6.30. Галогены как химические элементы

Химические свойства

Хлор при нагревании реагирует с серебром, золотом, платиной и другими металлами:

Для достижения заметной скорости реакции других галогенов с металлами обычно также требуется предварительное нагревание металла.

Обратим внимание на то, что простые вещества хлор и бром в силу высокой окислительной способности образуют c железом соединения , , в то время как действие соляной кислоты на железо приводит к образованию .

2. Реакции с водородом:

• а) фтор взаимодействует при комнатной температуре: ;
• б) хлор реагирует при поджигании или воздействии ультрафиолетового излучения: ;
• в) бром реагирует при нагревании: , реакция обратима;
• г) йод вступает в реакцию медленно даже при нагревании, реакция обратима: .

Таким образом, реакционная способность по отношению к водороду снижается в ряду галогенов F2 — Cl2 — Br2 — I2.

3. Реакции с растворами солей галогеноводородных кислот. В водных растворах галогеноводородных кислот, а также их солей более электроотрицательный галоген вытесняет менее электроотрицательный. Так, хлор вытесняет бром и йод, например:

.

Бром вытесняет только йод из растворов йодидов:

.

Способность более активных галогенов вытеснять менее активные из их соединений используется на практике. Например, бром и йод получают при действии хлора на их соединения.

Для фтора реакция вытеснения из растворов менее активных галогенов не характерна, так как фтор вступает в реакцию с водой.

4. Реакции с органическими веществами. Галогенирование органических соединений происходит чаще всего в реакциях замещения (насыщенные и ароматические углеводороды) или присоединения (ненасыщенные и ароматические углеводороды). Например:

• • • хлорирование метана: (реакция замещения);
  • • бромирование бензола: ;
  • • взаимодействие бромной воды с фенолом:

+ 3HBr (реакция замещения);

• • хлорирование этилена: (реакция присоединения).

Из курсов биологии и органической химии вам также известно, что йод взаимодействует с раствором крахмала, образуя соединение синего цвета, а бромную воду используют как реагент на алкены, фенол, анилин.

5. Взаимодействие хлора со щелочами. В зависимости от условий проведения реакции образуются разные продукты. Так, при взаимодействии хлора с холодным раствором щелочи хлор образует соли хлорид и гипохлорит:

а с горячим раствором — хлорид и хлорат:

Гипохлорит натрия широко применяется для дезинфекции сточных вод, воды в системах водоснабжения и плавательных бассейнов, в пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности, медицине.

6. Особенности химических свойств фтора. Фтор, в отличие от других галогенов, которые не взаимодействуют с кислородом, реагирует с ним, однако процесс протекает только под действием электрического разряда при −196 °С:

В этом соединении атомы фтора имеют степень окисления −1, атомы кислорода как менее электроотрицательного элемента имеют положительную степень окисления +1. Поэтому O2F2 называют фторидом кислорода(I).

Вода при соприкосновении со фтором горит. Состав продуктов зависит от условий протекания реакции. Среди продуктов всегда обнаруживают фтороводород и кислород:

.

В атмосфере фтора окисляется даже платина: . Однако некоторые металлы (Mg, Al, Ni, Cu) устойчивы к действию фтора за счет образования плотной пленки фторида на поверхности металла.

Под давлением или при действии ультрафиолетового излучения фтор реагирует с криптоном и ксеноном с образованием фторидов благородных газов.

Биологическое значение галогенов и их соединений

Соединения галогенов играют значительную роль в жизнедеятельности организмов человека и животных.

Фтор участвует в построении костного скелета и зубной эмали, в процессах обмена веществ в мышцах, железах, нервной ткани. При недостаточном содержании фтора в продуктах питания и питьевой воде происходит поражение зубной эмали. Избыток фтора также оказывает пагубное воздействие: приводит к разрушению зубной эмали и скелета.

Хлор входит в состав соляной кислоты как компонента желудочного сока и обеспечивает переваривание пищи, участвует в обмене веществ. Постоянная концентрация кислоты в желудке поддерживается за счет поваренной соли, поступающей в организм в составе продуктов питания.

Бром регулирует процессы возбуждения и торможения центральной нервной системы. Именно поэтому при лечении нервных болезней (бессонницы, истерии, неврастении др.) используют бромсодержащие препараты.

Йод играет значительную роль в работе щитовидной железы. Важнейшей функцией вырабатываемых в ней гормонов является регуляция работы мозга и сердца, мускульного возбуждения. Недостаток йода приводит к увеличению щитовидной железы, замедлению умственного и физического развития.

Очень важно с продуктами питания получать достаточное количество каждого микроэлемента, так как их недостаток может стать угрозой здоровью.

*Получение хлора в лаборатории и промышленности

Для получения хлора в лаборатории используют реакцию концентрированной соляной кислоты с сильными окислителями (МnO2, KМnO4, KClO3) (рис. 69.1):

;

.

Чтобы удалить следовые количества хлороводорода, полученный газ пропускают через воду, а для удаления паров воды — через концентрированную серную кислоту .

В промышленности хлор получают в основном электролизом водного раствора хлорида натрия. При этом на аноде выделяется хлор, а на катоде — водород.

Хлор также образуется при электролизе расплава хлорида натрия:

2NaCl(расплав) 2Na + Cl2↑.

Подробнее процессы электролиза вы рассмотрите в главе «Металлы».

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите:

• а) символы элементов галогенов;
• б) формулы простых веществ галогенов;
• в) биологическую роль каждого из галогенов;
• г) по три продукта питания, содержащих в значительном количестве фтор, бром, йод.

2. Для ряда веществ F2 — Cl2 — Br2 — I2 укажите закономерность изменения:

• а) температуры плавления;
• б) температуры кипения;
• в) активности в реакции с водородом;
• г) активности в реакции с металлами.

Дайте объяснения.

3. Рассчитайте относительную плотность хлора по воздуху.

4. Баллон вмещает 15 кг жидкого хлора. Рассчитайте его количество.

5. Составьте формулы электронных конфигураций атомов фтора и хлора. Укажите сходство и различие в электронном строении этих атомов.

6. Бром массой 4 г растворили в воде объемом 250 см3. Рассчитайте массовую долю брома в бромной воде.

7. Составьте уравнения реакций:

• а) хлора с железом, натрием, йодидом натрия, этаном;
• б) брома с железом, алюминием, йодидом натрия, бензолом;
• в) бромной воды с йодидом алюминия, этиленом, фенолом, анилином.

8. В баллоне содержится сжиженный хлор массой 50 кг. Определите, какой объем займет хлор при н. у.

9. Установите химическую формулу соли, в которой массовая доля калия составляет 31,836 %, хлора — 28,980 %, кислорода — 39,184 %. Определите степени окисления атомов.

10. В пронумерованных пробирках находятся растворы фенола, йодида натрия, хлорида калия. Предложите план распознавания веществ с помощью одного реактива. Составьте уравнения соответствующих реакций.

*Самоконтроль

1. Положительные степени окисления не проявляют атомы элемента с конфигурацией внешнего электронного уровня:

• а) 5s25p5;
• б) 4s24p5;
• в) 3s23p5;
• г) 2s22p5.

2. Относительно ряда галогенов F2 — Cl2 — Br2 — I2 справедливыми являются утверждения:

• а) увеличивается длина связи в молекулах простых веществ;
• б) химическая активность повышается;
• в) температура кипения простых веществ возрастает;
• г) возрастает относительная плотность паров вещества по воздуху.

3. Простое вещество хлор реагирует с веществами:

• а) NaBr;
• б) HCl;
• в) КI;
• г) FeCl3.

4. Реакция протекает при пропускании через бромную воду газов:

• а) НCl;
• б) HI;
• в) CН≡СН;
• г) СН3–СН=СН2.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции железа с хлором равна:

• а) 4;
• б) 5;
• в) 6;
• г) 7.