"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Галогены — элементы 17-й группы, к которым относятся фтор, хлор, бром и иод. Их атомам не хватает одного электрона до устойчивого внешнего слоя, поэтому простые вещества галогенов активно принимают электроны и выступают окислителями. В теме важно понять, почему активность ослабевает сверху вниз, как галогены реагируют с металлами и водородом и по какому правилу один галоген вытесняет другой из раствора соли.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Галогены — элементы 17-й группы, образующие простые вещества с высокой окислительной активностью. К ним относятся фтор, хлор, бром и иод. Это название помогает объединить элементы со сходным строением внешнего слоя и похожими химическими свойствами.
Галогениды — бинарные соединения, содержащие атомы галогена в степени окисления −1. Например, NaCl и MgBr₂ — галогениды натрия и магния. По этому понятию можно распознавать соединения галогенов с металлами и составлять их формулы.
Галогеноводороды — соединения галогенов с водородом состава HX. К ним относятся, например, HCl и HBr; при растворении в воде они образуют соответствующие кислоты. Обозначение HX показывает, что на один атом водорода приходится один атом галогена.
Галогенид-ионы — отрицательно заряженные ионы F⁻, Cl⁻, Br⁻ и I⁻, входящие в состав солей. Их заряд −1 объясняется тем, что атом присоединил один электрон. Это обозначение пригодится при записи ионных уравнений и распознавании солей.
У атомов галогенов на внешнем электронном слое семь электронов. Для завершения слоя не хватает одного, поэтому атомам выгодно присоединить электрон, а не отдавать семь электронов. При присоединении они превращаются в отрицательные ионы, а вещество, принимающее электроны, называют окислителем.
В простых веществах галогенов атомы соединяются попарно, поэтому их формулы записывают как X₂. Два атома образуют общую электронную пару, благодаря чему их внешние слои становятся устойчивее. При переходе от фтора к иоду увеличиваются размер и масса молекул: фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество; окраска становится темнее, а летучесть в целом уменьшается.
В ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂ способность принимать электрон ослабевает. Чем дальше электрон находится от ядра, тем слабее его притяжение, поэтому крупному атому труднее присоединить электрон. Отсюда следует правило вытеснения: более активный галоген окисляет галогенид-ионы менее активного. Например, хлор может вытеснить бром из раствора бромида, а бром не вытеснит хлор из хлорида.
При взаимодействии с металлами галогены принимают электроны от атомов металла и образуют галогениды. Так, натрий отдаёт электрон, а хлор принимает его, образуя NaCl. С водородом галогены образуют галогеноводороды HX: водород отдаёт электрон, а галоген принимает его; конкретные условия реакции зависят от галогена.
Хлор растворяется в воде и частично реагирует с ней: Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO. При этом часть атомов хлора получает электроны и переходит в степень окисления −1, а часть отдаёт их и переходит в +1. В растворе щёлочи при обычных условиях образуются хлорид и гипохлорит, например Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O; при нагревании возможен хлорат. Поэтому в продуктах оказываются соединения одного элемента с разными степенями окисления.
| Галоген | Формула простого вещества | Состояние и цвет при обычных условиях | Окислительная активность | Ион в соединениях |
|---|---|---|---|---|
| Фтор | F₂ | Газ, бледно-жёлтый | Наибольшая | F⁻ |
| Хлор | Cl₂ | Газ, жёлто-зелёный | Меньше, чем у фтора | Cl⁻ |
| Бром | Br₂ | Жидкость, красно-бурая | Меньше, чем у хлора | Br⁻ |
| Иод | I₂ | Твёрдое вещество, тёмно-серое | Наименьшая | I⁻ |
Таблица помогает сравнить состояние и окраску простых веществ и одновременно проверить формулы молекул и ионов. Для прогноза реакции вытеснения достаточно сопоставить окислительную активность: галоген выше в ряду может вытеснить галоген ниже из раствора его соли.
