Галогены. Химия галогенов и их соединений
Галогены
Положение в периодической системе химических элементов
Галогены расположены в главной подгруппе VII группы (или в 17 группе в современной форме ПСХЭ) периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение галогенов
Электронная конфигурация галогенов в основном состоянии соответствует формуле ns 2 np 5 .
Например , электронная конфигурация фтора :
Электронная концигурация хлора :
Атомы галогенов содержат на внешнем энергетическом уровне 1 неспаренный электрон и три неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии. Следовательно, в основном состоянии атомы галогенов могут образовывать 1 связи по обменному механизму.
При этом у фтора возбужденного состояния нет, т.е. максимальная валентность фтора в соединения равна I.
Однако, в отличие от фтора, за счет вакантной d-орбитали атомы хлора, брома и йода могут переходить в возбужденное энергетическое состояние.
Таким образом, максимальная валентность галогенов (кроме фтора) в соединениях равна VII. Также для галогенов характерны валентности I, III, V.
Степени окисления атома галогенов – от -1 до +7. Характерные степени окисления -1, 0, +1, +3, +5, +7. Для фтора характерная степень окисления -1 и валентность I.
Физические свойства и закономерности изменения свойств
Галогены образуют двухатомные молекулы состава Hal2. В твёрдом состоянии имеют молекулярную кристаллическую решетку. Плохо растворимы в воде, все имеют запах, летучи.
Галоген | F | Cl | Br | I |
Электронная формула | … 2s 2 2p 5 | … 3s 2 3p 5 | … 4s 2 4p 5 | … 5s 2 5p 5 |
Электроотрицательность | 4,0 | 3,0 | 2,8 | 2,5 |
Степени окисления | -1 | -1, +1, +3, +5, +7 | -1, +1, +3, +5, +7 | -1, +1, +3, +5, +7 |
Агрегатное состояние | Газ | Газ | Жидкость | Твердые кристаллы |
Цвет | Светло-желтый | Жёлто-зелёный | Буровато-коричневый | Тёмно-серый с металлическим блеском |
Запах | Резкий | Резкий, удушливый | Резкий, зловонный | Резкий |
T плавления | –220 о С | –101 о С | –7 о С | 113,5 о С |
Т кипения | –188 о С | –34 о С | 58 о С | 185 о С |
Внешний вид галогенов:
Фтор
Хлор
Бром
Йод
В природе галогены встречаются в виде соединений, в основном, в виде галогенидов.
Соединения галогенов
Типичные соединения хлора:
Степень окисления | Типичные соединения |
+7 | Хлорная кислота HClO4 Перхлораты MeClO4 |
+5 | Хлорноватая кислота HClO3 Хлораты MeClO3 |
+3 | Хлористая кислота HClO2 |
+1 | Хлорноватистая кислота HClO Гипохлориты MeClO |
–1 | Хлороводород HCl, Хлориды MeCl |
Бром и йод образуют подобные соединения.
Способы получения галогенов
1. Получение хлора.
В промышленности хлор получают электролизом расплава или раствора хлорида натрия.
Электролиз расплава хлорида натрия.
В расплаве хлорид натрия диссоциирует на ионы:
NaCl → Na + + Cl −
На катоде восстанавливаются ионы натрия:
K(–): Na + +1e → Na 0
На аноде окисляются ионы хлора:
A(+): 2Cl − ̶ 2e → Cl2 0
Ионное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2Na + + 2Cl − → 2Na º + Cl2º
Суммарное уравнение электролиза расплава хлорида натрия:
2NaCl → 2Na + Cl2
Электролиз раствора хлорида натрия.
В растворе хлорид натрия диссоциирует на ионы:
NaCl → Na + + Cl −
На катоде восстанавливаются молекулы воды:
K(–): 2H2O + 2e → H2° + 2OH −
На аноде окисляются ионы хлора:
A(+): 2Cl − ̶ 2e → Cl2 0
Ионное уравнение электролиза раствора хлорида натрия:
Суммарное уравнение электролиза раствора хлорида натрия:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2↑
В лаборатории хлор получают взаимодействием концентрированной соляной кислоты с сильными окислителями.
