§ 42. Галогены как простые вещества

Определения и обозначения

Галоген — химический элемент 17-й группы, атомам которого не хватает одного электрона до завершения внешнего электронного слоя. Поэтому галогены охотно принимают электрон и часто выступают окислителями. К ним относятся фтор, хлор, бром и иод.

Простое вещество — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Простые вещества галогенов обозначают формулами F₂, Cl₂, Br₂ и I₂, а не символами F, Cl, Br и I. Это различие помогает не путать атом или элемент с веществом, которое можно получить в опыте.

Двухатомная молекула — молекула, образованная двумя атомами одного галогена и обозначаемая общей формулой X₂. Буква X здесь заменяет символ любого галогена, поэтому запись подходит сразу для четырёх простых веществ. Индекс 2 показывает, сколько атомов входит в одну молекулу.

Окислительная способность — способность простого вещества принимать электроны. Для галогенов она связана с присоединением одного электрона атомом и образованием иона X⁻. Это понятие нужно, чтобы сравнивать активность галогенов и предсказывать, какой из них вытеснит другой из раствора соли.

Как это устроено

У отдельного атома галогена на внешнем электронном слое семь электронов, поэтому до завершения слоя недостаёт одного. Когда два атома сближаются, каждый предоставляет по одному электрону для общей пары; оба атома учитывают эту пару и получают устойчивую внешнюю оболочку. Так возникают двухатомные молекулы X₂ с ковалентной неполярной связью: одинаковые атомы притягивают общую пару одинаково. Поэтому формулы простых веществ записывают с индексом 2.

Сверху вниз по группе размер атома увеличивается: электронные слои находятся дальше от ядра, а внешний электрон сильнее экранируется внутренними слоями. Поэтому ядру труднее притянуть к себе ещё один электрон. Способность присоединять электрон и окислительная сила галогенов убывают в порядке F₂, Cl₂, Br₂, I₂. Это объясняет, почему фтор активнее хлора, а иод слабее брома.

Вниз по группе увеличивается относительная молекулярная масса X₂ и размер электронных оболочек. Между молекулами действуют силы притяжения; у крупных молекул они сильнее, поэтому для разделения молекул требуется больше энергии. В результате повышаются температуры плавления и кипения: фтор и хлор при комнатной температуре остаются газами, бром становится жидкостью, а иод — твёрдым веществом. По той же группе цвет простых веществ становится темнее.

При реакции с металлом атомы галогена принимают электроны, которые отдают атомы металла. Образуются галогениды металлов, например хлорид натрия NaCl или бромид калия KBr. В реакции с водородом галоген принимает электронную плотность, а продуктом становится галогеноводород; например, водород реагирует с хлором с образованием HCl. Условия реакций могут различаться, но продукты отражают способность галогенов образовывать соединения.

В растворе соли галоген находится в виде отрицательно заряженных ионов, например Br⁻ или I⁻. Более сильный окислитель принимает у таких ионов электроны, и они превращаются в молекулы простого вещества; сам окислитель становится ионами галогенида. Поэтому хлор вытесняет бром и иод из их солей, а бром вытесняет иод, но обратные реакции в этих парах не идут. Правило работает только при сравнении активности двух галогенов.

Сравнение простых веществ галогенов

Используйте таблицу, чтобы сопоставлять физические свойства и химическую активность: чем ниже галоген в группе, тем слабее его окислительная способность. Для задачи о вытеснении сначала найдите галоген в составе соли, затем сравните его с добавленным галогеном. Массы приведены приблизительно, а в лаборатории любые галогены требуют специальных мер безопасности.

Разбор задач

Задача 1. Определите галоген по описанию: простое вещество представляет собой красно-бурую жидкость, пары ядовиты. Запишите его формулу.

1. Сравним агрегатные состояния: фтор и хлор — газы, иод — твёрдое вещество.
2. Красно-бурая жидкость среди простых веществ галогенов — бром.
3. Учитываем, что простое вещество бром состоит из двухатомных молекул.

Ответ: бром, формула Br₂. Цвет и агрегатное состояние помогают отличить его от соседнего в ряду иода.

Задача 2. Составьте и уравняйте уравнения реакций алюминия с хлором и водорода с бромом.

1. Металл с галогеном образует соль — галогенид металла. Для алюминия и хлора продуктом будет AlCl₃.
2. Записываем Al + Cl₂ → AlCl₃. Чтобы уравнять хлор, берём 3Cl₂ и 2AlCl₃; затем уравниваем алюминий: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃.
3. Водород с бромом образует галогеноводород HBr. Записываем H₂ + Br₂ → HBr и ставим коэффициент 2 перед HBr.

Ответ: 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃; H₂ + Br₂ → 2HBr. При проверке подсчитайте атомы каждого элемента слева и справа, не забывая, что исходные галогены двухатомны.

Задача 3. В растворы бромида калия и иодида калия пропустили хлор. Определите, какие реакции произойдут, запишите уравнения и объясните результат.

1. Располагаем галогены по убыванию окислительной способности: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂. Значит, хлор сильнее брома и иода.
2. Хлор может отнять электроны у ионов Br⁻ и I⁻, поэтому в обоих растворах образуется простое вещество вытесняемого галогена.
3. Записываем и уравниваем реакции: Cl₂ + 2KBr → 2KCl + Br₂; Cl₂ + 2KI → 2KCl + I₂.

Ответ: обе реакции произойдут. Хлор вытесняет из солей и бром, и иод, поскольку в ряду активности он расположен выше них.

Типичные ошибки

Записывать формулы простых веществ как F, Cl, Br и I — значит путать символ элемента с формулой вещества. Ошибка возникает потому, что символы привычны по Периодической системе, но молекулы галогенов двухатомны. Проверяйте, о чём идёт речь: атом обозначают символом, простое вещество — формулой X₂.

Некоторые считают, что окислительная способность увеличивается вниз по группе. Это путают с ростом массы и размера атомов, хотя крупному атому труднее присоединить электрон. Для самопроверки восстановите ряд: F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.

Бром и иод иногда меняют местами по цвету или агрегатному состоянию. Запомните признаки: бром — красно-бурая жидкость, а иод — тёмное твёрдое вещество с фиолетовыми парами. Сверяйте сразу оба признака, а не только цвет.

Нельзя записывать реакцию вытеснения, не сравнив активности галогенов. Если добавленный галоген слабее того, который входит в соль, он не сможет отнять у его ионов электроны. Перед записью реакции расположите оба галогена в ряду активности и проверьте, что добавленный стоит выше.

Связь с другими темами

Для понимания свойств галогенов пригодятся знания об их положении в Периодической системе, внешнем электронном слое, окислителях и восстановителях. Строение молекул X₂ связано с темой химической связи: два одинаковых атома образуют ковалентную неполярную связь. Эти знания понадобятся при изучении галогенидов, галогеноводородов, растворов солей и окислительно-восстановительных реакций.

Что запомнить

• Простые вещества галогенов имеют общую формулу X₂.
• Основные простые вещества галогенов — F₂, Cl₂, Br₂ и I₂.
• Фтор и хлор при комнатной температуре — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество.
• Вниз по группе цвет галогенов становится темнее, а температура кипения повышается.
• Окислительная способность галогенов уменьшается от фтора к иоду.
• Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли.
• При работе с галогенами необходимы особые меры безопасности из-за их высокой реакционной способности и токсичности.