"Химия", Журин А.А.
Галогены — элементы 17-й группы, атомам которых не хватает одного электрона до устойчивой внешней оболочки. Поэтому они легко вступают в реакции и проявляют сильные окислительные свойства. Простые вещества фтора, хлора, брома и йода состоят из двухатомных молекул, но различаются агрегатным состоянием, цветом и активностью. Знание закономерностей группы помогает составлять формулы, уравнения реакций и определять, какой галоген вытеснит другой из раствора соли.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Галогены — химические элементы 17-й группы периодической системы, образующие простые вещества с высокой химической активностью. К ним относятся фтор, хлор, бром и йод. Это название помогает сразу связать элементы с их общими свойствами и расположением в таблице.
Простые вещества галогенов — двухатомные молекулы F2, Cl2, Br2 и I2. Фтор и хлор при комнатной температуре являются газами, бром — красно-бурой жидкостью, а йод — тёмным твёрдым веществом с фиолетовыми парами. Индекс 2 в формуле нельзя пропускать: он показывает состав молекулы.
Галогениды — бинарные соединения галогенов с металлами и другими элементами, в которых галоген обычно имеет степень окисления −1. Примеры таких соединений — NaCl и KBr. Понятие помогает правильно составлять формулы солей и определять состав продуктов реакций.
Галогеноводороды — соединения галогенов с водородом: HF, HCl, HBr и HI. При растворении в воде они образуют соответствующие кислоты: фтороводород — плавиковую кислоту, а HCl, HBr и HI — соляную, бромоводородную и йодоводородную кислоты. Формула соединения показывает, что на один атом водорода приходится один атом галогена.
Галогены находятся в 17-й группе, поэтому на внешнем энергетическом уровне их атомов семь электронов: общая запись имеет вид ns²np⁵. Для завершения внешнего уровня нужен ещё один электрон, и именно это объясняет стремление галогенов вступать в реакции. Принимая электрон, атом превращается в отрицательно заряженный галогенид-ион X⁻.
Один атом галогена не может самостоятельно получить устойчивую оболочку без изменения числа электронов. Поэтому два одинаковых атома объединяют по одному неспаренному электрону в общую электронную пару. Так образуется ковалентная связь и двухатомная молекула X2, например Cl2.
Сверху вниз по группе увеличивается число электронных слоёв, а вместе с ним — радиус атома. Внешний уровень оказывается дальше от ядра и сильнее экранируется внутренними электронами, поэтому притяжение присоединяемого электрона ослабевает. По этой причине неметаллические свойства и окислительная способность уменьшаются в ряду F2 → Cl2 → Br2 → I2.
У молекул, расположенных ниже в группе, больше размер и масса. Межмолекулярное притяжение становится сильнее, поэтому повышаются температуры плавления и кипения, а летучесть уменьшается. Так объясняется переход от газообразных фтора и хлора к жидкому брому и твёрдому йоду, а также усиление окраски простых веществ.
| Свойство | Фтор F2 | Хлор Cl2 | Бром Br2 | Йод I2 |
|---|---|---|---|---|
| Положение элемента в 17-й группе | 2-й период | 3-й период | 4-й период | 5-й период |
| Электронная формула внешнего уровня | 2s²2p⁵ | 3s²3p⁵ | 4s²4p⁵ | 5s²5p⁵ |
| Агрегатное состояние при комнатной температуре | Газ | Газ | Жидкость | Твёрдое вещество |
| Окраска простого вещества | Бледно-жёлтая | Жёлто-зелёная | Красно-бурая | Тёмно-фиолетовая |
| Изменение активности по сравнению с предыдущим элементом | Самый активный | Меньше, чем у F2 | Меньше, чем у Cl2 | Меньше, чем у Br2 |
| Формула соединения с водородом | HF | HCl | HBr | HI |
| Формула соединения с натрием | NaF | NaCl | NaBr | NaI |
| Способность вытеснять другие галогены из растворов их солей | Вытесняет Cl, Br и I | Вытесняет Br и I | Вытесняет I | Не вытесняет другие галогены |
Таблицу удобно читать сверху вниз, чтобы увидеть изменение свойств в группе: от фтора к йоду растут размеры и уменьшается активность. Для решения реакций вытеснения сравнивают галогены по ряду F2 > Cl2 > Br2 > I2. Формулы соединений с натрием составляются с учётом заряда иона галогена −1.