Например , взаимодействием соляной кислоты с оксидом марганца (IV)
Или перманганатом калия:
2KMnO4 + 16HCl → 2MnCl2 + 2KCl + 5Cl2↑ + 8H2O
Бертолетова соль также окисляет соляную кислоту:
KClO3 + 6HCl → KCl + 3Cl2↑ + 3H2O
Бихромат калия окисляет соляную кислоту:
2. Получение фтора.
Фтор получают электролизом расплава гидрофторида калия.
3. Получение брома.
Бром можно получить окислением ионов Br – сильными окислителями.
Например , бромоводород окисляется хлором:
2HBr + Cl2 → Br2 + 2HCl
Соединения марганца также окисляют бромид-ионы.
Например , оксид марганца (IV):
4. Получение йода.
Йод получают окислением ионов I – сильными окислителями.
Например , хлор окисляет йодид калия:
2KI + Cl2 → I2 + 2KCl
Соединения марганца также окисляют йодид-ионы.
Например , оксид марганца (IV) в кислой среде окисляет йодид калия:
Химические свойства галогенов
Химическая активность галогенов увеличивается снизу вверх – от астата к фтору.
1. Галогены проявляют свойства окислителей . Галогены реагируют с металлами и неметаллами .
1.1. Галогены не горят на воздухе. Фтор окисляет кислород с образованием фторида кислорода:
1.2. При взаимодействии галогенов с серой образуются галогениды серы:
1.3. При взаимодействии фосфора и углерода с галогенами образуются галогениды фосфора и углерода:
1.4. При взаимодействии с металлами галогены проявляют свойства окислителей, образуя галогениды.
Например , железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом фтор, хлор и бром образуются галогениды железа (III), а c йодом — соединение железа (II):
3Cl2 + 2Fe → 2FeCl3
Аналогичная ситуация с медью : фтор, хлор и бром окисляют медь до галогенидов меди (II),а йод до йодида меди (I):
I2 + 2Cu → 2CuI
Активные металлы бурно реагируют с галогенами, особенно с фтором и хлором (горят в атмосфере фтора или хлора).
Еще пример : алюминий взаимодействует с хлором с образованием хлорида алюминия:
3Cl2 + 2Al → 2AlCl3
1.5. Водород горит в атмосфере фтора:
С хлором водород реагирует только при нагревании или освещении. При этом реакция протекает со взрывом:
Бром также реагирует с водородом с образованием бромоводорода:
Взаимодействие йода с водородом происходит только при сильном нагревании, реакция протекает обратимо, с поглощением теплоты (эндотермическая):
1.6. Галогены реагируют с галогенами. Более активные галогены окисляют менее активные.
Например , фтор окисляет хлор, бром и йод:
2. Со сложными веществами галогены реагируют, также проявляя преимущественно окислительные свойства. Галогены охотно диспропорционируют при растворении в воде или в щелочах.
2.1. При растворении в воде хлор и бром частично диспропорционируют, повышая и понижая степень окисления. Фтор окисляет воду.
Например , хлор при растворении в холодной воде диспропорционирует до ближайших стабильных степеней окисления (+1 и -1), образует при этом соляную кислоту и хлорноватистую кислоту (хлорная вода):
Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO
При растворении в горячей воде хлор диспропорционирует до степеней окисления -1 и +5, образуя соляную кислоту и хлороватую кислоту:
Фтор реагирует с водой со взрывом:
2.2. При растворении в щелочах хлор, бром и йод диспропорционируют с образованием различных солей. Фтор окисляет щелочи.
Например , хлор реагирует с холодным раствором гидроксидом натрия:
При взаимодействии с горячим раствором гидроксида натрия образуются хлорид и хлорат:
Еще пример : хлор растворяется в холодном растворе гидроксида кальция:
2.3. Более активные галогены вытесняют менее активные галогены из солей и галогеноводородов.
Например , хлор вытесняет йод и бром из раствора йодида калия и бромида калия соответственно:
Cl2 + 2NaI → 2NaCl + I2
Cl2 + 2NaBr → 2NaCl + Br2
Еще одно свойство: более активные галогены окисляют менее активные.
