Галогены — элементы VIIA-группы — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Общая характеристика неметаллов

Коротко о главном

Галогены — фтор, хлор, бром, иод (а также астат и теннессин) — элементы VIIA-группы. У их атомов 7 внешних электронов, поэтому они легко принимают ещё один и становятся сильными окислителями. От фтора к иоду окислительная способность падает, и более активный галоген вытесняет менее активный из солей.

\mathrm{2KBr + Cl_2 \rightarrow 2KCl + Br_2}

Подробное объяснение

Поваренная соль на кухне, хлорка в бассейне, фторированная зубная паста и йодная настойка в аптечке — всё это соединения одного семейства элементов. Его название «галогены» переводится с греческого как «рождающие соли»: с металлами они образуют соли.

Строение атомов

В VIIA-группу входят фтор $\mathrm{F}$ , хлор $\mathrm{Cl}$ , бром $\mathrm{Br}$ , иод $\mathrm{I}$ , астат $\mathrm{At}$ и теннессин $\mathrm{Ts}$ . Последние два радиоактивны и почти не изучены, в школьном курсе речь идёт о первых четырёх.

На внешнем уровне у атома галогена 7 электронов. До устойчивого восьмиэлектронного слоя не хватает одного, и атом охотно забирает его у других атомов. Отсюда главная степень окисления галогенов — $$-1$$ ( $\mathrm{NaCl}$ , $\mathrm{HBr}$ , $\mathrm{KI}$ ).

Сверху вниз по группе растёт число электронных слоёв и радиус атома. Внешние электроны всё дальше от ядра, и атом слабее притягивает чужой электрон. Поэтому электроотрицательность и окислительная способность уменьшаются: фтор — самый сильный окислитель, иод — самый слабый из четырёх.

Высшая степень окисления по номеру группы равна $$+7$$ (например, $\mathrm{Cl_2O_7}$ ). Но у фтора положительных степеней окисления нет: он самый электроотрицательный элемент и электроны только забирает.

Простые вещества

Молекулы галогенов двухатомные: $\mathrm{F_2}$ , $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{Br_2}$ , $\mathrm{I_2}$ , связь ковалентная неполярная, кристаллическая решётка молекулярная. С ростом массы молекул вещества становятся тяжелее и темнее: фтор — светло-жёлтый газ, хлор — жёлто-зелёный газ, бром — бурая жидкость, иод — чёрно-серые кристаллы. Фтор, хлор и бром очень ядовиты.

В природе галогены свободными не встречаются — только в соединениях: флюорит $\mathrm{CaF_2}$ , каменная соль $\mathrm{NaCl}$ , сильвин $\mathrm{KCl}$ . Бром и иод в основном растворены в морской воде, иод накапливают морские водоросли.

В лаборатории хлор получают, окисляя соляную кислоту сильным окислителем:

\mathrm{MnO_2 + 4HCl \xrightarrow{t} MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O}

Химические свойства

С металлами — соли-галогениды: $\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}$ . Хлор окисляет железо сразу до $$+3$$ . Иоду для таких реакций нужно нагревание или катализатор.
С водородом — галогеноводороды: $\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}$ . С иодом реакция идёт только при нагревании и обратима.
Вытеснение друг друга. Более активный галоген отбирает электрон у иона менее активного: $\mathrm{2KI + Br_2 \rightarrow 2KBr + I_2}$ . Фтор для таких опытов не берут — он реагирует с самой водой с выделением кислорода.
Со щелочами. На холоду: $\mathrm{Cl_2 + 2NaOH \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O}$ . При нагревании: $\mathrm{3Cl_2 + 6NaOH \xrightarrow{t} 5NaCl + NaClO_3 + 3H_2O}$ . Часть атомов хлора принимает электроны, часть отдаёт.

Применение

Фтор — зубные пасты, тефлон. Хлор — обеззараживание воды, отбеливатели, пластмассы, соляная кислота. Иод — антисептик, иодированная соль. Хлор и иод нужны организму: соляная кислота работает в желудочном соке, иод — в гормонах щитовидной железы.

Как решать задачи

Запишите уравнение реакции с коэффициентами; молекулы галогенов — двухатомные.
Если реакция — вытеснение, проверьте по ряду $\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}$ , что она вообще идёт.
Для окислительно-восстановительной реакции составьте электронный баланс.
Найдите количество вещества известного реагента, $$n = m/M$$ или $$n = V/V_m$$ .
По коэффициентам перейдите к искомому веществу и найдите массу или объём.

