§ 29. Галогены — самые активные неметаллы

Определения и обозначения

Галогены — элементы 17-й группы периодической системы, простые вещества которых отличаются высокой химической активностью. К ним относятся фтор F, хлор Cl, бром Br и йод I. Слово «галоген» помогает объединить эти элементы в одну группу и сопоставлять их свойства. Их положение в одной группе связано с похожим строением внешней электронной оболочки.

Молекула галогена — двухатомная молекула простого вещества с общей формулой X₂, где X обозначает атом галогена. Поэтому формулы простых веществ записывают как F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. Такая запись нужна, чтобы не путать молекулу вещества с символом отдельного атома. Индекс 2 показывает число атомов в одной молекуле.

Галогенид-ион — отрицательно заряженный ион, который образуется, когда атом галогена принимает электрон. Например, Cl⁻ — хлорид-ион, а Br⁻ — бромид-ион. Знак минус показывает, что у частицы появился дополнительный электрон. Это понятие помогает различать заряженные частицы в солях и нейтральные молекулы простых веществ.

Реакция вытеснения галогена — реакция, в которой более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли. Например, хлор может вытеснить бром из раствора бромида калия. Понятие позволяет заранее решить, возможна ли реакция между простым веществом и солью. Для прогноза нужно сравнить галогены по активности.

Как это устроено

Галогены расположены в 17-й группе периодической системы, то есть в одном вертикальном столбце. У атомов каждого из них на внешнем электронном уровне семь электронов. Именно число внешних электронов во многом определяет химическое поведение: атомам группы недостаёт одного электрона до заполнения уровня. Поэтому свойства фтора, хлора, брома и йода похожи, хотя выражены с разной силой.

Атом галогена может принять один электрон и превратиться в отрицательный галогенид-ион: например, Cl + e⁻ → Cl⁻. При образовании простого вещества два атома соединяются общей электронной парой; каждый вносит в неё по одному электрону. Так у обоих появляется заполненный внешний уровень, а молекула получает состав X₂. Поэтому обозначение Cl₂ относится к молекуле хлора, а Cl⁻ — к отдельному иону в составе соли или раствора.

Сверху вниз по группе меняются и физические свойства простых веществ. Фтор — бледно-жёлтый газ, хлор — жёлто-зелёный газ, бром — красно-бурая жидкость, йод — тёмное твёрдое вещество. Размер молекул при движении вниз растёт, поэтому усиливается притяжение между ними и вещества легче переходят в жидкое и твёрдое состояния. Окраска тоже становится темнее.

Химическая активность уменьшается в ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Вниз по группе атомы становятся крупнее, и ядро слабее притягивает электрон, который атом должен принять в реакции. Поэтому фтор легче других галогенов взаимодействует с металлами и водородом, а йод — труднее. При реакции с металлом образуется соль: например, натрий с хлором даёт хлорид натрия, 2Na + Cl₂ → 2NaCl.

Различие активности можно проверить по реакциям простых веществ с солями. Более активный галоген принимает электрон у галогенид-ионов менее активного элемента и вытесняет его из раствора. Например, хлор вытесняет бром из бромида, а бром не вытесняет хлор из хлорида. Это правило применяют, сравнивая свободный галоген с тем, который входит в состав соли.

Сравнение галогенов и их простых веществ

В таблице сопоставлены основные признаки галогенов и примеры их поведения. Для реакций вытеснения запомните порядок активности: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂. Если в растворе есть соль менее активного галогена, более активный может заменить его.

Разбор задач

Задача 1. Определите формулу молекулы хлора и укажите, сколько атомов хлора в ней содержится. Важно определить, о чём спрашивают: о простом веществе или об отдельном атоме. Простое вещество галогенов образует двухатомные молекулы. Поэтому используем общий вид X₂, подставляя вместо X символ хлора.

1. Записываем символ химического элемента: Cl.
2. Применяем правило двухатомности и ставим индекс 2: Cl₂.
3. Считываем индекс: в одной молекуле два атома хлора.