Например , фтор окисляет хлор с образованием фторида хлора (I):
Cl2 + F2 → 2Cl + F –
В свою очередь, хлор окисляет йод. При этом в растворе образуется соляная кислота и йодная кислота:
2.4. Галогены проявляют окислительные свойства, взаимодействуют с восстановителями.
Например , хлор окисляет сероводород:
Cl2 + H2S → S + 2HCl
Хлор также окисляет сульфиты:
Также галогены окисляют пероксиды:
Или, при нагревании или на свету, воду:
2Cl2 + 2H2O → 4HCl + O2 (на свету или кип.)
Галогеноводороды
Строение молекулы и физические свойства
Галогеноводороды HHal – это бинарные соединения водорода с галогенами, которые относятся к летучим водородным соединениям. Галогеноводороды – бесцветные ядовитый газы, с резким запахом, хорошо растворимые в воде.
В ряду HCl – HBr – HI увеличивается длина связи и ковалентности связи уменьшается полярность связи H – Hal.
Растворы галогеноводородов в воде (за исключением фтороводорода) – сильные кислоты. Водный раствор фтороводорода – слабая кислота.
Способы получения галогеноводородов
В лаборатории галогеноводороды получают действием нелетучих кислот на хлориды металлов.
Например , действием концентрированной серной кислоты на хлорид натрия:
Галогеноводороды получают также прямым взаимодействием простых веществ:
Химические свойства галогеноводородов
1. В водном растворе галогеноводороды проявляют кислотные свойства . Взаимодействуют с основаниями, основными оксидами, амфотерными гидроксидами, амфотерными оксидами . Кислотные свойства в ряду HF – HCl – HBr – HI возрастают.
Например , хлороводород реагирует с оксидом кальция, оксидом алюминия, гидроксидом натрия, гидроксидом меди (II), гидроксидом цинка (II), аммиаком:
2HCl + CaO → CaCl2 + H2O
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Как типичные минеральные кислоты, водные растворы галогеноводородов реагируют с металлами , расположенными в ряду активности металлов до водорода. При этом образуются соль металла и водород.
Например , соляная кислота растворяет железо. При этом образуется водород и хлорид железа (II):
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
2. В водном растворе галогеноводороды диссоциируют , образуя кислоты. Водный раствор фтороводорода (плавиковая кислота) – слабая кислота:
HF ↔ H + + F –
Водные растворы хлороводорода (соляная кислота), бромоводорода и йодоводорода – сильные кислоты, в разбавленном растворе диссоциируют практически полностью:
HCl ↔ H + + Cl –
3. Водные растворы галогеноводородов взаимодействуют с солями более слабых кислот и с некоторыми растворимыми солями (если образуется газ, осадок, вода или слабый электролит).
Например , соляная кислота реагирует с карбонатом кальция:
Качественная реакция на галогенид-ионы – взаимодействие с растворимыми солями серебра.
При взаимодействии соляной кислоты с нитратом серебра (I) образуется белый осадок хлорида серебра:
HCl + AgNO3 = AgCl↓ + HNO3
Осадок бромида серебра – бледно-желтого цвета:
HBr + AgNO3 = AgBr↓ + HNO3
Осадок иодида серебра – желтого цвета:
HI + AgNO3 = AgI↓ + HNO3
Фторид серебра – растворимая соль, поэтому реакция плавиковой кислоты и ее солей с нитратом серебра не является качественной.
Видеоопыты качественных реакций на хлорид-, бромид- и йодид-ионы (взаимодействие с нитратом серебра) можно посмотреть здесь.
4. Восстановительные свойства галогеноводородов усиливаются в ряду HF – HCl – HBr – HI.
Галогеноводороды реагируют с галогенами . При этом более активные галогены вытесняют менее активные.
Например , бром вытесняет йод из йодоводорода:
Br2 + 2HI → I2 + 2HBr
А вот хлор не может вытеснить фтор из фтороводорода.
Фтороводород практически невозможно окислить.
Концентрированная соляная кислота окисляется соединениями марганца с валетностью выше II или соединениями хрома (VI).
