Элементы VII A группы

К элементам VII A группы относятся фтор F, хлор Cl, бром Br, йод I, астат At. Их групповое название – галогены, что означает – «рождающие соли».

На внешнем электронном слое у элементов – 7 электронов, которые находятся на s- и р-подуровнях. Электронная конфигурация внешнего электронного слоя может быть представлена как ns²np⁵, где n – номер внешнего уровня. Относительная атомная масса от фтора к астату увеличивается. Радиус атома также увеличивается. А вот энергия ионизации от фтора к астату уменьшается, как и энергия сродства к электрону. Самый электроотрицательный галоген – фтор, поэтому электроотрицательность от фтора к астату будет уменьшаться.

Для всех галогенов, кроме фтора характерны как положительные, так и отрицательные степени окисления. Так, у фтора в соединениях возможна только степень окисления -1. Для остальных элементов VII A группы возможны степени окисления: -1, +1, +3, +5 и +7.

Из-за своей химической активности галогены в природе встречаются только в виде соединений. Например, фтор – в составе флюорита, или плавикового шпата – CaF₂, криолита – Na₃AlF₆. Хлор встречается в природе в составе поваренной, или каменной соли – NaCl, сильвина – KCl и сильвинита – KCl ∙ NaCl. Бром и йод концентрируется в морских и подземных водах, йод накапливается морскими водорослями.

Рассмотрим физические свойства галогенов. Фтор – жёлтый газ, хлор – жёлто-зелёный газ, бром представляет собой красно-бурую жидкость, а йод – тёмно-фиолетовые кристаллы.

Связь в молекулах галогенов – ковалентная неполярная, поэтому они хорошо растворимы в неполярных растворителях. У галогенов молекулярная кристаллическая решётка, поэтому у них невысокие температуры плавления и кипения.

В промышленности фтор получают электролизом расплава фторида кальция, хлор – электролизом водного раствора хлорида натрия:

CaF₂  Ca + F₂↑

2NaCl + 2H₂O  2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑.

 В лаборатории хлор получают действием окислителей на соляную кислоту:

16HCl (конц.) + 2KMnO₄ = 5Cl₂ + 2KCl + 2MnCl₂ + 8H₂O

4HCl (конц.) + MnO₂ = Cl₂ + MnCl₂ + 2H₂O

6HCl (конц.) + KClO₃ = 3Cl₂↑ + KCl + 3H₂O.

Галогены – химически активные вещества. Причём в ряду F^-, Cl^-, Br^-, I^- восстановительная способность анионов растёт. Галогены не реагируют с кислородом и азотом. Все они, кроме йода, реагируют с серой. Так, в реакции фтора с серой образуется газ – фторид серы (VI):

S + 3F₂ = SF₆.

Кроме этого, они вступают в реакции взаимодействия с фосфором. Например, в реакции фосфора с избытком хлора образуется хлорид фосфора (V):

2P + 5Cl₂ = 2PCl₅.

Галогены также реагируют с водородом. Например, с фтором водород реагирует со взрывом в темноте, с хлором – на свету, с бромом – при нагревании, а с йодом – обратимо. При этом образуются соответственно фтороводород, хлороводород, бромоводород, йодоводород. Все эти реакции, за исключением образования йодоводорода, являются экзотермическими:

H₂ + F₂ = 2HF +Q

H₂ + Cl₂ = 2HCl + Q

H₂ + Br₂ = 2HBr + Q

H₂ + I₂ ↔ 2HI – Q.

Из всех галогенов только фтор реагирует с углеродом, при этом образуется фторид углерода (IV):

С + 2F₂ = CF₄.

Галогены также реагируют с металлами:

Cu + F₂ = CuF₂

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

2Al + 3I₂ = 2AlI₃.

Галогены взаимодействуют также друг с другом при определённых условиях. Так, в реакции фтора с йодом образуется фторид йода (V), а в реакции фтора с хлором – фторид хлора (I):

5F₂ + I₂ = 2IF₅

F₂ + Cl₂ = 2ClF.

В реакциях со сложными веществами элементы VIIA группы ведут себя по-разному. Например, фтор воду окисляет:

2H₂O + 2F₂ = 4HF + O₂.

Характер реакции остальных галогенов зависит от температуры. Так, при взаимодействии хлора с водой на холоде образуется соляная и хлорноватистая кислота, которая затем при нагревании и действии света распадается на соляную кислоту и атомарный кислород:

Cl₂ + H₂O ↔ HCl + HClO (HCl + O).

При нагревании хлор в реакции с водой образует соляную и хлорноватую кислоту:

3Cl₂ + 3H₂O = 5HCl + HClO₃.

Галогены также реагируют со щелочами. Например, в реакции хлора с гидроксидом калия на холоде образуется хлорид калия, гипохлорит калия и вода; в реакции хлора с суспензией гидроксида кальция при охлаждении образуется хлорид кальция, гипохлорит кальция и вода; в реакции хлора с гидроксидом калия при нагревании образуется хлорид калия, хлорат калия и вода:

Cl₂ + 2KOH = KCl + KClO + H₂O

2Cl₂ + 2Ca(OH)₂ = CaCl₂ + Ca(ClO)₂ + 2H₂O

3Cl₂ + 6KOH = 5KCl + KClO₃ + 3H₂O.

Фтор реагирует с оксидом кремния (IV), при этом образуется фторид кремния (IV):

SiO₂ + 2F₂ = SiF₄ + O₂↑.

Галогены вступают в реакции с алкенами и другими углеводородами, с кратными связями. Так, в реакции этилена с бромной водой образуется 1,2-дибромэтан:

CH₂ = CH₂ + Br₂ → CH₂Br – CH₂Br.

Хлор также может реагировать с хлоридом железа (II) до образования хлорида железа (III):

2FeCl₂ + Cl₂ = 2FeCl₃.