Задача 1. Определите, какому галогену соответствует электронная формула внешнего уровня 3s²3p⁵, и запишите формулу его простого вещества. Номер уровня 3 указывает на третий период, а пять электронов на p-подуровне вместе с двумя s-электронами дают семь внешних электронов. Значит, перед нами элемент 17-й группы третьего периода.
Ответ: хлор; формула простого вещества — Cl2.
Задача 2. Запишите уравнения реакций хлора с натрием и водородом, расставьте коэффициенты и назовите продукты. Хлор принимает электроны, поэтому с натрием образует ионное соединение NaCl, а с водородом — молекулярный хлороводород HCl. В обоих случаях учитываем, что исходный хлор записывается как Cl2.
Задача 3. В раствор бромида калия пропустили хлор. Хлор активнее брома, поэтому он принимает электроны у бромид-ионов и выделяет свободный бром. Уравнение реакции: Cl2 + 2KBr → 2KCl + Br2; раствор приобретает красно-бурую окраску.
1. Формулы F, Cl, Br и I записывают как формулы простых веществ. Ошибка возникает из-за смешения символа элемента и состава молекулы. Проверьте себя: простые вещества галогенов всегда имеют индекс 2 — F2, Cl2, Br2, I2.
2. Считают, что активность увеличивается сверху вниз. Причина ошибки — привычка связывать активность с увеличением атомной массы. Запомните ряд F2 > Cl2 > Br2 > I2 и сравнивайте способность принимать электрон.
3. Галоген путают с галогенид-ионом. Молекула Cl2 — нейтральное простое вещество, а Cl⁻ — частица с зарядом −1, возникшая после присоединения электрона. При проверке укажите заряд и число атомов: это разные записи и разные свойства.
4. Реакцию вытеснения записывают для любых двух галогенов. Так происходит, если не сравнить их активность до составления уравнения. Сначала расположите вещества в ряду активности: реакция возможна только при участии более активного галогена.
Для изучения галогенов нужны знания о строении атома, периодическом законе и электронных оболочках. Также важно уметь составлять формулы бинарных соединений по зарядам частиц.
Тема связана с кислотами, солями и окислительно-восстановительными реакциями. Галогеноводороды дают кислоты в воде, а переход электронов объясняет образование галогенидов.
Знание активности галогенов помогает понять получение хлора, дезинфекцию воды и качественные реакции на хлорид-ионы. Правило вытеснения используется при распознавании состава растворов.
Почему галогены существуют в виде двухатомных молекул?
У атома галогена на внешнем уровне семь электронов, поэтому ему нужен ещё один электрон. Два атома объединяют по одному электрону в общую пару и образуют молекулу X₂, где X — атом галогена.
Почему фтор активнее хлора, а хлор активнее брома?
Сверху вниз по группе увеличивается радиус атома, поэтому внешнему атому сложнее притянуть недостающий электрон. Из-за этого окислительная способность и химическая активность уменьшаются от фтора к йоду.
Почему йод — твёрдое вещество, а фтор и хлор — газы?
Вниз по группе увеличиваются размеры и масса молекул, а силы притяжения между ними становятся сильнее. Поэтому температура кипения растёт: фтор и хлор остаются газами, бром является жидкостью, а йод — твёрдым веществом.
Как определить, вытеснит ли один галоген другой из раствора соли?
Нужно сравнить их активность: более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли. Например, хлор вытесняет бром из KBr, а бром не вытесняет хлор из KCl.
Чем галоген отличается от галогенид-иона?
Галоген — это атом или простое вещество элемента, например Cl или Cl₂. Галогенид-ион образуется после присоединения электрона и имеет заряд −1, например Cl⁻.
15. Галогены