Например : концентрированная соляная кислота окисляется оксидом марганца (IV):
Бромоводород – сильный восстановитель и окисляется соединениями марганца, хрома (VI), концентрированной серной кислотой и другими сильными окислителями:
Например , бромоводород окисляется концентрированной серной кислотой:
Бромоводород реагирует с бихроматом калия с образованием молекулярного брома:
Или с оксидом марганца (IV):
Пероксид водорода также окисляет бромоводород до молекулярного брома:
Йодоводород – еще более сильный восстановитель, и окисляется другими неметаллами и даже такими окислителями, как соединения железа (III) и соединения меди (II).
Например , йодоводород реагирует с хлоридом железа (III) с образованием молекулярного йода:
2HI + 2FeCl3 → I2 + 2FeCl2 + 2HCl
или с сульфатом железа (III):
Йодоводород легко окисляется соединениями азота, например , оксидом азота (IV):
или молекулярной серой при нагревании:
2HI + S → I2 + H2S
5. Плавиковая кислота реагирует с оксидом кремния (IV) (растворяет стекло):
Галогениды металлов
Галогениды – это бинарные соединения галогенов и металлов или некоторых неметаллов, соли галогеноводородов.
Способы получения галогенидов
1. Галогениды металлов получают при взаимодействии галогенов с металлами . При этом галогены проявляют свойства окислителя.
Например , хлор взаимодействует с магнием и кальцием:
При взаимодействии железа с хлором образуется хлорид железа (III):
3Cl2 + 2Fe → 2FeCl3
2. Галогениды металлов можно получить при взаимодействии металлов с галогеноводородами.
Например , соляная кислота реагирует с железом с образованием хлорида железа (II):
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
3. Галогениды металлов можно получить при взаимодействии основных и амфотерных оксидов с галогеноводородами.
Например , при взаимодействии оксида кальция и соляной кислоты:
2HCl + CaO → CaCl2 + H2O
Еще пример : взаимодействие оксида алюминия с соляной кислотой:
4. Галогениды металлов можно получить при взаимодействии оснований и амфотерных гидроксидов с галогеноводородами.
Например , при взаимодействии гидроксида натрия и соляной кислоты:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Или при взаимодействии гидроксида меди (II) с соляной кислотой:
Гидроксид цинка (II) также взаимодействует с соляной кислотой:
5. Некоторые соли взаимодействуют с галогеноводородами с образованием галогенидов металлов.
Например , гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородом с образованием бромида натрия:
HBr + NaHCO3 → NaBr + CO2↑ + H2O
Взаимодействие с нитратом серебра – качественная реакция на соляную кислоту, бромодоводород и йодоводород:
HCl + AgNO3 → AgCl↓ + HNO3
HBr + AgNO3 → AgBr↓ + HNO3
HI + AgNO3 → AgI↓ + HNO3
Химические свойства галогенидов
1. Растворимые галогениды вступают в обменные реакции с растворимыми солями, кислотами и основаниями , если образуется осадок, газ или вода.
Например , бромиды, йодиды и хлориды реагируют с нитратом серебра с образованием желтого, желтого и белого осадков соответственно.
NaCl + AgNO3 → AgCl↓ + NaNO3
Фторид серебра – растворимая соль, поэтому реакция фторидов с нитратом серебра не является качественной.
Видеоопыты качественных реакций на хлорид-, бромид- и йодид-ионы (взаимодействие с нитратом серебра) можно посмотреть здесь.
2. Галогениды тяжелых металлов реагируют с более активными металлами . При этом более активные металлы вытесняют менее активные.
Например , магний вытесняет медь из расплава хлорида меди (II):
Mg + CuCl2 → MgCl2 + Cu
Обратите внимание! В растворе более активные металлы вытесняют менее активные только если более активные металлы не взаимодействуют с водой (металлы, расположенные в ряду активности до магния). Если добавляемый металл слишком активен, то он провзаимодействует с водой, а не с солью.
Например , натрий не вытесняет цинк из раствора хлорида цинка. Т.к. натрий реагирует с водой, а реакция с хлоридом цинка не идет.
Na + ZnCl2(раствор) ≠
3. Галогениды подвергаются электролизу в растворе или расплаве. При этом на аноде образуются галогены.