Разобранные примеры

База

Электронный баланс горения железа в хлоре

Условие

Расставьте коэффициенты в схеме $\mathrm{Fe + Cl_2 \rightarrow FeCl_3}$ методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

Решение

Железо меняет степень окисления с 0 до $$+3$$ , хлор — с 0 до $$-1$$ :

\mathrm{\overset{0}{Fe} - 3e^- \rightarrow \overset{+3}{Fe}} \;\; | \times 2, \qquad \mathrm{\overset{0}{Cl_2} + 2e^- \rightarrow 2\overset{-1}{Cl}} \;\; | \times 3

Наименьшее общее кратное 3 и 2 — 6, поэтому перед железом 2, перед хлором 3:

\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}

Железо отдаёт электроны — восстановитель, хлор принимает — окислитель.

Ответ: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃; Fe — восстановитель, Cl₂ — окислитель

Средний

Пойдёт ли реакция вытеснения

Условие

В пробирку с раствором бромида натрия добавили иодную воду, в другую с иодидом натрия — бромную воду. Где произойдёт реакция?

Решение

Бром стоит в группе выше иода и является более сильным окислителем. Значит, бром может отнять электрон у иодид-иона, а иод у бромид-иона — нет.

В первой пробирке реакции нет. Во второй:

\mathrm{2NaI + Br_2 \rightarrow 2NaBr + I_2}

Раствор буреет из-за выделившегося иода.

Ответ: Только во второй пробирке: 2NaI + Br₂ → 2NaBr + I₂

Средний

Объём хлора из оксида марганца

Условие

Какой объём хлора (н. у.) выделится при действии избытка концентрированной соляной кислоты на 17,4 г оксида марганца(IV)?

Дано

$m(\mathrm{MnO_2}) = 17{,}4$ г

Найти

$V(\mathrm{Cl_2})$ . $\mathrm{MnO_2 + 4HCl \xrightarrow{t} MnCl_2 + Cl_2\uparrow + 2H_2O}$ $M(\mathrm{MnO_2}) = 55 + 32 = 87$ г/моль
$n = \dfrac{17{,}4}{87} = 0{,}2$ моль

Решение

По уравнению $n(\mathrm{Cl_2}) = n(\mathrm{MnO_2}) = 0{,}2$ моль, $V = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48$ л.

Ответ: 4,48 л

Типичные ошибки

Приписывают фтору степень окисления +7

Почему неверно

Правило «высшая степень окисления равна номеру группы» у фтора не работает. Фтор — самый электроотрицательный элемент, никто не может отнять у него электроны, поэтому положительных степеней окисления у фтора нет и оксида $\mathrm{F_2O_7}$ не существует.

Как правильно

У фтора в соединениях всегда $$-1$$ . Степени $$+1$$ , $$+3$$ , $$+5$$ , $$+7$$ бывают у хлора, брома и иода.

Путают направление вытеснения

Почему неверно

Пишут, например, $\mathrm{2KCl + I_2 \rightarrow 2KI + Cl_2}$ . Иод — более слабый окислитель, чем хлор, он не может отнять электрон у хлорид-иона.

Как правильно

Вытесняет тот галоген, который стоит в группе выше: $\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}$ . Например, $\mathrm{2KI + Cl_2 \rightarrow 2KCl + I_2}$ .

Записывают галогены одноатомными

Почему неверно

В уравнении $\mathrm{Fe + Cl \rightarrow FeCl}$ хлор записан атомом, хотя простое вещество состоит из молекул $\mathrm{Cl_2}$ , а у железа в хлориде степень окисления не $$+1$$ . Уравнение получается неверным и неуравненным.

Как правильно

Простые вещества-галогены — всегда $\mathrm{F_2}$ , $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{Br_2}$ , $\mathrm{I_2}$ . Формулу соли составляют по степеням окисления, потом уравнивают: $\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}$ .

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Какая масса хлорида железа(III) образуется при сгорании 11,2 г железа в избытке хлора?

Подсказка

Сначала составьте уравнение реакции; на 2 моль железа получается 2 моль соли.

Решение

\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3}

$n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{FeCl_3}) = n(\mathrm{Fe}) = 0{,}2$ моль.

$M(\mathrm{FeCl_3}) = 56 + 3 \cdot 35{,}5 = 162{,}5$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 162{,}5 = 32{,}5$ г.

Ответ

32,5 г

База Задача 2

Определите степени окисления хлора в веществах: Cl₂, HCl, NaClO, KClO₃, Cl₂O₇.

Подсказка

Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю; у кислорода −2, у водорода и щелочных металлов +1.

Решение

$\mathrm{Cl_2}$ — простое вещество, степень окисления $$0$$ .
В $\mathrm{HCl}$ из уравнения $$+1 + x = 0$$ получаем $$x = -1$$ .
В $\mathrm{NaClO}$ из уравнения $$+1 + x - 2 = 0$$ получаем $$x = +1$$ .
В $\mathrm{KClO_3}$ из уравнения $$+1 + x - 6 = 0$$ получаем $$x = +5$$ .
В $\mathrm{Cl_2O_7}$ из уравнения $$2x - 14 = 0$$ получаем $$x = +7$$ — высшая степень окисления хлора.

