§ 16. Кислородные соединения хлора

Определения и обозначения

Кислородные кислоты хлора — это соединения водорода, хлора и кислорода с формулами HClO, HClO₂, HClO₃ и HClO₄. Они различаются числом атомов кислорода: от одного до четырёх. Этот ряд удобно использовать, чтобы сравнивать состав кислот и проследить изменение степени окисления хлора.

Степень окисления — условный заряд атома, который рассчитывают, считая связи полностью ионными. В формулах кислот и солей её находят по известным значениям: обычно H имеет +1, O — −2, а сумма степеней окисления равна заряду частицы. Расчёт показывает, как меняется состояние хлора и может ли он принимать электроны.

Гипохлориты, хлориты, хлораты и перхлораты — соли кислородных кислот хлора. Они содержат соответственно кислотные остатки ClO⁻, ClO₂⁻, ClO₃⁻ и ClO₄⁻. Название остатка помогает определить, от какой кислоты образована соль, а его заряд — правильно составить формулу.

Окислительные свойства — способность вещества принимать электроны у другого вещества, то есть окислять его. При этом окислитель сам восстанавливается, а степень окисления входящего в него атома обычно уменьшается. Это понятие объясняет химическое действие кислородных соединений хлора и применение некоторых из них.

Как это устроено

В кислоте HClO сумма степеней окисления равна нулю: +1 + x − 2 = 0, поэтому хлор имеет степень окисления +1. В HClO₂ получаем +1 + x − 4 = 0, откуда x = +3. Для HClO₃ уравнение +1 + x − 6 = 0 даёт +5, а для HClO₄: +1 + x − 8 = 0, значит, +7; так виден последовательный рост от +1 до +7.

Названия кислотных остатков связаны с количеством атомов кислорода: ClO⁻ — гипохлорит, ClO₂⁻ — хлорит, ClO₃⁻ — хлорат, ClO₄⁻ — перхлорат. При образовании солей ион водорода кислоты заменяется катионом металла, но сам остаток сохраняется. Например, Na⁺ соединяется с ClO₃⁻ в отношении 1:1, поэтому формула хлората натрия — NaClO₃.

Чем больше атомов кислорода связано с центральным атомом хлора, тем сильнее кислота в общем ряду. Дополнительные атомы кислорода оттягивают электронную плотность от связи O—H и облегчают отделение H⁺. Устойчивость тоже меняется от вещества к веществу: её нельзя установить одним лишь числом атомов кислорода, поскольку важны строение, концентрация и условия; некоторые кислоты и соли опасны или нестабильны.

Хлор в кислородных соединениях имеет положительную степень окисления и может перейти в состояние с меньшей степенью окисления, принимая электроны. Поэтому многие такие соединения проявляют окислительные свойства. Способность принять электроны ещё не задаёт единую силу окислителя для всего ряда: она зависит от конкретного соединения, среды и других условий реакции.

Гипохлориты окисляют многие окрашенные вещества, изменяя их молекулы так, что те перестают поглощать видимый свет; поэтому материал выглядит белым. Окисление важных компонентов клеток микроорганизмов помогает обеззараживать воду и поверхности. Практическое действие не означает, что гипохлориты безопасны: применять их нужно по инструкции и не смешивать с другими средствами без указания производителя.

Кислородные кислоты хлора и их соли

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала найдите формулу кислоты, затем сопоставьте её с кислотным остатком и названием соли. Проверьте заряд: например, для ClO₃⁻ нужен один Na⁺, а для иона с зарядом 2− понадобилось бы два однозарядных катиона. Последний столбец даёт ориентир, но не заменяет сведения о конкретном веществе и условиях.

Разбор задач

1. Определение степени окисления

Определите степень окисления хлора в HClO и HClO₄. Молекулы нейтральны, поэтому сумма степеней окисления всех атомов в каждой формуле должна равняться нулю. Используем стандартные значения H и O и обозначим неизвестную степень хлора через x.

1. Для HClO составляем равенство: +1 + x − 2 = 0.
2. Переносим известные значения: x = +1.
3. Для HClO₄ записываем: +1 + x + 4 · (−2) = 0.
4. Получаем x = +7; проверяем сумму: +1 + 7 − 8 = 0.

Ответ: в HClO степень окисления хлора +1, в HClO₄ — +7. Проверка суммой помогает заметить ошибку в знаке или числе атомов кислорода.