Ответ: формула молекулы хлора — Cl₂, она содержит два атома хлора. Индекс 2 относится к числу атомов в молекуле, а не к заряду. Заряженный хлорид-ион записывают иначе: Cl⁻.

Задача 2. Составьте уравнение реакции натрия с хлором и назовите образующееся соединение. Сначала определяем формулы реагентов: натрий — Na, простое вещество хлор — Cl₂. При соединении металла с галогеном образуется соль, состоящая из ионов Na⁺ и Cl⁻, поэтому формула продукта — NaCl. Затем уравниваем число атомов в левой и правой частях.

1. Записываем схему: Na + Cl₂ → NaCl.
2. Слева два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед NaCl: Na + Cl₂ → 2NaCl.
3. Теперь справа два атома натрия; ставим коэффициент 2 перед Na.
4. Проверяем: по обе стороны уравнения два атома Na и два атома Cl.

Ответ: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; образуется хлорид натрия. Коэффициенты уравнивают число атомов, но индексы в формулах веществ при этом не меняют. Поэтому нельзя исправлять нехватку хлора, записывая Cl вместо Cl₂.

Задача 3. В раствор бромида калия добавили хлорную воду. Определите, произойдёт ли реакция, и запишите её уравнение. В соли KBr содержится бромид-ион, а свободное вещество — хлор Cl₂. Сравниваем их по ряду активности: хлор активнее брома, значит, он может вытеснить бром из соли.

1. Определяем участников: Cl₂ и KBr; ожидаемые продукты — KCl и Br₂.
2. Записываем схему: Cl₂ + KBr → KCl + Br₂.
3. Уравниваем бром и калий, ставя коэффициент 2 перед KBr и KCl.
4. Проверяем число атомов: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂.

Ответ: реакция произойдёт, её уравнение — Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Хлор вытесняет бром, потому что стоит выше него по активности. При добавлении менее активного брома к раствору хлорида калия аналогичной реакции не было бы.

Типичные ошибки

Записывают простое вещество как Cl или Br. Так обозначают символы атомов, а молекулы хлора и брома двухатомны: Cl₂ и Br₂. Ошибка возникает, когда индекс забывают при записи уравнения. Проверьте себя: у формул всех простых веществ галогенов должен быть индекс 2.

Считают, что активность растёт сверху вниз по группе. На самом деле она уменьшается от F₂ к I₂, потому что крупному атому труднее притянуть принимаемый электрон. Иногда направление путают с изменением окраски: цвет действительно темнеет вниз по группе, но это не означает роста активности. Проверьте порядок: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.

Полагают, что любой галоген вытесняет любой другой из соли. Реакция идёт только тогда, когда свободный галоген активнее того, который находится в соли. Ошибку допускают, если не сравнивают участников и просто переставляют их местами в уравнении. Для проверки расположите галогены в ряду активности и убедитесь, что свободное вещество стоит выше.

Путают простое вещество и ион. Cl₂ — нейтральная молекула хлора, а Cl⁻ — хлорид-ион с отрицательным зарядом. Путаница появляется из-за общего символа Cl, хотя индекс и знак заряда обозначают разные частицы. Проверьте запись: молекула имеет индекс 2, а у иона указан заряд.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства галогенов, нужно знать строение атома, электронные оболочки и устройство периодической системы. Эти знания объясняют, почему атомам группы недостаёт одного электрона. Понятия простого вещества, химической связи и иона помогают различать X₂ и X⁻. Ряд активности пригодится при прогнозировании реакций солей и при изучении окислительно-восстановительных реакций, где частицы передают электроны.

Что запомнить

• Галогены расположены в 17-й группе периодической системы.
• Молекулы простых веществ галогенов имеют состав X₂.
• Галогены принимают электрон и образуют галогенид-ионы.
• При движении от фтора к йоду окраска простых веществ темнеет.
• Химическая активность галогенов уменьшается в ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂.
• Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли.