Галогены в химии - формулы и определение с примерами

Содержание:

Понятие "галоген" было введено в науку в 1811 г. немецким химиком И. Швейгером и означало "образующий соль".

Галогенами называют фтор, хлор, бром, йод и астат. Все галогены являются неметаллами и в периодической таблице химических элементов занимают основную подгруппу седьмой группы.

На внешнем энергетическом уровне атомы галогенов имеют семь электронов и для заполнения этого уровня восемью электронами им недостает одного электрона. Поэтому они присоединяют по одному электрону от атомов водорода и металлов и проявляют степень окисления, равную —1:

Будучи сильным электроотрицательным элементом, только фтор проявляет степень окисления —1 во всех соединениях. Другие галогены хлор, бром и йод в соединениях с кислородом проявляют также степень окисления от +1 до +7 .

Строение атомов галогенов

Распространение в природе

Так как галогены являются сильными окислителями, в свободном состоянии в природе они не встречаются и находятся в основном в виде химических соединений (табл. 23).

Таблица 23

Распространение галогенов в природе
 

Химический элемент	Количество в земной коре, %	Природные соединения
Фтор	0,027	Плавиковый шпат , апатит, фосфориты
Хлор	0,045	Хлориды: КС1, NaCl
Бром	0,00016	Бромиды: NaBr, KBr, MgBr,
Йод	0,00003	Йодиды: NaJ, KJ

Получение галогенов

В связи с тем, что в природных соединениях галогены имеют в основном отрицательную (—1) степень окисления, выделение их в свободном состоянии проводится путем окисления ионов галогенидов.

1. Фтор получают из фторид-ионов только в процессе электролиза.
2. Хлор получают из хлоридов путем электролиза растворов, содержащих ионы хлора, или путем воздействия на них сильными окислителями:
3. Бром получают из бромидов путем электролиза растворов, содержащих бромид-ионы, или путем воздействия на них сильными окислителями. Кроме того, бром можно выделить воздействуя на растворы бромидов хлором, так как хлор — более сильный окислитель, чем бром:
4. Йод выделяют из йодидов путем их электролиза или воздействия на них сильными окислителями, в частности, хлором и бромом

Физические свойства галогенов

О некоторых свойствах галогенов вы узнали при изучении природных семейств химических элементов. С возрастанием относительных атомных масс галогенов их физические свойства изменяются по определенной закономерности.

Агрегатные в обычных условиях состояния и цвет постепенно сгущаются.

Фтор — газ светло-зеленого цвета, хлор — тяжелый газ желто-зеленого цвета, бром — жидкость красновато-бурого цвета, йод — кристаллическое вещество темно-серого цвета. Температура кипения и плотность постепенно увеличиваются от фтора к йоду.

Водорастворимость галогенов относительно невелика. Так, в одном объеме воды в обычных условиях растворяется 2,5 объема хлора, водорастворимость йода составляет 0,02 на 100 г воды. Галогены хорошо растворяются в органических растворителях (керосин, бензин, ацетон, различные спирты, бензол и др.).

Йод обладает сублимирующим свойством, то есть при накаливании он превращается в газ фиолетового цвета.

— Явление перехода веществ из твердого состояния в газообразное, а из газообразного в твердое, минуя жидкое, называется сублимацией.

Химические свойства галогенов

Радиусы атомов галогенов увеличиваются от фтора к йоду (в ряду ). Это объясняется тем, что валентные электроны фтора притягиваются к ядру сильнее, чем электроны йода.

В ряду :

• —    окислительные свойства галогенов ослабевают;
• —    химическая активность снижается;
• —    восстановительные свойства усиливаются.

В ряду , наоборот, химическая активность галогенов возрастает. Внешний энергетический слой этих ионов заполнен восемью электронами, они не могут присоединять электроны, а наоборот, отдают их и окисляются.

Фтор — самый активный среди галогенов. Под влиянием фтора окисляется даже кислород. При взаимодействии с водой он горит ярким пламенем:

Элементы знаний, умений и навыков: галогены, сублимация.

Хлор

Хлор — ядовитый газ, натрий — щелочной металл. 

Галогены и их соединения имеют большое значение в народном хозяйстве. Хлор и его соединения занимают важное место в ряду галогенов. Поэтому рассмотрим свойства хлора подробнее. Из предыдущих глав нам известно, что:

1)    в периодической таблице химический элемент хлор расположен в основной подгруппе седьмой группы третьего периода под порядковым номером 17;

2)    атом хлора имеет следующее строение: 

3)    молекула хлора имеет следующее строение:  Это молекула с неполярной ковалентной связью. Распространение в природе. В природе хлор встречается только в виде таких соединений, как:

• галит (каменная соль)-------NaCl;
• сильвинит------------------- КС1 • NaCl;
• сильвин--------------------- КС1;
• бишофит--------------------
• карналлит-------------------
• каинит----------------------

Получение:

В промышленности хлор получают путем электролиза.

В лабораторных условиях хлор получают при взаимодействии с НС1 на установке, указанной на рис. 20. Вместо можно использовать . Запишите уравнение этой реакции и уравняйте ее.

Физические свойства:

Хлор — таз желто-зеленого цвета с острым удушливым запахом, ядовит. Попадая в органы дыхания, хлор вызывает воспаление слизистой оболочки. Поэтому, работая с ним следует соблюдать осторожность. Примерно в 2,5 раза тяжелее воздуха. При температуре 20°С в одном объеме воды растворяется 2,5 объема хлора, в результате образуется раствор, называемый хлорной водой.

Пример №1

Определите массу хлора в хлорной воде.

Решение.

В одном объеме воды растворяется 2,5 объема хлора.

Значит, в 1 л воды растворяется 2,5 л

1.    Масса 1 л воды: т — 1000 мл • 1 г/мл = 1000 г.

2.    Масса 2,5 л :

4.    Масса раствора: 1000 + 7,9 = 1007,9 г.

5.    Массовая доля хлора в растворе:

Химические свойства:

При взаимодействии с водородом, металлами, бромидами и йодидами хлор является окислителем. Например, реакция взаимодействия хлора с натрием выражается следующим уравнением (см. рис. 21, а).

Поскольку хлор сильный окислитель, то вступая в реакцию с железом, он окисляет его до степени окисления +3 (см. рис. 21, в).

Хлор взаимодействует также с сурьмой, медью и рядом простых веществ (рис. 21, б, г).

При взаимодействии с водой и щелочами один атом молекулы хлора является окислителем, второй—восстановителем:

Соединяясь с едким калием, хлор в зависимости от условий образует различные вещества. При взаимодействии хлора с нагретым едким калием образуются хлорид калия и бертолетова соль. Степень окисления хлора в хлориде калия равна —1, в бертолетовой соли +5:

При взаимодействии хлора с холодным едким калием образуются соли КС10 и КС1:

Уравняйте уравнение этой реакции методом электронного баланса.

Элементы знаний, умений и навыков: природные соединения хлора, получение, степени окисления хлора, хлор-окислитель, хлор-восстановитель, соляная кислота.

Хлорид водорода

Чем объясняются кислотные свойства водного раствора хлорида водорода?

Хлорид водорода — одно из самых важных соединений хлора. Его химическая формула НС1. Относительная молекулярная масса 36,5. Структурная формула Н—С1, атомы в молекуле связаны полярной ковалентной связью. Электронная формула .

Получение:

1. В промышленности хлорид водорода получают в реакциях взаимодействия водорода и хлора:

2. В лабораторных условиях хлорид водорода получают путем воздействия на чистый сухой хлорид натрия концентрированной серной кислотой:

При сильном нагревании реакция заканчивается образованием сульфата натрия:

Физические свойства:

Хлорид водорода — бесцветный газ с острым удушливым запахом, немного легче воздуха Очень хорошо растворяется в воде, то есть в одном объеме воды растворяются 500 объемов НС1 (рис. 22).

Химические свойства:

По химическим свойствам хлорид водорода схож с соляной кислотой, поэтому ее химические свойства рассмотрим подробнее ниже. Однако в отличие от соляной кислоты, сухой хлорид водорода не вступает в реакции с металлами и их оксидами.

Применение:

Хлорид водорода используется в основном в производстве соляной кислоты.

Соляная кислота

Соляная кислота представляет собой водный раствор хлорида водорода.

Получение:

В лабораторных условиях соляную кислоту получают с помощью простой реакции. Выделяющийся в результате реакции газ направляется в воду, в которой он быстро растворяется и образует соляную кислоту (рис. 23).

В промышленности соляную кислоту получают путем сжигания водорода с хлором и растворения в воде полученного хлорида водорода (рис. 24).

Физические свойства:

Концентрированная соляная кислота — бесцветная жидкость с острым запахом (за счет выделения хлорида водорода), дымящаяся при влажном воздухе. Плотность концентрированной соляной кислоты 1,19 г/см3, содержание хлорида водорода в ней 37% (такая кислота называется также "дымящейся").

Химические свойства:

1. Соляная кислота вступает в химические реакции, как и все сильные кислоты:

а)    окрашивает фиолетовый цвет лакмуса в красный; обесцвечивает розовый цвет фенолфталеина в щелочной среде; изменяет оранжевый цвет метилоранжа в красный;

б)    взаимодействует со всеми металлами, которые в ряду активности расположены перед водородом, с образованием соли и водорода:

в)    взаимодействует с основными и амфотерными оксидами с образованием солей и воды:

г)    взаимодействует с основаниями с образованием солей и воды:

д)    взаимодействует с солями слабых кислот с образованием новой

2. Реакции, присущие соляной кислоте.

а)    взаимодействует с нитратом серебра и образует белый осадок (AgCl), который не растворяется ни в воде, ни в кислоте:

служит реактивом для определения наличия хлорид-иона в растворах;

б)    взаимодействует с окислителями, в результате чего ион хлора окисляется и образуется свободный хлор:

Соли соляной кислоты называют хлоридами. Хлориды имеют важное значение в народном хозяйстве.

Хлорид натрия (поваренная соль) — NaCl

Поваренная соль в природе встречается в большом количестве. Основная масса ее содержится в растворенном виде в воде морей и океанов. Поваренная соль встречается также в виде твердых кристаллов, называемых каменной солью. На территории Узбекистана каменная соль добывается на месторождениях Ходжаикан, Тубакат, Барса-Кельмес, Байбичакан, Аккала.

Температура кипения поваренной соли 1413°С, температура плавления 800,4°С, плотность 2,16 г/см3. Растворимость при 0°С — 35,6 г.

Поваренная соль имеет важное значение в жизни человека и в народном хозяйстве. Человек потребляет в сутки примерно 10 г, а в год — 3,6 кг поваренной соли. Значит, население Узбекистана в год потребляет примерно 90000 т поваренной соли. Население всего мира потребляет в год 25 млн т этого продукта.

Хлорид калия — КС1

Хлорид калия в природе встречается в виде минералов карналлита — , сильвинита — КС1 • NaCl, сильвина — КС1, каинита — . Природные минералы хлорида калия добываются на месторождениях Тубакат в Кашкадарьинской области и Ходжаикан в Сурхандарьинской области.

Хлорид калия имеет важное значение в производстве калийных удобрений для сельского хозяйства, а также для получения едкого кали, хлора и его соединений.

Почти все хлориды, кроме хорошо растворяются в воде.

Для определения хлоридов и соляной кислоты используется раствор

Соль является реактивом для хлорид-иона (Cl¯).

Кислородные соединения хлора

Галогены, в частности хлор, образуют ряд кислородных соединений, однако эти соединения получают косвенным путем, так как хлор непосредственно с кислородом не взаимодействует. В кислородных соединениях хлор проявляет степень окисления +1, +3, +5, +7.

Хлорноватистая кислота НСlO — неустойчивое вещество, которое существует только в разбавленных растворах.

НСlO — сильный окислитель. При медленном расщеплении ее выделяется атомарный кислород:

НСlO = НС1 + О.

Хлорноватистая кислота относится к очень слабым кислотам. Ее соли получают путем пропускания хлора через раствор щелочи:

При взаимодействии хлора с гашеной известью получают хлорную известь (отбеливающая известь):

Хлорная известь — является смешанной солью (кальциевая соль соляной и хлорноватистой кислот) и имеет структурную формулу

Хлористая кислота —— крайне неустойчива и существует только в разбавленных растворах. Является сильным окислителем. Соли хлористой кислоты неустойчивы и взрываются при ударе.

Хлорноватая кислота — неустойчивое вещество, существует только в растворе. При концентрации в растворе свыше 40% взрывается и расщепляется.

