Общая характеристика

На внешнем слое атомов галогенов 7 электронов ( $ns^2np^5$ ). До октета не хватает одного электрона, поэтому галогены легко его принимают и являются сильными окислителями. Их молекулы двухатомны ( $\mathrm{F_2}$ , $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{Br_2}$ , $\mathrm{I_2}$ ), связь ковалентная неполярная, кристаллическая решётка молекулярная.

От фтора к йоду радиус атома растёт, электроотрицательность и окислительная активность уменьшаются, температуры плавления и кипения растут: $\mathrm{F_2}$ — светло-жёлтый газ, $\mathrm{Cl_2}$ — жёлто-зелёный газ, $\mathrm{Br_2}$ — красно-бурая жидкость, $\mathrm{I_2}$ — тёмно-фиолетовые кристаллы (при нагревании возгоняются).

Фтор — самый электроотрицательный элемент, в соединениях он проявляет только степень окисления −1. Хлор, бром и йод могут иметь степени окисления −1, +1, +3, +5, +7.

Хлор расположен в 3-м периоде, в главной подгруппе VII группы, порядковый номер 17: $1s^22s^22p^63s^23p^5$ . За счёт свободных 3d-орбиталей в возбуждённом состоянии у него может быть 3, 5 и 7 неспаренных электронов. У фтора d-орбиталей нет.

Получение и свойства хлора

В лаборатории концентрированную соляную кислоту окисляют сильными окислителями:

$\mathrm{MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O}$ (t);
$\mathrm{2KMnO_4 + 16HCl \rightarrow 2KCl + 2MnCl_2 + 5Cl_2\uparrow + 8H_2O}$ .

В промышленности хлор получают электролизом раствора хлорида натрия: $\mathrm{2NaCl + 2H_2O \rightarrow H_2\uparrow + Cl_2\uparrow + 2NaOH}$ .

Хлор — ядовитый газ с резким запахом, примерно в 2,5 раза тяжелее воздуха. Химические свойства:

с металлами: $\mathrm{2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl}$ , $\mathrm{Cu + Cl_2 \rightarrow CuCl_2}$ , $\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}$ (железо окисляется до +3);
с водородом на свету со взрывом: $\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}$ ;
с водой: $\mathrm{Cl_2 + H_2O \rightleftarrows HCl + HClO}$ . Хлорноватистая кислота — сильный окислитель, она обесцвечивает красители и убивает микробы;
со щелочами: на холоде $\mathrm{Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O}$ , при нагревании $\mathrm{3Cl_2 + 6KOH \rightarrow 5KCl + KClO_3 + 3H_2O}$ ;
вытесняет менее активные галогены из их солей: $\mathrm{Cl_2 + 2KI \rightarrow 2KCl + I_2}$ .

Хлороводород, соляная кислота и её соли

Хлороводород $\mathrm{HCl}$ — бесцветный газ с резким запахом, очень хорошо растворяется в воде; его водный раствор — соляная кислота. В лаборатории на твёрдый $\mathrm{NaCl}$ действуют концентрированной серной кислотой: $\mathrm{NaCl + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HCl\uparrow}$ . В промышленности водород сжигают в хлоре: $\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}$ .

Соляная кислота — сильная кислота:

реагирует с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода: $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow}$ , $\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow}$ (здесь железо +2); медь не реагирует;
с основными оксидами, основаниями и солями более слабых кислот: $\mathrm{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow}$ .

Её соли — хлориды: $\mathrm{NaCl}$ — поваренная соль, $\mathrm{KCl}$ — калийное удобрение. Большинство хлоридов растворимо в воде, а $\mathrm{AgCl}$ нерастворим.

Кислородсодержащие кислоты хлора

$\mathrm{HClO}$ хлорноватистая кислота (хлор +1), соли — гипохлориты;
$\mathrm{HClO_2}$ хлористая кислота (+3), соли — хлориты;
$\mathrm{HClO_3}$ хлорноватая кислота (+5), соли — хлораты;
$\mathrm{HClO_4}$ хлорная кислота (+7), соли — перхлораты.