Например , при электролизе расплава бромида калия на катоде образуется клий, а на аноде – бром:
2KBr → 2K + Br2
При электролизе раствора бромида калия на катоде выдялется водород, а на аноде также образуется бром:
4. Галогениды металлов проявляют восстановительные свойства . Хлориды окисляются только сильными окислителями, а вот йодиды уже являются очень сильными восстановителями. В целом, восстановительные свойства галогенидов аналогичны свойствам галогеноводородов.
Например , бромид калия окисляется концентрированной серной кислотой:
Еще пример : йодид калия окисляется соединениями меди (II) и соединениями железа (III):
4KI + 2CuCl2 → 2CuI↓ + I2↓ + 4KCl
2KI + 2FeCl3 → I2↓ + 2FeI2 + 2KCl
Еще несколько примеров восстановительных свойств галогенидов:
KI + 3H2O + 3Cl2 → HIO3 + KCl + 5HCl
Более активные галогены вытесняют менее активные из солей.
При этом галогениды металлов не горят в кислороде.
5. Нерастворимые галогениды металлов растворяются под действием избытка аммиака .
Например , хлорид серебра (I) растворяется под действием избытка раствора аммиака:
6. Нерастворимые галогениды под действием света разлагаются на галоген и металл.
Например , хлорид серебра разлагается под действием ультрафиолета:
2AgCl → 2Ag + Cl2
Кислородсодержащие кислоты галогенов
Рассмотрим кислородсодержащие кислоты галогенов на примере хлора:
Степень окисления галогена | +1 | +3 | +5 | +7 |
Формула | HClO | HClO2 | HClO3 | HClO4 |
Название кислоты | Хлорноватистая | Хлористая | Хлорноватая | Хлорная |
Устойчивость и сила | Существует только в растворах, слабая кислота | Существует только в растворах, слабая кислота | Существует только в растворах, сильная кислота | Сильная кислота |
Название соответствующей соли | Гипохлориты | Хлориты | Хлораты | Перхлораты |
Хлорноватистая кислота и ее соли
Хлорноватистая кислота HClO устойчива только в разбавленном водном растворе.
Cпособ получения хлорноватистой кислоты:
1. Диспропорционирование хлора в холодной воде :
Cl2 + H2O ↔ HCl + HClO
Химические свойства хлорноватистой кислоты:
Хлорноватистая кислота HClO – это слабая кислота, но сильный окислитель.
1. Под действием ультрафиолета (на свету) хлорноватистая кислота разлагается :
2HClO → 2HCl + O2
2. Как кислота, хлорноватистая кислота реагирует с сильными основаниями .
Например , с гидроксидом калия:
HClO + KOH → KClO + H2O
3. Ярко выражены окислительные свойства хлорноватистой кислоты за счет атома хлора в степени окисления +1. При взаимодействии с восстановителями хлор, как правило, восстанавливается до степени окисления -1.
Например , хлорноватистая кислота окисляет йодоводород:
HClO + 2HI → HCl + I2 + H2O
Хлорноватистая кислота также окисляет, например , пероксид водорода:
4. Хлорноватистая кислота диспропорционирует:
3HClO → 2HCl + НСlO3
Химические свойства солей хлорноватистой кислоты (гипохлоритов):
1. Более сильные кислоты вытесняют гипохлориты из солей.
Например , соляная кислота реагирует с гипохлоритом натрия:
NaClO + 2HCl → NaCl + Cl2 + H2O
Серная кислота реагирует с гипохлоритом кальция при нагревании или под действием излучения:
Даже угольная кислота вытесняет гипохлориты:
2. Гипохлориты вступают в обменные реакции с другими солями , если образуется слабый электролит.
Например , гипохлорит кальция реагирует с растворимыми карбонатами:
3. При нагревании гипохлориты разлагаются :
Хлористая кислота и ее соли
Хлористая кислота HClO2 – существует только в водных растворах.
Способы получения:
Хлористую кислоту можно получить окислением оксида хлора пероксидом водорода:
Химические свойства хлористой кислоты:
1. Хлористая кислота является также слабой. Реагирует с щелочами с образованием хлоритов:
2. При длительном хранении разлагается:
Хлорноватая кислота и ее соли
Хлорноватая кислота HClO3 – также существует только в водных растворах.
