Урок 18 Получить доступ за 75 баллов Галогены

Слово «галоген» произошло от греческих «хальс» –соль и «генос» –рождаю, буквально: рождающий соль.

Это название изначально было предложено для хлора, так как хлор был получен электролизом поваренной соли.

А уже в дальнейшем это название распространилось на фтор F, бром Br и йод I.

Таким образом, галогены – это химические элементы главной подгруппы VII группы периодической системы химических элементов:

• фтор F
• хлор Сl
• бром Вг
• йод I
• астат At

Галогены – элементы, у которых наиболее ярко выражены свойства неметаллов.

В свободном виде они в природе не встречаются!

Наиболее распространенные минералы, в состав которых входят галогены:

CaF₂– флюорит (плавиковый шпат)

NaCl– галит (каменная соль)

КСl х NaCl– сильвинит

MgCl₂ х 6Н₂0 – бишофит.

Бром Br и йод I встречаются в виде соединений в природных водах.

Морские водоросли ламинарии активно накапливают йод и поэтому являются источником для его получения.

Астат At – радиоактивный элемент и поэтому его свойства не изучены.

Название «астат» переводится с греческого языка «неустойчивый».

Он был предсказан ещё Дмитрием Менделеевым, который назвал его «эка-йод».

По оценкам учёных, во всей земной коре этого элемента насчитывается около 1 грамма (!), он постоянно образуется в процессе распада урана, но и столь же быстро распадается.

На внешнем энергетическом уровне у всех атомов галогенов по семь электронов.

Этим объясняется общность их свойств.

Атомы галогенов легко присоединяют по одному электрону, проявляя в соединениях степень окисления -1.

Однако эти элементы, за исключением фтора, могут проявлять и положительные степени окисления: +1, +3, +5, +7.

Разнообразие значений степеней окисления объясняется электронным строением атомов, а точнее, внешними электронами.

Из электронного строения атома фтора следует, что фтор может принять только один электрон на 2s-подуровень.

Поэтому он одновалентен и его степень окисления всегда -1.

Кроме того, это самый электроотрицательный элемент – ни один другой элемент просто-напросто не способен отнять у атома фтора электрон.

Электронное строение атома фтора:

Атом хлора Cl в обычном состоянии имеет один электрон и может принять один электрон, проявляя степень окисления -1.

Однако у атома хлора имеется еще пять пустых 3d-орбиталей, и поэтому, если сообщить атому энергию, то возможен перескок электронов c 3s и 3p орбиталей на 3d орбитали, и тогда количество неспаренных электронов увеличивается и может быть 3, 5 или 7.

Поэтому возможные степени окисления хлора: +1, +3, +5, +7.

На схеме ниже показано электронное строение атома хлора в основном и в возбужденном состояниях.

Из схемы видно, почему максимальная валентность хлора равна 7.

В свободном состоянии молекулы галогенов состоят из двух атомов.

Некоторые физические свойства галогенов собраны в таблице.

Астат в связи с его очень большой скоростью радиоактивного распада не был получен в значительных количествах.

Водные растворы галогенов называют соответственно:

• хлорной водой
• бромной водой
• йодной водой

Все галогены ядовиты.

Физиологическое действие галогенов определяется сильными окислительными свойствами.

Особенно опасен фтор (F). При вдыхании даже небольших количеств фтора развивается отек легких, разрушается костная ткань.

Хлор (Cl) применялся как боевое отравляющее вещество во время Первой мировой войны. Отравление хлором вызывает легочные и бронхиальные заболевания.

Токсичность йода (I) используется при хлорировании воды – одном из способов очистки питьевой воды и обеззараживания сточных вод.

Однако в последнее время из-за токсичности хлора всё чаще применяют озонирование – обработку воды озоном.

Озон при разложении даёт кислород, который в небольших концентрациях не ядовит.

Пары брома (Br) вызывают удушье, головокружение, головную боль. При попадании брома на кожу образуются сильные, не заживающие длительное время ожоги.