С ростом степени окисления хлора устойчивость и сила кислот увеличиваются, а окислительная способность ослабевает. $\mathrm{HClO}$ — слабая кислота, $\mathrm{HClO_4}$ — одна из самых сильных неорганических кислот. Хлорат калия $\mathrm{KClO_3}$ (бертолетова соль) используют в производстве спичек; при нагревании в присутствии $\mathrm{MnO_2}$ он выделяет кислород: $\mathrm{2KClO_3 \rightarrow 2KCl + 3O_2}$ .

Получение, сравнение, определение и применение галогенов

Получение: фтор получают только электролизом расплавов фторидов. Бром и йод вытесняют хлором из бромидов и йодидов: $\mathrm{Cl_2 + 2NaBr \rightarrow 2NaCl + Br_2}$ . Их источники — морская вода и буровые воды нефтяных скважин.
Сравнение: активность $\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}$ , каждый галоген вытесняет следующие из их солей. Восстановительные свойства галогенид-ионов усиливаются от $\mathrm{F^-}$ к $\mathrm{I^-}$ . $\mathrm{HF}$ — слабая кислота, она разъедает стекло: $\mathrm{SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4 + 2H_2O}$ . $\mathrm{HCl}$ , $\mathrm{HBr}$ , $\mathrm{HI}$ — сильные кислоты, сила растёт в ряду $\mathrm{HCl < HBr < HI}$ .
Определение: с $\mathrm{AgNO_3}$ ион $\mathrm{Cl^-}$ даёт белый, $\mathrm{Br^-}$ — светло-жёлтый, $\mathrm{I^-}$ — жёлтый осадок: $\mathrm{Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow}$ . $\mathrm{AgF}$ растворим, поэтому ион $\mathrm{F^-}$ обнаруживают ионом $\mathrm{Ca^{2+}}$ (осадок $\mathrm{CaF_2}$ ). Свободный йод окрашивает крахмал в синий цвет.
В природе и применение: в природе галогены встречаются только в виде соединений: $\mathrm{CaF_2}$ (флюорит), $\mathrm{NaCl}$ (каменная соль, морская вода), $\mathrm{KCl}$ (сильвин). Хлор применяют для обеззараживания воды, производства $\mathrm{HCl}$ , отбеливателей и поливинилхлорида, соединения фтора — в тефлоне и зубных пастах, йод — в медицине.

Запомните

Внешний слой галогенов $ns^2np^5$ ; активность и электроотрицательность уменьшаются от фтора к йоду.
Фтор в соединениях проявляет только −1, а хлор, бром и йод — степени окисления −1, +1, +3, +5, +7.
$\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}$ , но $\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2}$ .
От $\mathrm{HClO}$ к $\mathrm{HClO_4}$ сила кислот растёт, окислительная способность уменьшается.
С $\mathrm{Ag^+}$ : $\mathrm{AgCl}$ — белый, $\mathrm{AgBr}$ — светло-жёлтый, $\mathrm{AgI}$ — жёлтый осадок; $\mathrm{AgF}$ растворим.

