16.4. Кислородсодержащие соединения галогенов

Определения и обозначения

Оксокислота галогена — кислородсодержащая кислота, в которой атом галогена связан с кислородом и входит в кислотный остаток. Например, HClO₃ — оксокислота хлора. Это понятие помогает отличать кислоты от других соединений галогена с кислородом.

Гипогалогенит — соль гипогалогенистой кислоты, содержащая остаток с галогеном в степени окисления +1. Например, NaClO — гипохлорит натрия, соль HClO. Название указывает на тип кислотного остатка и помогает не перепутать соли при записи формул.

Галогенат — соль кислородсодержащей кислоты галогена; конкретное название зависит от степени окисления галогена. Так, ClO₃⁻ — хлорат-ион, а ClO₄⁻ — перхлорат-ион. Различие в приставках и суффиксах показывает, от какой кислоты образована соль.

Оксид галогена — бинарное соединение галогена с кислородом, например Cl₂O. В оксиде нет ионов водорода, характерных для кислоты, и катиона металла, характерного для соли. Это определение не позволяет смешивать оксиды с кислотами и их солями.

Как это устроено

В кислородсодержащих кислотах хлора кислород обычно имеет степень окисления −2, а водород — +1. Поскольку молекула нейтральна, сумма степеней окисления равна нулю: для HClO хлор имеет +1, для HClO₂ — +3, для HClO₃ — +5, для HClO₄ — +7. При добавлении атомов кислорода степень окисления хлора возрастает, поэтому у каждой кислоты получается свой состав кислотного остатка.

Названия отражают положение кислоты в ряду: HClO — гипохлористая, HClO₂ — хлористая, HClO₃ — хлорноватая, HClO₄ — хлорная. Приставка «гипо-» и окончание «-истая» соответствуют наименьшей степени окисления в этом ряду, а «-ная» — наибольшей; для двух средних кислот различаются окончания. Поэтому названия нельзя выбирать только по числу атомов водорода: нужно учитывать степень окисления хлора.

Кислотный остаток получают, удаляя из формулы кислоты ионы водорода; его заряд равен числу удалённых H⁺. Так, HClO₃ даёт ClO₃⁻, а HClO₄ — ClO₄⁻. Заряд остатка определяет, сколько катионов нужно для нейтральной соли: для Na⁺ и ClO₃⁻ достаточно соотношения 1:1, а для Ca²⁺ понадобились бы два однозарядных остатка.

В ряду от HClO к HClO₄ кислотные свойства в целом усиливаются: дополнительные атомы кислорода оттягивают электронную плотность и облегчают отщепление H⁺. Однако кислотная сила и устойчивость — разные характеристики. Гипохлористая кислота неустойчива, а хлорная кислота может быть устойчивой в разбавленном растворе, хотя концентрированная кислота опасна и обладает сильными окислительными свойствами.

Атом галогена в положительной степени окисления может принимать электроны и восстанавливаться, поэтому многие такие соединения проявляют окислительные свойства. Некоторые из них одновременно способны и отдавать электроны: тогда один и тот же элемент в одной реакции окисляется и восстанавливается, что называется диспропорционированием. Например, ион ClO⁻ со степенью окисления хлора +1 в щелочной среде может образовать Cl⁻ и ClO₃⁻.

Кислородсодержащие кислоты хлора и соответствующие соли

Сначала найдите в строке кислоту и её остаток, затем используйте название остатка, чтобы назвать соль. Заряд каждого остатка здесь равен −1, поэтому с катионом Na⁺ или K⁺ он образует соль в соотношении 1:1. Для катионов с большим зарядом число остатков подбирают так, чтобы суммарный заряд соли был равен нулю.

Разбор задач

1. Определить степень окисления хлора в HClO и назвать кислоту

Условие. Найдите степень окисления хлора в HClO и определите название кислоты. Молекула в целом нейтральна, а для водорода и кислорода используйте обычные значения степеней окисления. После вычисления сверьте результат с рядом кислот хлора.

1. Обозначим степень окисления хлора через x. Для нейтральной молекулы сумма равна нулю: +1 + x − 2 = 0.
2. Решаем уравнение: x = +1. В ряду кислот хлора этому значению соответствует HClO.
3. Кислоте HClO соответствует название «гипохлористая кислота».

