Галогены
Полный научный обзор элементов VIIA группы периодической системы
Галогены — химические элементы 17-й группы периодической таблицы Д. И. Менделеева: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I), астат (At) и теннессин (Ts). Все галогены — типичные неметаллы, сильные окислители.
1. Обзор элементов — история открытия
Год открытия: 1886 (Анри Муассан)
История: Фтор долгое время не удавалось выделить из-за высокой реакционной способности. Муассан получил его электролизом фтороводорода при низкой температуре.
Год открытия: 1774 (Карл Вильгельм Шееле)
История: Шееле получил хлор действием соляной кислоты на пиролюзит (MnO₂). Дэви в 1810 году доказал, что это простое вещество и дал ему название.
Год открытия: 1826 (Антуан Жером Балар)
История: Балар обнаружил бром в рассолах средиземноморских соляных промыслов. Название происходит от греческого «bromos» — зловонный.
Год открытия: 1811 (Бернар Куртуа)
История: Куртуа случайно обнаружил йод при обработке золы морских водорослей серной кислотой. Название происходит от греческого «iodes» — фиолетовый.
Год открытия: 1940 (Эмилио Сегре, Д. Корсон, К. Маккензи)
История: Получен искусственно бомбардировкой висмута α-частицами. Самый редкий элемент в природе (менее 30 г в земной коре).
Год открытия: 2010 (ОИЯИ, Ливерморская национальная лаборатория)
История: Синтезирован в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна). Назван в честь штата Теннесси (США).
2. Общая характеристика группы
Изменение свойств в группе сверху вниз
| Свойство | Фтор (F) | Хлор (Cl) | Бром (Br) | Йод (I) | Астат (At) |
|---|---|---|---|---|---|
| Атомный радиус, пм | 64 | 99 | 114 | 133 | 140 |
| Электроотрицательность (по Полингу) | 4.0 | 3.0 | 2.8 | 2.5 | 2.2 |
| Энергия ионизации, кДж/моль | 1681 | 1251 | 1140 | 1008 | ~930 |
| Сродство к электрону, кДж/моль | -328 | -349 | -325 | -295 | -270 |
Окислительно-восстановительные свойства
В группе сверху вниз окислительная способность уменьшается (фтор — самый сильный окислитель), а восстановительная способность увеличивается (йод и астат могут проявлять восстановительные свойства).
Степени окисления и валентные возможности
- Фтор — всегда проявляет степень окисления -1 (самая электроотрицательный элемент).
- Хлор, бром, йод — степени окисления: -1, +1, +3, +5, +7.
- Астат — степени окисления: -1, +1, +3, +5, +7.
- Теннессин — предполагаемые степени окисления: -1, +1, +3, +5.
Валентные возможности определяются наличием 7 электронов на внешнем энергетическом уровне (ns²np⁵). Для присоединения электрона галогены имеют одну вакансию, что объясняет их постоянную валентность I в соединениях с водородом и металлами.
3. Простые вещества — галогены
Физические свойства
| Галоген | Формула | Агрегатное состояние (н.у.) | Цвет | Температура плавления, °C | Температура кипения, °C |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | F₂ | Газ | Бледно-жёлтый | -220 | -188 |
| Хлор | Cl₂ | Газ | Жёлто-зелёный | -101 | -34 |
| Бром | Br₂ | Жидкость | Красно-коричневый | -7 | 59 |
| Йод | I₂ | Твёрдое вещество | Тёмно-фиолетовый | 114 | 184 |
| Астат | At₂ | Твёрдое вещество | Чёрный (предпол.) | 302 | 337 |
Химические свойства
Все галогены — сильные окислители, причем окислительная способность уменьшается от фтора к астату.
- Взаимодействие с металлами — образуют галогениды: 2Na + Cl₂ → 2NaCl
- Взаимодействие с водородом — образуют галогеноводороды: H₂ + Cl₂ → 2HCl (на свету)
- Взаимодействие с водой:
- Фтор: 2F₂ + 2H₂O → 4HF + O₂ (бурно реагирует)
- Хлор: Cl₂ + H₂O ⇌ HCl + HClO (обратимая реакция)
- Бром и йод реагируют аналогично хлору, но менее активно
- Вытеснение менее активных галогенов из их соединений: Cl₂ + 2NaBr → 2NaCl + Br₂
4. Водородсодержащие соединения галогенов
Физические свойства галогеноводородов
| Соединение | Формула | Агрегатное состояние (н.у.) | Температура кипения, °C | Растворимость в воде |
|---|---|---|---|---|
| Фтороводород | HF | Газ | 19.5 | Хорошо растворим |
| Хлороводород | HCl | Газ | -85 | Хорошо растворим (1:500) |
| Бромоводород | HBr | Газ | -66 | Хорошо растворим |
| Иодоводород | HI | Газ | -35 | Хорошо растворим |
Химические свойства
- Кислотные свойства — в воде образуют кислоты (плавиковая, соляная, бромоводородная, иодоводородная). Сила кислот увеличивается от HF к HI.
- Восстановительные свойства увеличиваются от HF к HI. HI — сильный восстановитель.
- Взаимодействие с окислителями: 2HBr + H₂SO₄(конц.) → Br₂ + SO₂ + 2H₂O
- Особенности HF:
- Водородная связь между молекулами → аномально высокая температура кипения
- Реагирует с SiO₂: 4HF + SiO₂ → SiF₄ + 2H₂O (травление стекла)
- Слабая кислота в разбавленном растворе
5. Кислородсодержащие соединения галогенов
Фтор образует только фториды кислорода (OF₂, O₂F₂), так как является более электроотрицательным элементом, чем кислород. Остальные галогены образуют оксиды, кислородсодержащие кислоты и их соли.
Оксиды галогенов
- Оксиды хлора: Cl₂O, ClO₂, Cl₂O₆, Cl₂O₇
- Оксиды брома: Br₂O, BrO₂, BrO₃
- Оксиды йода: I₂O₄, I₂O₅, I₂O₇, I₄O₉
Кислородсодержащие кислоты галогенов
| Степень окисления | Хлор | Бром | Йод |
|---|---|---|---|
| +1 | Хлорноватистая HClO | Бромноватистая HBrO | Иодноватистая HIO |
| +3 | Хлористая HClO₂ | Бромистая HBrO₂ | Иодистая HIO₂ |
| +5 | Хлорноватая HClO₃ | Бромноватая HBrO₃ | Иодноватая HIO₃ |
| +7 | Хлорная HClO₄ | Бромная HBrO₄ | Иодная HIO₄, H₅IO₆ |
Свойства кислородсодержащих соединений
- Устойчивость кислот уменьшается с ростом степени окисления галогена и с увеличением атомного номера.
- Окислительные свойства наиболее выражены у хлорноватистой и хлористой кислот.
- Термическая устойчивость возрастает с увеличением степени окисления галогена.
- Хлорная кислота HClO₄ — одна из самых сильных минеральных кислот.
6. Галогены в природе
Распространенность и природные соединения
| Галоген | Содержание в земной коре, % | Основные природные соединения | Месторождения |
|---|---|---|---|
| Фтор | 0.054 | Флюорит (плавиковый шпат) CaF₂, криолит Na₃AlF₆, фторапатит Ca₅(PO₄)₃F | Мексика, Китай, ЮАР, Монголия |
| Хлор | 0.19 | Галит (каменная соль) NaCl, сильвин KCl, карналлит KCl·MgCl₂·6H₂O | Солевые месторождения (Россия, США, Германия, Канада) |
| Бром | 3×10⁻⁴ | В морской воде (бромиды), в соляных озёрах, нефтяных водах | Мёртвое море, США, Россия, Туркменистан |
| Йод | 4×10⁻⁵ | В морской воде (йодиды), в морских водорослях, в виде иодатов в селитрах | Чили, Япония, США, Россия |
| Астат | ~7×10⁻¹⁶ | Присутствует в следовых количествах в рудах урана и тория как продукт распада | В ничтожных количествах по всему миру |
Биологическая роль
- Фтор — входит в состав зубной эмали (фторапатит), необходим для профилактики кариеса.
- Хлор — важнейший а