Ответ

0; −1; +1; +5; +7

Средний Задача 3

Какие реакции возможны: а) KI + Br₂; б) KCl + Br₂; в) NaBr + I₂; г) NaI + Cl₂? Напишите уравнения возможных реакций.

Подсказка

Вспомните ряд активности галогенов F₂ > Cl₂ > Br₂ > I₂.

Решение

Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли.

а) Бром активнее иода — реакция идёт: $\mathrm{2KI + Br_2 \rightarrow 2KBr + I_2}$ .

б) Бром слабее хлора — реакции нет.

в) Иод слабее брома — реакции нет.

г) Хлор активнее иода — реакция идёт: $\mathrm{2NaI + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + I_2}$ .

Ответ

Идут а) и г): 2KI + Br₂ → 2KBr + I₂; 2NaI + Cl₂ → 2NaCl + I₂

Средний Задача 4

Какой объём хлора (н. у.) нужен, чтобы вытеснить весь бром из раствора, содержащего 59,5 г бромида калия?

Подсказка

M(KBr) = 119 г/моль; на 2 моль бромида расходуется 1 моль хлора.

Решение

\mathrm{2KBr + Cl_2 \rightarrow 2KCl + Br_2}

$n(\mathrm{KBr}) = \dfrac{59{,}5}{119} = 0{,}5$ моль, $n(\mathrm{Cl_2}) = \dfrac{0{,}5}{2} = 0{,}25$ моль.

$V(\mathrm{Cl_2}) = 0{,}25 \cdot 22{,}4 = 5{,}6$ л.

Ответ

5,6 л

Сложный Задача 5

Хлор массой 21,3 г пропустили через горячий раствор гидроксида калия. Составьте уравнение реакции, электронный баланс и найдите массу образовавшегося хлората калия KClO₃.

Подсказка

При нагревании хлор превращается одновременно в хлорид (−1) и хлорат (+5).

Решение

\mathrm{3Cl_2 + 6KOH \xrightarrow{t} 5KCl + KClO_3 + 3H_2O}

Электронный баланс: $\mathrm{\overset{0}{Cl} + 1e^- \rightarrow \overset{-1}{Cl}}$ (×5, окислитель), $\mathrm{\overset{0}{Cl} - 5e^- \rightarrow \overset{+5}{Cl}}$ (×1, восстановитель). Хлор — и окислитель, и восстановитель.

$n(\mathrm{Cl_2}) = \dfrac{21{,}3}{71} = 0{,}3$ моль, $n(\mathrm{KClO_3}) = \dfrac{0{,}3}{3} = 0{,}1$ моль.

$M(\mathrm{KClO_3}) = 39 + 35{,}5 + 48 = 122{,}5$ г/моль, $m = 0{,}1 \cdot 122{,}5 = 12{,}25$ г.

Ответ

12,25 г

Сложный Задача 6

Через 300 г 5%-ного раствора иодида натрия пропустили избыток хлора. Какая масса иода выделилась?

Подсказка

Найдите массу NaI в растворе; M(NaI) = 150 г/моль, M(I₂) = 254 г/моль.

Решение

\mathrm{2NaI + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + I_2}

$m(\mathrm{NaI}) = 300 \cdot 0{,}05 = 15$ г, $n(\mathrm{NaI}) = \dfrac{15}{150} = 0{,}1$ моль.

$n(\mathrm{I_2}) = \dfrac{0{,}1}{2} = 0{,}05$ моль, $m(\mathrm{I_2}) = 0{,}05 \cdot 254 = 12{,}7$ г.

Ответ

12,7 г

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Покажите на кухне соль и спросите, что общего у соли, хлорки и йода из аптечки: в каждом есть галоген. Объясните, что атому галогена не хватает одного электрона до «полного комплекта», поэтому он его отнимает у других — это и делает галогены активными. Чем атом меньше (фтор, хлор), тем сильнее он тянет электрон. Хорошая аналогия: сильный игрок отбирает мяч у слабого, а не наоборот — так хлор вытесняет иод из соли.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему у галогенов чаще всего степень окисления −1? 2) Какой галоген сильнее — бром или иод — и как это доказать опытом? 3) Почему фтор не бывает в степени окисления +7?

На что обратить внимание. Ребёнок должен писать галогены двухатомными молекулами и проверять реакции вытеснения по ряду активности. Заодно напомните о безопасности: хлорсодержащие отбеливатели нельзя смешивать с кислотными чистящими средствами — выделяется ядовитый хлор.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 11	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11