Способы получения:
Хлорноватую кислоту можно получить из солей хлорноватой кислоты – хлоратов.
Например , из хлората бария под действием серной кислоты:
Химические свойства хлорноватой кислоты:
1. Хлорноватая кислота – сильная кислота. Реагирует с щелочами с образованием хлоратов:
2. Хлорноватая кислота – сильный окислитель.
Например , хлорноватая кислота окисляет фосфор:
Химические свойства солей хлорноватой кислоты – хлоратов:
1. Хлораты – сильные окислители.
Например , хлорат калия (бертолетова соль) при нагревании разлагается. При этом без катализатора хлорат диспропорционирует:
4KClO3 → 3KClO4 + KCl
В присутствии катализатора (оксид марганца (IV)) хлорат калия разлагается, окисляя кислород:
2KClO3 → 2KCl + 3O2↑
Еще пример : хлорат калия окисляет серу и фосфор:
2KClO3 + 3S → 2KCl + 3SO2
Хлорная кислота и ее соли
Хлорная кислота HClO4 – это бесцветная жидкость, хорошо растворимая в воде.
Способы получения:
Хлорную кислоту можно получить из солей хлорной кислоты – перхлоратов.
Например , из перхлората натрия под действием серной кислоты:
Химические свойства хлорной кислоты:
1. Хлорная кислота – сильная кислота. Реагирует с щелочами с образованием перхлоратов:
2. Хлорная кислота – сильный окислитель.
Например , хлорная кислота окисляет углерод:
3. При нагревании хлорная кислота разлагается:
Химические свойства солей хлорной кислоты – перхлоратов:
1. Перхлораты – сильные окислители.
Например , перхлорат калия при нагревании разлагается. При этом хлор окисляет кислород:
Еще пример : перхлорат калия окисляет алюминий:
Химические свойства галогенов
Свободные галогены проявляют чрезвычайно высокую химическую активность. Они вступают во взаимодействие почти со всеми простыми веществами, окисляют ряд сложных веществ.
Так, расплавленный металлический натрий в атмосфере хлора сгорает с ослепительной вспышкой, а на стенках сосуда появляется белый налет хлорида натрия:
Если кусочек твердого фтора бросить в жидкий водород, то реакция идет со взрывом.
Если к желтоватому водному раствору йода добавить сероводородной воды (раствор сероводорода в воде), то жидкость обесцвечивается и становится мутной от выделившейся серы:
Основным типом реакций, в которые вступают галогены в виде простых веществ, являются те, в которых они играют роль окислителя. Такое поведение напоминает свойства кислорода и считается типичным для неметаллов.
Окислительные свойства галогенов ослабевают при переходе вниз по группе, от фтора к йоду. Связано это с ослаблением химических связей галоген-элемент благодаря понижению плотности перекрывания в связи с увеличением размеров атомов при движении вниз по группе. указанная закономерность является общей для непереходных элементов.
Различие химических свойств в ряду At-I-Br-Cl в основном определяется закономерным уменьшением размеров атомных орбиталей валентных электронов, а при переходе от хлора к фтору уменьшение атомных орбиталей сопровождается еще и резким изменением всего состояния электронной оболочки. Это означает, что последовательность в изменении количественных, а часто и качественных характеристик свойств галогенов и их соединений в ряду I-Br-Cl-F нарушается при переходе от хлора к фтору. Например, концентрация кислот HOHal в насыщенных водных растворах галогенов увеличивается в ряду I-Br-Cl, но фтор вообще не может образовать оксокислоту HOF.
Сравнение химических свойств галогенов показывает, что их окислительная активность последовательно уменьшается от фтора к астату. Этот эффект проявляется в способности более легких галогенов в виде простых веществ окислять анионы Hal – более тяжелых галогенов и в способности более тяжелых галогенов восстанавливать кислородные соединения более легких галогенов.