Наименее ядовит из галогенов йод (I), однако и с ним необходимо обращаться осторожно, так как вдыхание паров йода оказывает раздражающее действие на дыхательные пути, нервную систему.

Кристаллический йод также может вызвать ожог кожи. Именно из-за небольшой токсичности йод применяется как антисептик в медицине.

Галогены химически очень активны, реагируют с очень многими простыми и сложными веществами.

С водородом они образуют бинарные соединения: HF, HCl, HBr, HI

Это ядовитые газы с резким запахом, напоминающим запах соответствующих галогенов.

Эти газы хорошо растворяются в воде и диссоциируют на ионы, образуя кислоты, которые реагируют с металлами с образованием галогенидов и выделением водорода.

Первые две кислоты используются больше двух других и поэтому имеют собственные названия:

хлороводородная кислота HCl  (соляная)

фтороводородная кислота HF  (плавиковая)

Своё название они получили из-за того, что хлороводородная кислота HCl  (соляная) образует поваренную соль:

фтороводородная кислота HF (плавиковая), хотя и не очень сильная именно как кислота, но способна растворять стекло: фтор в составе кислоты вытесняет кислород из оксида кремния (основного компонента стекла):

Это свойство плавиковой кислоты используется при нанесении надписей и рисунков на стекло.

Галогены активно реагируют с металлами, образуя соли:

• фториды
• хлориды
• бромиды
• йодиды

При повышенной температуре хлор реагирует с медью, железом и некоторыми другими не очень активными металлами.

Металлы, как правило, горят в галогенах ярким пламенем с образованием большого количества искр.

Интересна реакция горения алюминия в броме.

Реакция сопровождается выделением большого количества энергии. Образующийся бромид алюминия сразу же гидролизуется во влаге воздуха с образованием большого количества дыма – выглядит это очень эффектно.

Тем не менее, хлор вполне можно хранить в стальных баллонах, потому что при отсутствии влаги реакция не идёт – главное, чтобы хлор был сухим. Баллоны с хлором окрашивают в зеленый цвет с тёмно-зеленой полосой или в желтый цвет с зеленой полосой.

Большинство неметаллов непосредственно взаимодействуют с галогенами.

С хлором и бромом энергично взаимодействуют сера и фосфор:

Галогены взаимодействуют и со сложными веществами (водой, сероводородом).

Причем активность галогенов в подгруппе убывает сверху вниз.

 Если вам когда-нибудь зададут вопрос: «А может ли гореть вода?» – смело отвечайте: «Да, может».

Всё дело в том, что более сильный окислитель вытесняет более слабый из его соединений.

Точно также происходит и с водой, если на неё воздействовать фтором (фтор – более сильный окислитель, чем кислород).

В атмосфере фтора вода в прямом смысле горит.

Химическая реакция горения воды в струе фтора выглядит так:

Галогены также способны вытеснять друг друга из солей – более активный элемент вытесняет менее активный.

На этом основан промышленный метод получения йода: хлор пропускают через насыщенный раствор морской соли, который содержит большое количество йодидов, и йод выделяется в виде простого вещества:

Среди галогенов особое значение имеет хлор и его производное – хлороводород HCl. 

В лаборатории хлороводород обычно получают нагреванием твердого хлорида натрия с концентрированной серной кислотой:

Хлороводород HCl – это газ, который хорошо растворяется в воде, но не растворяется в концентрированной серной кислоте, поэтому улетучивается.

Из-за его хорошей растворимости в воде хлороводород нельзя собирать способом вытеснения воды, как, например, собирают водород или кислород.

Его собирают методом вытеснения воздуха, а чтобы он сам не попал в воздух, пробирку закрывают мокрой ватой.

Как видите, одно и то же свойство (хорошая растворимость в воде) может быть и вредным, и полезным – человек научился приручать химические вещества.

