор, хлор, бром. Активность уменьшается в том же направлении, в каком элементы расположены сверху вниз в группе.

Типичные ошибки

Запись формулы простого вещества как X вместо X₂ не учитывает, что его молекула состоит из двух атомов. Так ошибаются, если смешивают символ элемента и формулу вещества. Проверьте себя: для галогена в простом веществе после символа должен стоять индекс 2.

Число внешних электронов иногда принимают за число энергетических уровней. Причина ошибки — оба понятия описывают строение электронной оболочки, но отвечают на разные вопросы. У галогенов внешних электронов всегда семь, а число слоёв увеличивается от фтора к иоду; сверяйте эти данные с группой и периодом элемента.

Некоторые считают, что атом галогена отдаёт один электрон, хотя обычно он присоединяет его. Это происходит из-за путаницы с образованием положительных ионов другими элементами. Проверка простая: после присоединения электрона частиц становится больше, чем положительных зарядов ядра, поэтому образуется отрицательный ион X⁻.

Ещё одна ошибка — считать, что активность растёт сверху вниз по группе. Её допускают, если рассуждают только о росте числа электронных слоёв и не учитывают расстояние от ядра. Сопоставьте элементы по положению в группе: радиус растёт, притяжение присоединяемого электрона ослабевает, а активность уменьшается от фтора к иоду.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в галогенах, нужно знать, как устроен атом, что такое энергетические уровни и как положение элемента в таблице связано с его электронным строением. Эти знания позволяют объяснить сходство элементов одной группы и изменение свойств сверху вниз. Склонность галогенов присоединять электрон понадобится при изучении ионной связи и образования солей. А сведения об активности помогут сравнивать простые вещества и разбирать химические реакции.

Что запомнить

• Галогены находятся в 17-й группе периодической таблицы.
• На внешнем энергетическом уровне атома галогена семь электронов.
• Атом галогена может присоединить один электрон и образовать ион X⁻.
• Простые вещества галогенов состоят из двухатомных молекул X₂.
• Фтор и хлор при комнатной температуре — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество.
• Химическая активность галогенов уменьшается сверху вниз по группе.