Несмотря на меньшую энергию сродства к электрону у фтора, чем у хлора, фтор является все же самым сильным окислителем среди галогенов. Объясняется это тем, что превращение газообразного хлора или фтора в анион Hal – можно рассматривать как процесс, состоящий из двух стадий – диссоциации молекулы на отдельные атомы
и присоединения электрона к образовавшемуся свободному атому галогена
первая стадия процесса требует затраты энергии на разрыв связей между атомами галогенов в молекуле, мерой этих энергетических затрат может служить энтальпия диссоциации молекул галогенов. У хлора, состоящего из более прочных молекул, энтальпия диссоциации в расчете на 1 моль атомов галогена (121,5 кДж/моль) значительно выше, чем у фтора (79,5 кДж/моль).
Вторая стадия процесса сопровождается выделением энергии (сродство к электрону); здесь выигрыш в случае хлора (348,7 кДж/моль) несколько выше, чем в случае фтора (332,7 кДж/моль).
Как нетрудно подсчитать, общий выигрыш энергии в рассматриваемом процессе для фтора (253,2 кДж/моль) выше, чем для хлора (227,2 кДж/моль), что и характеризует фтор как более сильный окислитель.
Если реакция протекает в водном растворе, то следует учитывать и энергию гидратации анионов галогенов. При одинаковом заряде анионов она тем выше, чем меньше радиус аниона галогена. Следовательно? при гидратации Cl – выделяется больше энергии, чем при гидратации Br – или I – , так что и в водных растворах закономерность сохраняется.
Этим и объясняется способность каждого галогена вытеснять более тяжелые галогены, находящиеся в степени окисления -1, из растворов их соединений.
Скорость реакции определяется ее кинетическими характеристиками, в первую очередь энергией активации. Причиной высокой скорости реакций с участием галогенов, по всей видимости, является сравнительно небольшая прочность их молекул, что понижает энергию активации. Многие реакции с участием галогенов протекают как цепные с образованием в качестве промежуточных продуктов свободных атомов галогенов. Цепными реакциями являются, например, реакции хлора и брома с алканами.
Все галогены принимают участие в реакциях комплексообразования в качестве лигандов.
Реакции галогенов с простыми веществами:
Реакции галогенов с важнейшими реагентами:
Уравнения реакций, характеризующих свойства галогенов
Задача 831.
Закончить уравнения реакций:
Задача 832.
Какие из перечисленных реакций могут быть осуществлены с целью получения кислородных соединений галогенов?
а) Cl2 + 2O2 = 2ClO2;
б) F2 + 1/2O2 = F2O;
в) 3Cl2 + 10HNO3 = 6HClO3 + 10NO + 2H2О;
г) 3I2 + 10HNO3 = 6HIO3 + 10NO + 2H2O.
Решение:
Уравнение реакция имеет вид:
По табличным данным находим:
H 0 = 2 . 105 кДж/моль; G 0 = 2 . 122,3 кДж/моль.
При G 0 > 0 реакция в обычных условиях самопроизвольно не протекает. Учитывая, что реакция протекает с уменьшением количества газообразных веществ, т.е. система стремится к упорядочению, S 0
G = H — TS
При положительном значении H и отрицательном значении S, если даже повышать температуру, то член равенства (TS) всё равно будет иметь положительное значение [-T . -TS = TS], что указывает на то, что G всегда будет иметь положительное значение, а при G > 0 процесс не протекает самопроизвольно. Таким образом, данная реакция не может быть использована для получения ClO2.
б) Уравнение реакция имеет вид:
По табличным данным находим:
H 0 = 50,2 кДж/моль; G_0 = 50,2 кДж/моль.
При G 0 > 0 реакция в обычных условиях самопроизвольно не протекает. Учитывая, что реакция протекает с уменьшением количества газообразных веществ, т.е. система стремится к упорядочению, S 0
G = H — TS
При положительном значении H и отрицательном значении S, если даже повышать температуру, то член равенства (TS) всё равно будет иметь положительное значение [-T . -TS = TS], что указывает на то, что G всегда будет иметь положительное значение, а при G > 0 процесс не протекает самопроизвольно. Таким образом, данная реакция не может быть использована для получения OF2.
в) Уравнение реакция имеет вид:
G 0 (NO) = 80,6 кДж/моль;
G 0 (HNO3) = -80,9 кДж/моль;
G 0 (H2O) = -237,4 кДж/моль;
G 0 (ClO3 — ) = -0,2 кДж/моль.
Рассчитаем G_0 реакции:
G 0 = [6 G 0 (HClO3) + 10 G 0 (NO) + G 0 (H2O)] — 10 G (HNO3) =
= 6(-0,2) + 10(80,6) + 2(-237,4) — 10(-80,9) = 1139,0 кДж.
При G 0 > 0 реакция в обычных условиях самопроизвольно не протекает. Учитывая, что реакция протекает с увеличение количества газообразных веществ, т.е. система стремится к беспорядку, S 0
G = H — TS
При положительном значении H 0 и положительном значении S 0 , член равенства (TS) будет иметь отрицательное значение [-T . —S = TS] только при очень высоких температурах G реакции будет иметь отрицательное значение. Таким образом, данная реакция не может быть использована для получения хлорной кислоты.
г) Уравнение реакция имеет вид:
G 0 (NO) = 80,6 кДж/моль;
G 0 (HNO3) = -80,9 кДж/моль;
G 0 (H2O) = -237,4 кДж/моль;
G 0 (IO3 — ) = -230,1 кДж/моль.
Рассчитаем G_0 реакции:
G 0 = [6 G 0 (HIO3) + 10 G 0 (NO) + G 0 (H2O)] — 10 G 0 (HNO3) =
= 6(-230,1) + 10(80,6) + 2(-237,4) — 10(-80,9) = -240,4 кДж.
Так как G_0 0. Исходя из уравнения:
G = H — TS
При отрицательном значении H и положительном значении S, член равенства (TS) будет иметь отрицательное значение [-T . S = -TS] при любых значениях температуры G 0 реакции будет иметь отрицательное значение. Допустим, что G 0 > 0, то при достаточно большой температуре G 0 реакции тоже будет иметь отрицательное значение. Значит, данная реакция может быть использована для получения HIO3.
Ответ: г).
Задача 833.
С какими из перечисленных веществ взаимодействует НВг:
а) Са(ОН)2; б) РСI3; в) H2SO4 (конц.); г) КI; д) Мg; е) КСIО3?
При этом НВг проявляет свойства: 1) кислоты; 2) основания; З) окислителя; 4) восстановителя.
Решение:
Взаимодействие бромоводорода со следующими веществами:
HBr – кислота, которая со щелочами вступает в реакцию нейтрализации.
б) Трихлористый фосфор представляет собой хлористый ангидрид фосфористой кислоты, поэтому в реакцию с HBr как с кислотой не вступает.
в) В HBr атом брома находится в своей низшей степени окисления, поэтому с сильными окислителями, такими как H2SO4 он будет играть роль восстановителя.
Электронные уравнения реакции:
2Br — + S +6 ↔ Br2 0 + S +4
г) Иодид калия и бромид водорода являются сильными электролитами и в водных растворах полностью диссоциируют на ионы:
KI ↔ K + + I — ; HBr ↔ H + + Br —
Связывание ионов не происходит, поэтому реакция не протекает, так как не образуется ни осадка, ни газа, ни малодиссоциируемого вещества (слабого электролита)
д) Магний – металл, стоящий в ряду напряжений металлов до водорода, поэтому из растворов кислот будет вытеснять водород из бромоводорода, При этом магний будет яаляться восстановителем, а бромоводород – окислителем:
Электронные уравнения процессов:
Mg 0 + 2H + ↔ Mg 2+ + H2О
е) В хлорате калия атом хлора находится в своей степени окисления раной +5 (промежуточная степень окисления), поэтому с восстановителем, например, бромоводородом будет играть роль окислителя:
Электронные уравнения процессов:
Восстановитель 2|4|2Br -1 — 2e = Br2 0 процесс окисления
Окислитель 1|2|Cl +5 + 4e = Cl +1 процесс восстановления
4Br — + Cl +5 ↔ 2Br20 + Cl +
http://himgdz.ru/galogeni/himicheskie-svojstva-galogenov/
http://buzani.ru/zadachi/khimiya-glinka/1273-soedineniya-galogenov-zadachi-831-833