Ответ: степень окисления хлора +1, гипохлористая кислота.

2. Записать формулы хлората натрия и перхлората калия

Условие. Составьте формулы солей по названиям. Сначала определите кислотные остатки, затем учтите заряды катионов металлов. Такой порядок позволяет не подбирать индексы наугад.

1. Хлорат — остаток хлорноватой кислоты ClO₃⁻, а перхлорат — остаток хлорной кислоты ClO₄⁻.
2. Ион натрия Na⁺ и ион хлората ClO₃⁻ имеют заряды +1 и −1. Они соединяются в соотношении 1:1: NaClO₃.
3. Ион калия K⁺ и ион перхлората ClO₄⁻ тоже имеют противоположные заряды одинаковой величины. Формула соли: KClO₄.

Ответ: хлорат натрия — NaClO₃, перхлорат калия — KClO₄.

3. Диспропорционирование соединения хлора со степенью окисления +1

Условие. Определите продукты диспропорционирования гипохлорит-иона ClO⁻ в щелочной среде и расставьте коэффициенты. Один атом хлора должен восстановиться, а другой — окислиться. Проверить результат можно по числу атомов и суммарному заряду.

1. В ClO⁻ хлор имеет степень окисления +1. При восстановлении он может перейти в Cl⁻ со степенью −1, а при окислении — в ClO₃⁻ со степенью +5.
2. Изменение −2 для одного атома уравновешивается изменением +4 для другого. Поэтому ионов Cl⁻ должно быть вдвое больше, чем ClO₃⁻: получаем 3ClO⁻ → 2Cl⁻ + ClO₃⁻.
3. Проверка: слева и справа по три атома хлора и по три атома кислорода с учётом воды в молекулярной записи. Заряд обеих частей ионного уравнения равен −3, значит, запись сбалансирована.

Ответ: 3ClO⁻ → 2Cl⁻ + ClO₃⁻. Хлор +1 одновременно восстанавливается до −1 и окисляется до +5.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все галогены образуют одинаковый набор устойчивых кислородных кислот. Такое обобщение возникает из-за сходства галогенов в периодической системе, но их соединения отличаются по возможностям образования и устойчивости; фтор положительных степеней окисления не проявляет. Проверьте, какой именно галоген указан в формуле и допустима ли для него предполагаемая степень окисления.

Ошибка: перепутать степени окисления в соседних кислотах и неверно записать остаток. Это происходит, если ориентироваться только на число атомов кислорода, не составляя уравнение для нейтральной молекулы. Проверка простая: сложите степени окисления всех атомов и убедитесь, что сумма равна нулю, а заряд остатка получен удалением H⁺.

Ошибка: считать приставки и окончания в названиях кислот и солей взаимозаменяемыми. Название соли связано с названием исходной кислоты: HClO₃ образует хлорат, а HClO₄ — перхлорат. Чтобы проверить себя, сопоставьте название с формулой остатка и степенью окисления хлора, а затем уравняйте заряды соли.

Ошибка: отождествлять силу кислоты, её устойчивость и окислительную способность. Эти свойства описывают разные процессы, поэтому одно из них нельзя автоматически вывести из другого; путаницу вызывает то, что они могут обсуждаться для одного вещества. Проверяйте каждое свойство отдельно: кислотность — по отдаче H⁺, устойчивость — по способности сохраняться, окислительные свойства — по принятию электронов.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны правила определения степеней окисления, а также умение составлять формулы кислот и солей по зарядам ионов. Затем знания применяются при разборе окислительно-восстановительных реакций: изменение степени окисления помогает определить окислитель и восстановитель. С диспропорционированием связаны реакции, в которых один элемент одновременно окисляется и восстанавливается; среди практических примеров встречаются гипохлориты и хлораты.

Что запомнить

• У хлора в кислородсодержащих кислотах встречаются степени окисления от +1 до +7.
• Кислотный остаток получают из формулы кислоты удалением ионов водорода.
• Заряд остатка определяет, сколько катионов нужно для электронейтральной соли.
• Фтор не образует кислородсодержащих кислот с положительной степенью окисления фтора.
• Некоторые кислородсодержащие соединения галогенов проявляют окислительные свойства.
• При диспропорционировании один и тот же элемент одновременно окисляется и восстанавливается.