2. Формулы солей и степени окисления

Запишите формулы хлората натрия и перхлората калия, назовите соответствующие кислоты и определите степень окисления хлора. Слова «хлорат» и «перхлорат» указывают на остатки ClO₃⁻ и ClO₄⁻. Сначала уравняем заряды ионов, а затем проверим состав остатков.

1. Na⁺ и ClO₃⁻ имеют заряды +1 и −1, поэтому формула — NaClO₃.
2. Кислоте HClO₃ соответствует название хлорноватая кислота.
3. K⁺ и ClO₄⁻ также соединяются в отношении 1:1, формула — KClO₄.
4. Кислоте HClO₄ соответствует название хлорная кислота. Степени окисления: в ClO₃⁻ уравнение x − 6 = −1 даёт +5, а в ClO₄⁻ уравнение x − 8 = −1 даёт +7.

Ответ: NaClO₃ — хлорат натрия, соль хлорноватой кислоты, Cl имеет +5; KClO₄ — перхлорат калия, соль хлорной кислоты, Cl имеет +7. Заряды катиона и остатка в каждой формуле взаимно компенсируются.

3. Электронный баланс

Хлорат-ион ClO₃⁻ в кислой среде восстанавливается до Cl⁻, а Br⁻ окисляется до Br₂. Нужно уравнять реакцию электронным балансом и затем расставить коэффициенты в полном уравнении. Сначала сравним степени окисления элементов, которые меняются.

1. В ClO₃⁻ хлор имеет +5, а в Cl⁻ — −1: каждый атом Cl принимает 6 электронов.
2. В Br⁻ бром имеет −1, а в Br₂ — 0: каждый атом Br отдаёт 1 электрон.
3. Уравниваем электроны: Cl⁺⁵ + 6e⁻ → Cl⁻; 6Br⁻ → 3Br₂ + 6e⁻.
4. Ставим коэффициент 6 перед Br⁻. В кислой среде добавляем 6H⁺ и 3H₂O, чтобы уравнять водород и кислород.

Ответ: ClO₃⁻ + 6Br⁻ + 6H⁺ → Cl⁻ + 3Br₂ + 3H₂O. Проверка: атомов O три с обеих сторон, H — шесть, заряд слева равен −1, как и справа; электроны в балансе сокращаются.

Типичные ошибки

Ошибка — путать последовательность названий кислот и солей или приписывать хлорату остаток с четырьмя атомами кислорода. Так происходит, потому что приставки и суффиксы похожи. Проверьте число атомов O в ионе: гипохлорит ClO⁻, хлорит ClO₂⁻, хлорат ClO₃⁻, перхлорат ClO₄⁻.

Неверно считать, что хлор во всех соединениях имеет степень окисления −1: это значение характерно для многих хлоридов, но не для кислородных кислот и их солей. Ошибку допускают, перенося знакомое значение на любой состав хлора. Подставьте степени H и O в уравнение суммы и проверьте, равна ли она общему заряду частицы.

Нельзя приравнивать силу кислоты к окислительной способности: первая характеризует отдачу H⁺, вторая — принятие электронов. Их путают, потому что обе характеристики обсуждают при сравнении соединений. Для проверки сформулируйте отдельно, что происходит с протоном, а что — с электронами, и не выводите одно свойство только из другого.

Ошибка — считать кислородные кислоты хлора одинаково устойчивыми и безопасными. Похожий состав не означает одинаковое поведение, а опасность зависит также от концентрации и условий хранения. Проверяйте свойства конкретного вещества по надёжным данным и соблюдайте правила работы с химикатами.

Связь с другими темами

Для этой темы понадобятся правила определения степеней окисления, знания о составе кислот и солей, а также понятия окислителя и восстановителя. Если эти основы знакомы, формулы кислородных соединений хлора можно разбирать через заряд частиц и электронный баланс. Позже эти умения пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций, галогенов и практического применения окислителей.

Что запомнить

• В ряду HClO, HClO₂, HClO₃, HClO₄ степень окисления хлора возрастает от +1 до +7.
• Названия солей соответствуют кислотам: гипохлориты, хлориты, хлораты, перхлораты.
• Формулу и название соли следует проверять по составу её кислотного остатка и заряду иона.
• Кислородные соединения хлора могут выступать окислителями.
• Окислительные свойства и сила кислоты — не одно и то же.
• Гипохлориты используют для отбеливания и обеззараживания благодаря их окислительному действию.