Разобранные примеры

Пример 1
8,7 г оксида марганца(IV) нагрели с избытком концентрированной соляной кислоты. Сколько литров хлора (н. у.) выделится? Сколько моль $\mathrm{HCl}$ израсходуется?
Решение
1. $\mathrm{MnO_2 + 4HCl \rightarrow MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O}$ .
2. $M(\mathrm{MnO_2}) = 55 + 2 \cdot 16 = 87$ г/моль, $n = \frac{8{,}7}{87} = 0{,}1$ моль.
3. $n(\mathrm{Cl_2}) = 0{,}1$ моль, $V = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24$ л.
4. $n(\mathrm{HCl}) = 4 \cdot 0{,}1 = 0{,}4$ моль. Только половина (0,2 моль) окисляется до хлора, остальное переходит в $\mathrm{MnCl_2}$ .
Ответ: 2,24 л $\mathrm{Cl_2}$ ; 0,4 моль $\mathrm{HCl}$ .
Пример 2
В трёх пробирках находятся растворы $\mathrm{NaCl}$ , $\mathrm{NaBr}$ и $\mathrm{NaI}$ . Как их различить? Сколько граммов осадка образуется при добавлении избытка $\mathrm{AgNO_3}$ к раствору, содержащему 5,85 г $\mathrm{NaCl}$ ?
Решение
1. В каждую пробирку добавляют раствор $\mathrm{AgNO_3}$ : $\mathrm{NaCl}$ даёт белый ( $\mathrm{AgCl}$ ), $\mathrm{NaBr}$ — светло-жёлтый ( $\mathrm{AgBr}$ ), $\mathrm{NaI}$ — жёлтый ( $\mathrm{AgI}$ ) осадок.
2. $\mathrm{NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3}$ .
3. $n(\mathrm{NaCl}) = \frac{5{,}85}{58{,}5} = 0{,}1$ моль $= n(\mathrm{AgCl})$ .
4. $M(\mathrm{AgCl}) = 108 + 35{,}5 = 143{,}5$ г/моль, $m = 0{,}1 \cdot 143{,}5 = 14{,}35$ г.
Ответ: по цвету осадков; 14,35 г $\mathrm{AgCl}$ .

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какая реакция не протекает?
1. $\mathrm{Cl_2 + 2KBr \rightarrow}$
2. $\mathrm{Br_2 + 2KI \rightarrow}$
3. $\mathrm{Cl_2 + 2NaI \rightarrow}$
4. $\mathrm{I_2 + 2KCl \rightarrow}$
5. $\mathrm{F_2 + H_2 \rightarrow}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D $\mathrm{I_2 + 2KCl \rightarrow}$
Йод менее активен, чем хлор, и не может вытеснить его из хлоридов. В A, B и C более активный галоген вытесняет менее активный из соли, а фтор соединяется с водородом со взрывом даже в темноте и на холоде.
Какая кислота самая сильная?
1. $\mathrm{HF}$
2. $\mathrm{HClO}$
3. $\mathrm{HClO_4}$
4. $\mathrm{HClO_3}$
5. $\mathrm{HClO_2}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C $\mathrm{HClO_4}$
У кислородсодержащих кислот хлора сила растёт с повышением степени окисления хлора; в $\mathrm{HClO_4}$ она максимальна (+7). $\mathrm{HF}$ — слабая кислота.
Сколько граммов соли образуется при сжигании 5,6 г железа в избытке хлора?
1. 12,7 г
2. 16,25 г
3. 25,4 г
4. 32,5 г
5. 8,125 г
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B 16,25 г
$\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}$ . $n(\mathrm{Fe}) = \frac{5{,}6}{56} = 0{,}1$ моль $= n(\mathrm{FeCl_3})$ . $M(\mathrm{FeCl_3}) = 56 + 3 \cdot 35{,}5 = 162{,}5$ г/моль, $m = 0{,}1 \cdot 162{,}5 = 16{,}25$ г. Ответ 12,7 г получается, если ошибочно записать продукт как $\mathrm{FeCl_2}$ .

Типичные ошибки

Записывать $\mathrm{FeCl_2}$ в реакции железа с хлором (правильно $\mathrm{FeCl_3}$ ), а в реакции с соляной кислотой — $\mathrm{FeCl_3}$ (правильно $\mathrm{FeCl_2}$ ).
Пытаться обнаружить фторид-ион нитратом серебра: $\mathrm{AgF}$ растворим, осадка нет.
Считать $\mathrm{HF}$ такой же сильной кислотой, как $\mathrm{HCl}$ , или приписывать фтору положительные степени окисления.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото