← Галогены

Строение атомов, свойства и получение галогенов

От газа до твёрдого вещества за одну группу — и как это связано со строением.

1. Строение атомов и положение в ПСХЭ

Галогены — элементы главной подгруппы VII группы: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), иод (I), астат (At). Астат слишком радиоактивен, чтобы попасть в ваш КИМ.

Фтор (F) — Истинный разрушитель ▼
Внешний уровень 2s22p5.
У фтора раз и навсегда одна отрицательная с.о. -1 (ну и 0 в простом веществе). У него нет свободного d-подуровня, он не может распаривать электроны и повышать валентность. Фтор — самый жадный (электроотрицательный) элемент!
Хлор, Бром, Иод — Мастера перевоплощений ▼
Внешние уровни ns2np5.
Благодаря наличию свободных d-орбиталей могут распаривать свои электроны и "прыгать" в положительные состояния. Для них характерны нечетные с.о.: -1, 0, +1, +3, +5, +7.

Вопрос 1: Особенности фтора

Проверка

Почему фтор проявляет только степень окисления -1 в соединениях, тогда как другие галогены могут проявлять положительные степени окисления (от +1 до +7)?

Ответ: Фтор — самый электроотрицательный элемент. У него на внешнем уровне (2-м слое) нет d-орбиталей, поэтому он не может распаривать электроны, а отнять электроны у него не может никто.

2. Физические свойства

Простые вещества галогены (от греч. halos - соль, gennao - рождаю) образуют двухатомные молекулы: F2, Cl2, Br2, I2 (молекулярная кристаллическая решетка).

ФормулаАгрегатное состояние (н.у.) / Цвет и особенности
F2
Агрегатное состояние (н.у.): Газ

Цвет и особенности: Бледно-желтый, резкий запах, cực ядовит.
Cl2
Агрегатное состояние (н.у.): Газ

Цвет и особенности: Желто-зеленый, тяжелее воздуха, резкий удушливый запах (применялся как химоружие).
Br2
Агрегатное состояние (н.у.): Жидкость

Цвет и особенности: Тяжелая красно-бурая летучая жидкость, пахнет неприятно, пары ядовиты и обжигают.
I2
Агрегатное состояние (н.у.): Твердое вещество

Цвет и особенности: Темно-серо-фиолетовые кристаллы с металлическим блеском.
Сублимация (Возгонка): Твердый кристаллический иод I2 при небольшом нагревании переходит в фиолетовые пары (газ), минуя жидкое состояние. Если пары охладить — они снова кристаллизуются. Этот процесс обожают спрашивать в задании на физические свойства!

Вопрос 1: Физические свойства (Агрегатное состояние)

Проверка

Как изменяется агрегатное состояние и цвет галогенов в ряду $F_2 \rightarrow Cl_2 \rightarrow Br_2 \rightarrow I_2$ при нормальных условиях?

Ответ: $F_2$ — бледно-желтый газ, $Cl_2$ — желто-зеленый газ, $Br_2$ — красно-бурая жидкость, $I_2$ — темно-фиолетовые кристаллы с металлическим блеском.

3. Получение галогенов и галогеноводородов

Метод полученияУравнения реакций и условия
Промышленный способ
Электролиз расплавов и растворов
В природе галогены существуют в виде солей (галогенидов), поэтому основной метод — электролиз:
Электролиз раствора NaCl (хлор на аноде):
2NaCl + 2H2O электроток→ H2↑ + Cl2↑ + 2NaOH
Электролиз расплава NaCl:
2NaCl(расплав) электроток→ 2Na + Cl2↑
Получение фтора (электролиз расплава гидрофторида):
2KHF2(расп) электроток→ 2K + H2↑ + 2F2↑
Реакция 1
Лабораторный способ
Окисление галогеноводородов
В лаборатории концентрированную соляную кислоту (HCl) окисляют сильными окислителями. Это классика для задания №29:
MnO2 + 4HCl(конц) t°→ MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O
2KMnO4 + 16HCl(конц) → 2MnCl2 + 2KCl + 5Cl2↑ + 8H2O
KClO3 + 6HCl(конц) → KCl + 3Cl2↑ + 3H2O
K2Cr2O7 + 14HCl(конц) → 2KCl + 2CrCl3 + 3Cl2↑ + 7H2O
Реакция 2
Золотое правило вытеснения: СИЛЬНЫЙ БЬЁТ СЛАБОГО!

Химическая активность галогенов падает сверху вниз. Поэтому вышестоящий галоген способен вытеснить нижестоящий из раствора его соли или кислоты:

Cl2 + 2KI → 2KCl + I2↓ (Хлор выгнал йод)
Br2 + 2NaI → 2NaBr + I2↓ (Бром выгнал йод)
Cl2 + 2HBr → 2HCl + Br2 (Хлор выгнал бром)
I2 + KBr ⇸ Реакция не идет! Иод слабее брома.
Получение галогеноводородов
Сульфатный метод и гидролиз
Вытеснение летучих кислот (HF и HCl) из твердых солей концентрированной серной кислотой (Сульфатный метод):
CaF2(тв) + H2SO4(конц) t°→ CaSO4 + 2HF↑
NaCl(тв) + H2SO4(конц) t°→ NaHSO4 + HCl↑
Внимание: Для получения HBr и HI этот метод НЕЛЬЗЯ использовать! Концентрированная H₂SO₄ окислит бром и йод до простых веществ. Для них используют гидролиз:
PBr3 + 3H2O → H3PO3 + 3HBr↑
Реакция 3

Вопрос 1: Получение галогенов (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций лабораторного получения хлора из соляной кислоты:

  1. $MnO_2 + HCl(конц.) \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  2. $KMnO_4 + HCl(конц.) \rightarrow \dots$
  3. $KClO_3 + HCl(конц.) \rightarrow \dots$

Ответ:

  1. $MnO_2 + 4HCl(конц.) \xrightarrow{t^\circ} MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$
  2. $2KMnO_4 + 16HCl(конц.) \rightarrow 2MnCl_2 + 5Cl_2\uparrow + 2KCl + 8H_2O$
  3. $KClO_3 + 6HCl(конц.) \rightarrow 3Cl_2\uparrow + KCl + 3H_2O$