Галогены вступают в реакции замещения с алканами. Так, в реакции метана с хлором на свету образуется хлорметан и хлороводород:

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl.

Для элементов VIIA группы характерна способность вытеснять из соли менее активный галоген. Так, в реакции хлора с бромидом натрия, хлор, как более активный вытесняет из соли менее активный галоген – бром:

Сl₂ + 2NaBr = 2NaCl + Br₂.

Несмотря на то, что галогены не реагируют с кислородом, известны их кислородные соединения, которые являются кислотными оксидами и в реакциях с водой образуют кислоты. Например, в реакции оксида хлора (I) с водой образуется хлорноватистая кислота; в реакции оксида хлора (IV) с водой образуются хлористая и хлорноватая кислоты:

Cl₂O + H₂O = 2HClO

ClO₂ + H₂O = HClO₂ + HClO₃.

Все галогены образуют галогеноводороды, которые за исключением фтороводорода, при нормальных условиях являются газами с неприятным резким запахом. При растворении в воде все галогеноводороды образуют кислоты. Все эти кислоты, за исключением плавиковой, являются сильными электролитами. Температура плавления и кипения увеличивается от хлороводорода к йодоводороду.

В лаборатории для получения фторововодорода и хлороводорода используют реакции фторидов и хлоридов с концентрированной серной кислотой. Например, в реакции фторида кальция с концентрированной серной кислотой образуется сульфат кальция и фтороводород; в реакции хлорида натрия с концентрированной серной кислотой образуется гидросульфат натрия и хлороводород. Но для получения бромоводорода и йодоводорода эти реакции использовать нельзя, так как в результате реакции будет протекать окислительно-восстановительная реакция:

CaF₂ + H₂SO₄ (конц.) = СaSO₄↓ + 2HF↑

NaCl (тв.) + H₂SO₄ (конц.) = NaHSO₄ + HCl↑.

Фтороводородная, или плавиковая, кислота реагирует с оксидом кремния (IV), в результате чего образуются фторид кремния (IV) и вода:

SiO₂ + 4HF = SiF₄ + 2H₂O.

Рассмотрим химические свойства соляной кислоты. Она реагирует с металлами, расположенными в ряду активности до водорода. Так в реакции магния с соляной кислотой образуется хлорид магния и водород:

Mg + 2HCl = MgCl₂ + H₂↑.

Соляная кислота реагирует с основными и амфотерными оксидами. В реакции оксида бария с соляной кислотой образуется соль – хлорид бария и вода, а в реакции оксида цинка с соляной кислотой образуется соль – хлорид цинка и вода:

BaO + 2HCl = BaCl₂ + H₂O

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + H₂O.

Хлороводородная кислота вступает в реакции взаимодействия с амфотерными гидроксидами, растворимыми и нерастворимыми в воде основаниями. Так, в реакции соляной кислоты с амфотерным гидроксидом – гидроксидом алюминия образуется хлорид алюминия и вода, в реакции соляной кислоты с растворимым основанием гидроксидом кальция образуется хлорид кальция и вода, в реакции соляной кислоты с нерастворимым в воде основанием гидроксидом меди (II) образуется хлорид меди (II) и вода:

2Al(OH)₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O

Cu(OH)₂ + 2HCl = CuCl₂ + 2H₂O.

Соляная кислота реагирует с солями, если в результате реакции образуется осадок, газ или слабый электролит. Так, в реакции соляной кислоты с нитратом серебра (I) образуется осадок – хлорид серебра (I) и азотная кислота, в реакции соляной кислоты с карбонатом кальция образуется хлорид кальция, углекислый газ и вода, в реакции соляной кислоты с фторидом калия образуется хлорид калия и слабый электролит – фтороводородная кислота:

HCl + AgNO₃ = AgCl↓ + HNO₃

2HCl + CaCO₃ = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O

HCl + KF = KCl + HF.

Важнейшим соединением хлора является хлорат калия, или бертолетова соль (KClO₃). При нагревании в присутствии катализатора бертолетова соль разлагается с образованием хлорида калия и кислорода; а при разложении чистого хлората калия образуется хлорид калия и перхлорат калия; в реакции хлората калия с концентрированной соляной кислотой образуется хлор, хлорид калия и вода; в реакции хлората калия с красным фосфором при нагревании образуется хлорид калия и оксид фосфора (V); в реакции бертолетовой соли с серой при нагревании образуется хлорид калия и оксид серы (IV).

 Для обнаружения хлорид-, бромид-, йодид-ионов используют нитрат серебра (I). AgCl – белый творожистый осадок, AgBr – светло-жёлтый, AgI – жёлтый осадок. Фторид-ионы обнаруживают с помощью ионов Ca²⁺, так как образуется белый осадок CaF₂.

Осуществим превращения:

NaCl → HCl → Cl₂ → KClO₃ → KClO₄ → KCl.

Для того чтобы из хлорида натрия получить хлороводород, нужно на твёрдый хлорид натрия подействовать концентрированной серной кислотой. Затем к концентрированной соляной кислоте добавить оксид марганца (IV) и нагреть, получится хлор. Для получения хлората калия нужно к хлору добавить раствор гидроксида калия, при этом реакция идёт при нагревании. При разложении чистого хлората калия получается перхлорат калия, который при более высокой температуре также разлагается на хлорид калия и кислород:

NaCl (тв.) + H₂SO₄ (конц.) = NaHSO₄ + HCl↑

4HCl (конц.) + MnO₂ = Cl₂ + MnCl₂ + 2H₂O

3Cl₂ + 6KOH = 5KCl + KClO₃ + 3H₂O

4KClO₃ = KCl + 3KClO₄

KClO₄ = KCl + 2O₂.