В промышленности хлороводород получают синтетическим путем, прямым соединением хлора с водородом:

Свойства хлороводорода HCl :

• бесцветный газ с резким запахом
• во влажном воздухе образует дым из-за физико-химической реакции с водой, он хорошо растворяется даже в мельчайших капельках влаги, которые не видны нашему глазу.
• этот газ ядовит, о чём кстати вам может сказать его резкий запах
  Наше обоняние опознаёт токсичный газ и даёт нам об этом знать интенсивным нервным импульсом в мозг, который для нашего сознания преобразуется в резкий запах

Хлороводород относится к числу наиболее растворимых в воде газообразных веществ.

В 1 л воды при комнатной температуре может раствориться 500 л хлороводорода!

Раствор хлороводорода в воде называют соляной кислотой HCl.

Именно в виде раствора это вещество повсеместно применяется.

Концентрированная соляная кислота – бесцветный раствор, но чаще всего используемая соляная кислота бледно-желтая из-за примесей.

Соляную кислоту вы можете легко встретить в хозяйственных магазинах в отделе бытовой химии.

В быту её используют для смывания ржавчины и для прочистки засоров.

Дымит во влажном воздухе.

Максимальная концентрация соляной кислоты 40 %.

Соляная кислота имеет ряд общих свойств, характерных для неорганических кислот.

В ней растворяются многие металлы (кроме самых неактивных, таких как золото, платина, палладий).

Она так же, как и все кислоты, реагирует с основными и амфотерными оксидами, основаниями, солями (реакция идет только в тех случаях, если образуется осадок или газ).

Соли соляной кислоты называются хлоридами.

Они все растворимы в воде, за исключением хлорида серебра и хлорида свинца (II).

Соляную кислоту используют в разных областях нашей жизни.

В большом количестве ее расходуют:

• при травлении стали
• при покрытии стальных изделий слоем защитного металла (лужение, никелирование, хромирование); перед этими процессами необходимо удалить пленку оксидов с поверхности изделия
• в производстве лекарств, красителей, ядохимикатов, пластмасс и других полимеров
• для получения в лаборатории хлора и некоторых хлоридов

Галогены (в виде химических соединений, конечно) входят в состав организмов человека и животных, выполняя различные функции.

Они являются для организма жизненно важными элементами. Незначительные отклонения содержания микроэлементов от нормы вызывают тяжелые заболевания.

Фтор

В организме человека фтор содержится в волосах, ногтях, костях, зубной эмали.

В состав зубной ткани входит до 0,02 % фтора, который поступает в организм с питьевой водой.

Хорошая питьевая вода должна содержать около 2 мг фтора в литре.

Недостаточное содержание фтора в питьевой воде вызывает разрушение зубов – кариес.

Поэтому во многих местах, где содержание фтора ниже нормы, проводят искусственное фторирование воды, используют специальные зубные пасты.

Но и повышенное содержание фтора тоже вредно – это ведет к флюорозу, который выражается в появлении на зубах коричневых пятен, а в дальнейшем – к разрушению зубов.

Хлор

Основным источником поступления хлора в организм является поваренная соль (хлорид натрия).

Потребность человека в хлориде натрия 4-8 грамм в сутки.

Ионы хлора активизируют ферменты, создают благоприятную среду для действия ферментов желудочного сока.

Как я говорил ранее, соляная кислота входит в состав желудочного сока.

Изменение концентрации соляной кислоты в желудке приводит к гастриту.

Бром

В организме человека бром содержится в крови, почках, печени, но больше всего в головном мозге.

Бром регулирует нервную деятельность, усиливает процессы торможения в коре головного мозга.

Бромиды (соли бромоводородной кислоты HBr) обладают успокаивающим и противосудорожным действием, применяются при неврастении, неврозах, повышенной раздражимости, бессоннице.

Йод

В организме сосредоточен главным образом в щитовидной железе и входит в состав вырабатываемых ею гормонов.

Снижение содержания йода в щитовидной железе приводит к тяжелому заболеванию – эндемическому зобу, которое сопровождается нарушением обмена веществ.

Для предотвращения заболевания в поваренную соль добавляют йодат калия KIO₃.

Дело в том, что в обычных продуктах питания йода обычно очень мало и поэтому его следует добавлять в пищу дополнительно.

Много йода содержится в морепродуктах. Морская вода – самый легкодоступный источник йода.