Хлорноватая кислота и ее соли — хлораты также являются сильными окислителями. При пропускании хлора через горячий гидроксид калия получается хлорат калия (бертолетова соль):

Бертолетова соль — устойчивое вещество, которое в качестве окислителя используется при производстве спичек, при изготовлении взрывчатых веществ. В лабораторных условиях применяется для получения кислорода.

Хлорная кислота . Самая сильная среди кислородных соединений хлора. В ряду кислородных соединений хлора кислотные свойства и устойчивость повышаются, а окислительные свойства ослабевают в следующем порядке:

Элементы знаний, умений и навыков: хлорид водорода, соляная кислота, дымящаяся соляная кислота, реакции, присущие иону хлора, окисление хлор-иона, хлорноватистая кислота, хлорная известь, хлористая кислота, хлорноватая кислота, бертолетова соль, хлорная кислота.

Фтор, бром, йод

Какие соединения галогенов вы использовали? С какой целью?

Фтор, бром, йод являются представителями семейства галогенов и широко распространены в природе в виде различных соединений.

Фтор — в природе встречается в виде минералов флюорита (плавиковый шпат) , криолита , фторапатита или

Бром — находится в виде минералов в морских и подземных водах и в качестве примеси во всех природных хлорсодержащих соединениях.

Йод — в природе встречается в составе морских водорослей, губок, морской воды в виде органических соединений и входит в состав чилийской селитры в качестве примеси в виде йодатов

Все галогены имеют острый запах и ядовиты. Молекулы двуатомные, с возрастанием порядкового номера радиусы их атомов увеличиваются, что приводит к повышению поляризованности молекул. В результате усиливается межмолекулярное дисперсионное взаимодействие, что обусловливает жидкое состояние у брома и твердое — у йода. А это в свою очередь является причиной высоких значений их температур кипения и плавления.

Фтор обладает очень высокой химической активностью и практически трудно растворим в растворителях. Бром и йод мало растворимы в воде и хорошо растворяются в органических растворителях.

При комнатной температуре фтор вступает во взаимодействие с щелочными металлами, свинцом и железом, а при накаливании реагирует также со всеми металлами, золотом и платиной. При низких температурах фтор взаимодействует с водородом, йодом, бромом, серой, фосфором, мышьяком, сурьмой, углеродом, кремнием и бором, при этом реакция сопровождается взрывом и воспламенением фтора. При накаливании фтор соединяется с хлором, криптоном и ксеноном:

Фтор не вступает непосредственно в реакцию с кислородом, азотом и алмазом, в атмосфере фтора стекло и вода сгорают:

Несмотря на относительно слабую химическую активность брома и йода, они также взаимодействуют со многими металлами и неметаллами.

Бром реагирует с водородом при небольшом нагреве, а с йодом при сильном нагревании, однако с повышением температуры нагрева

HJ начинает расщепляться и происходит обратная реакция, которая не доходит до конца:

Химические свойства галогенов ослабевают от фтора к астату, окислительные свойства снижаются поэтапно. Этим объясняется окисление легкими галогенами (в качестве простых веществ) ионов тяжелых галогенидов и восстановление оксидов легких галогенов ионами тяжелых галогенидов:

Так как фтор, бром, йод в природе встречаются в виде соединений и их ионы заряжены отрицательно, получение этих галогенов в свободном состоянии осуществляется через окисление их ионов путем воздействия окислителями и пропускания электрического тока через расплавы или водные растворы их солей.

Фтор используется для изготовления устойчивых к высоким температурам смазочных средств, стойких к химическим реагентам пластмасс (тефлон), охлаждающих жидкостей (фреон, хладон) и др.

Бром применяется при производстве различных лечебных средств, некоторых красок, при изготовлении бромида серебра. Недостаток брома в организме человека приводит к возникновению различных заболеваний нервной системы. При лечении этих заболеваний и при бессоннице применяются лекарственные средства на основе брома.

Пятипроцентный спиртовый раствор йода используется в медицине в качестве антисептического и кровоостанавливающего средства, а также при изготовлении ряда фармацевтических средств.

Пример №2

Как можно получить хлорид кальция с помощью поваренной соли и других необходимых веществ? Запишите соответствующие уравнения реакций.

Решение:

1) получение НС1 и из поваренной соли:

2)    получение Сапутем воздействия на HC1 оксидом Ca (CaO) или

3)    получение Ca также путем воздействия на хлор кальцием: