§ 14. Галогены

Определения и обозначения

Галогены — элементы 17-й группы, образующие простые вещества из двухатомных молекул. Название пришло из греческого и означает «рождающие соли»: галогены соединяются с металлами, образуя соли. К этой группе относятся фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I и астат At. Обозначение X₂ используют для общей формулы простого вещества галогена.

Галогеноводороды — соединения галогенов с водородом, имеющие формулы HF, HCl, HBr и HI. Их общая формула — HX, но свойства соединений не одинаковы: например, плавиковая кислота HF отличается от остальных галогеноводородных кислот. Понятие помогает распознавать продукты реакции галогена с водородом и сравнивать их свойства.

Галогенид-ионы — отрицательно заряженные ионы галогенов с зарядом −1: F⁻, Cl⁻, Br⁻ и I⁻. Они образуются, когда атом галогена присоединяет один электрон. Такие ионы входят в состав солей, например хлорида натрия NaCl, и участвуют в реакциях вытеснения.

Межгалогенные соединения содержат атомы разных галогенов в одной молекуле. Примеры таких веществ — ClF и ICl. Это обозначение отличает соединения галогенов друг с другом от их солей и соединений с водородом.

Как это устроено

У атома каждого галогена на внешнем электронном уровне семь электронов. Для завершения внешнего уровня ему не хватает одного, поэтому атом обычно присоединяет электрон и превращается в ион X⁻. В молекуле простого вещества два одинаковых атома образуют общую электронную пару: так возникает устойчивая двухатомная молекула X₂.

Вниз по группе атомы и образованные ими молекулы становятся крупнее. Электронные оболочки сильнее взаимодействуют друг с другом, поэтому усиливается притяжение между молекулами, а для их разделения требуется больше энергии. Этим объясняется рост температур плавления и кипения от фтора к иоду: при комнатной температуре фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество. Окраска тоже темнеет: от бледно-жёлтой у фтора до тёмной у иода.

При реакции галоген X₂ принимает электроны, то есть выступает окислителем. Чем легче он принимает электроны, тем сильнее его окислительная способность; у галогенов она уменьшается от фтора к иоду. Поэтому более активный галоген может отнять электроны у галогенид-ионов менее активного и превратить их в простое вещество. Например, хлор вытесняет бром из раствора бромида.

С металлами галогены образуют галогениды: металл отдаёт электроны, а атомы галогена принимают их. Так, натрий образует с хлором ионное соединение NaCl. При взаимодействии с водородом получается галогеноводород HX; здесь образуются молекулы, а не соль из ионов металла. Фтор реагирует особенно энергично, в том числе с водородом, тогда как для других галогенов условия реакции могут быть более строгими.

Свободные галогены редко сохраняются в природе, потому что легко реагируют с веществами окружающей среды. Их атомы образуют устойчивые соединения, а наиболее распространённая форма — галогениды, содержащие ионы F⁻, Cl⁻, Br⁻ или I⁻. Например, хлорид-ионы входят в состав растворённых солей и минералов. Поэтому природные источники галогенов обычно представляют собой соединения, из которых элементы получают химическими способами.

Сравнение простых веществ-галогенов

Сравнивайте столбцы сверху вниз, чтобы увидеть общие изменения, и слева направо — чтобы определить положение конкретного вещества в ряду активности. Строка о вытеснении показывает, какой галоген может окислить галогенид-ион из раствора. Учитывайте, что состояние и цвет в таблице относятся к простым веществам при обычных условиях.

Разбор задач

1. Ряд окислительной способности и вытеснение брома

Условие. Расположите F₂, Cl₂, Br₂ и I₂ по убыванию окислительной способности и укажите, вытеснит ли хлор бром из раствора бромида калия. Нужно применить ряд активности галогенов и проверить, может ли Cl₂ окислить Br⁻. Из этого сразу станет ясно, возможна ли реакция замещения.

1. Сверху вниз по группе окислительная способность галогенов уменьшается, поэтому ряд начинается с фтора.
2. Записываем убывающий ряд: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.
3. Хлор стоит выше брома, значит, он активнее и вытесняет бром из соли. Уравнение реакции: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂.