Условие. Составить уравнение реакции алюминия с хлором и назвать образующееся соединение. Алюминий обычно имеет степень окисления +3, хлор в галогениде — −1. Эти значения позволяют составить формулу продукта.
Ответ: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃; образуется хлорид алюминия. Проверка: в обеих частях уравнения по два атома алюминия и шесть атомов хлора.
Условие. В раствор KBr пропустили Cl₂. Нужно выяснить, произойдёт ли реакция, и записать молекулярное и сокращённое ионное уравнения. Решение начинается со сравнения активности галогенов.
Ответ: реакция происходит. Проверка показывает, что атомов и зарядов в ионном уравнении поровну с обеих сторон.
Условие. Из 4,48 л хлора при избытке водорода получают HCl. Нужно найти количество вещества и массу хлороводорода. Считаем, что объём газа дан при нормальных условиях, когда молярный объём равен 22,4 л/моль.
Ответ: n(HCl) = 0,4 моль, m(HCl) = 14,6 г. Избыток водорода означает, что весь хлор может прореагировать.
Записывают формулы простых веществ как F, Cl, Br и I, забывая о двухатомных молекулах. Ошибка возникает, если смешать символ химического элемента с формулой простого вещества. Перед составлением уравнения проверьте, не относится ли реагент к веществам с молекулами X₂.
Считают, что активность галогенов растёт сверху вниз по группе. Но радиус атома при движении вниз увеличивается, и ядро слабее притягивает присоединяемый электрон. Проверяйте направление ряда: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.
Путают галогеноводороды и галогениды: первые содержат водород, а вторые — галогенид-ион и другой элемент. Обычно ошибка появляется из-за сходства названий. Проверьте состав формулы: HX — галогеноводород, а NaCl или KBr — галогенид.
Записывают реакцию вытеснения, не проверив активность галогенов. Сам факт контакта с солью ещё не означает, что реакция произойдёт: менее активный галоген не вытесняет более активный. Сначала сравните положение галогенов в ряду активности и только затем составляйте уравнение.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и периодическом изменении свойств элементов в группе: они объясняют, почему галогены принимают электроны. Степени окисления и понятия окислителя и восстановителя помогают разбирать реакции и составлять формулы бинарных соединений. Далее эти знания используются при изучении кислот, солей и электролитической диссоциации, а также качественных реакций на хлорид-ионы. Свойства хлора важны для понимания его применения, в том числе для обеззараживания воды.
Почему фтор не вытесняет хлор из хлоридов в обычном школьном опыте?
Фтор действительно активнее хлора и теоретически способен окислить хлорид-ионы. Но опыт с простым веществом фтором в школе не проводят: это чрезвычайно опасный газ, который бурно реагирует с водой и многими материалами. Для проверки правила вытеснения обычно используют более безопасные хлор и бром.
Почему простые вещества всех галогенов записывают с индексом 2?
В простом веществе атомы галогена объединяются попарно, образуя молекулы X₂: F₂, Cl₂, Br₂ и I₂. Каждому атому не хватает одного электрона до завершения внешнего слоя, поэтому два атома образуют общую электронную пару.
Как определить, какой галоген вытеснит другой из раствора соли?
Сравните галогены по окислительной активности: она убывает в ряду F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Более активный галоген окисляет ионы менее активного и вытесняет его из раствора соли. Например, хлор вытесняет бром из бромида калия.
Чем галогеноводород отличается от галогенида?
Галогеноводород — соединение водорода с галогеном общей формулы HX, например HCl. Галогенид — соединение, в котором галоген обычно имеет степень окисления −1; к галогенидам относятся, например, соли NaCl и KBr.
Почему хлор используют для обеззараживания воды, несмотря на его токсичность?
В воде хлор образует вещества, которые уничтожают многие болезнетворные микроорганизмы. При обеззараживании используют строго контролируемое количество хлора, а его содержание проверяют, чтобы вода оставалась безопасной. Сам газ токсичен, поэтому обращаться с ним можно только с соблюдением мер безопасности.
§ 40. Галогены и их соединения