Ответ. F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂; хлор вытесняет бром из раствора бромида калия. В реакции образуются хлорид калия и простое вещество бром. Коэффициенты показывают, что одна молекула Cl₂ реагирует с двумя формульными единицами KBr.

2. Реакции натрия и водорода с хлором

Условие. Составьте уравнения реакций натрия с хлором и водорода с хлором, укажите формулы продуктов и тип каждой реакции. В обоих случаях необходимо помнить, что хлор записывается как Cl₂. Затем проверяем число атомов каждого элемента и расставляем коэффициенты.

1. Натрий образует ион Na⁺, а хлор — ион Cl⁻, поэтому формула соли — NaCl. Балансируем атомы: 2Na + Cl₂ → 2NaCl; это реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция.
2. Водород и хлор образуют галогеноводород HCl. Чтобы уравнять H₂ и Cl₂, записываем H₂ + Cl₂ → 2HCl; это также реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция.

Ответ. 2Na + Cl₂ → 2NaCl; H₂ + Cl₂ → 2HCl. В первом случае продукт — хлорид натрия, во втором — хлороводород. Обе реакции являются реакциями соединения; в каждой меняются степени окисления элементов.

3. Расчёт количества образовавшегося брома

Условие. Через раствор бромида калия пропустили 0,224 л хлора при нормальных условиях. Определите реакцию и количество вещества образовавшегося брома. Сначала устанавливаем, возможна ли реакция по ряду активности, затем используем соотношение коэффициентов и молярный объём газа при н. у. — 22,4 л/моль.

1. Хлор активнее брома, поэтому вытесняет его из бромида калия: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂.
2. Находим количество хлора: n(Cl₂) = V / Vm = 0,224 л / 22,4 л/моль = 0,010 моль.
3. По уравнению один моль Cl₂ образует один моль Br₂. Следовательно, n(Br₂) = 0,010 моль, если бромид калия взят в избытке.

Ответ. Протекает реакция вытеснения, уравнение: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂. Образуется 0,010 моль брома. Равенство количеств вещества хлора и брома следует из коэффициентов 1:1.

Типичные ошибки

Записывать простые вещества как F, Cl, Br и I — значит путать символ элемента с формулой вещества. Ошибку допускают, когда забывают, что молекулы галогенов двухатомны. Перед уравниванием реакции проверьте, не должно ли обозначение быть X₂: например, Cl₂, а не Cl.

Иногда считают, что окислительная способность растёт вниз по группе, потому что увеличиваются атомный радиус и температуры кипения. Но эти изменения не означают, что атом легче принимает электрон: способность окислять в ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂ уменьшается. Проверьте направление ряда отдельно от физических свойств: самый сильный окислитель здесь — фтор.

Неверно предполагать, что любой галоген вытесняет любой другой из соли. Реакция идёт, только если свободный галоген активнее того, чей ион содержится в растворе. Перед записью уравнения сравните их места в ряду F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.

Нельзя приписывать простому веществу свойства его иона: галоген X₂ обычно является окислителем, а галогенид-ион X⁻ — восстановителем. Путаница возникает из-за общего названия «галоген». Проверяйте заряд и форму частицы: принимает ли она электроны или отдаёт их в рассматриваемой реакции.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства галогенов, нужно знать строение атома, электронные оболочки и уметь находить элементы в периодической системе. Для записи реакций пригодятся навыки составления формул бинарных соединений, уравнивания уравнений и определения степеней окисления. Эти знания связывают тему с окислительно-восстановительными реакциями и химией растворов: по ним можно предсказать, произойдёт ли вытеснение галогена из соли. Позже они помогут разбирать свойства галогенидов и их превращения.

Что запомнить

• Галогены — элементы 17-й группы; простые вещества имеют формулу X₂.
• У атома галогена семь электронов на внешнем уровне.
• В ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂ окислительная способность уменьшается.
• Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли.
• Сверху вниз по группе возрастают температуры плавления и кипения.
• В природе галогены преимущественно встречаются в составе соединений.