ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,
величайшие завоевания разума будут сделаны
именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)
Таблица
|
Данный урок посвящен изучению темы «Свойства элементов и простых веществ галогенов». В материалах урока подробно рассмотрены особенности строения атомов элементов VIIА группы, характерные для них степени окисления, какие свойства характерны не только для элементов, но и для простых веществ галогенов.
I. Видео
II. Положение галогенов в ПСХЭ, строение их атомов
Галогены (от греч. ἁλός — соль и γένος — рождение, происхождение) – химические элементы VII-й группы главной подгруппы Периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. К галогенам относятся фтор F, хлор Cl, бром Br, йод I, астат At, а также (формально) искусственный элемент унунсептий Uus.
Название |
Схема строения атома |
Электронная формула |
Фтор |
F +9)2)7 |
…2s22p5 |
Хлор |
Cl +17)2)8)7 |
…3s23p5 |
Бром |
Br +35)2)8)18)7 |
…4s24p5 |
Йод |
I +53)2)8)18)18)7 |
…5s25p5 |
На внешнем электронном слое атомов галогенов находятся 7 электронов. Электронная конфигурация валентного слоя данных элементов – …ns2np5. Для получения электронной конфигурации благородного газа им не хватает одного электрона, который они получают от других элементов ns2np5 ns2np6 и существуют в форме аниона Hal-
Наименьший радиус атома среди всех галогенов имеет фтор, поэтому у него самая высокая (даже среди всех химических элементов) относительная электроотрицательность. По этой причине не существует веществ, в которых фтор имел бы положительную степень окисления, не говоря о высшей степени окисления, соответствующей номеру группы (+7). Для фтора возможны степени окисления только –1 и 0. Остальные галогены в соединении с более электроотрицательным кислородом могут образовывать вещества, в которых степень окисления их атомов положительна. Таким образом, для Cl, Br, I характерны степени окисления -1, 0, +1, +3, +5, +7.
С увеличением порядкового номера химическая активность галогенов уменьшается, химическая активность галогенид-ионов F−, Cl−, Br−, I−, At− уменьшается.
Все галогены — энергичные окислители, поэтому встречаются в природе только в виде соединений. Содержание галогенов в земной коре снижается от фтора к астату. Причем, если фтор, бром и йод можно отнести к распространенным химическим элементам, то содержание астата в земной коре крайне мало. Галогены входят в состав многих минералов. Исключение составляет астат. Астат обнаружен в продуктах радиоактивного распада урана.
Соли галогенов (галогениды) входят в состав морской воды.
|
|
|
|
Минералы фтора |
Минералы хлора |
1. Открытие хлора
Хлор Cl2 - открыт К. Шеелев 1774 г, описавшим его выделение при взаимодействии пиролюзита с соляной кислотой в своём трактате о пиролюзите:
Шееле отметил запах хлора, схожий с запахом царской водки, его способность взаимодействовать с золотом и киноварью, а также его отбеливающие свойства. Однако Шееле, в соответствии с господствовавшей в химии того времени теории флогистона, предположил, что хлор представляет собой дефлогистированную муриевую (соляную) кислоту. Бертолле и Лавуазье в рамках кислородной теории кислот обосновали, что новое вещество должно быть оксидом гипотетического элемента мурия. Однако попытки его выделения оставались безуспешными вплоть до работ Г. Дэви, которому электролизом удалось разложить поваренную соль на натрий и хлор, доказав элементарную природу последнего.
В 1811 г. Дэви предложил для нового элемента название «хлорин» (chlorine). Спустя год Ж. Гей-Люссак «сократил» название до хлора (chlore). В том же 1811 г. немецкий физик Иоганн Швейгер предложил для хлора название «галоген» (дословно солерод), однако впоследствии этот термин закрепился за всей 17-й (VIIA) группой элементов, в которую входит и хлор.
2. Физические свойства хлора
Газообразный хлор относительно легко сжижается. Начиная с давления в 0,8 МПа (8 атмосфер), хлор будет жидким уже при комнатной температуре. При охлаждении до температуры в −34 °C хлор тоже становится жидким при нормальном атмосферном давлении. Жидкий хлор — жёлто-зелёная жидкость, обладающая очень высоким коррозионным действием (за счёт высокой концентрации молекул). Повышая давление, можно добиться существования жидкого хлора вплоть до температуры в +144 °C (критической температуры) при критическом давлении в 7,6 МПа.
3. Получение хлора
1. Окисление ионов Cl- сильными окислителями или электрическим током:
MnO2 + 4HCl→ MnCl2 + Cl2 + 2H2O
2KMnO4 + 16HCl→ 2MnCl2 + 5Cl2 + 2KCl + 8H2O
K2Cr2O7 + 14HCl→ 2CrCl3 + 2KCl + 3Cl2 + 7H2O
2. Электролиз раствора NaCl (промышленный способ):
2NaCl + 2H2O→ H2 + Cl2 + 2NaOH
4. Химические свойства
Хлор - сильный окислитель.
1) Реакции с металлами:
2К + Cl2→ 2КCl
Опыт: “Взаимодействие хлора с калием”
Ni + Cl2→ NiCl2
2Fe + 3Cl2→ 2FeCl3
Опыт: “Взаимодействие хлора с железом”
Опыт: “Взаимодействие хлора с медью”
2) Реакции с неметаллами:
H2 + Cl2свет или t→ 2HCl
Опыт: “Взаимодействие хлора с водородом”
2P + 3Cl2 → 2PClЗ
Опыт: “Взаимодействие хлора с фосфором”
3) Реакция с водой:
Cl2 + H2O↔ HCl + HClO
4) Реакции со щелочами:
Cl2 + 2KOH → KCl + KClO + H2O
3Cl2 + 6KOH t→ 5KCl + KClOЗ + 3H2O
5) Вытесняет бром и йод из галогеноводородных кислот и их солей.
Cl2 + 2KI → 2KCl + I2
Cl2 + 2HBr → 2HCl + Br2
Cl2 + 2H2O→ H2 + Cl2 + 2NaOH
Анимация: “Использование хлора в Первой мировой войне”
VI. Сравнительная характеристика галогенов
1. Нахождение галогенов в природе
Галогены в природе находятся только в виде соединений.
Фтор встречается исключительно в виде солей, рассеянных по различным горным породам. Общее содержание фтора в земной коре составляет 0,02% атомов. Практическое значение имеют минералы фтора: CaF2 - плавиковый шпат (рис.1), Na2AlF6 - криолит (рис.2), Ca5F(PO4)3 - фторапатит (рис.3).
Рис.1. Плавиковый шпат Рис.2. Криолит Рис.3. Фторапатит
Важнейшим природным соединением хлора является хлорид натрия (галит), который служит основным сырьем для получения других соединений хлора. Главная масса хлорида натрия находится в воде морей и океанов. Воды многих озер также содержат значительное количество NaCl – таковы, например озера Эльтон и Баскунчак. Встречаются другие соединения хлора, например, KСl - сильвин, MgCl2*KCl*6HO - карналлит, KCl*NaCl - сильвинит.
Бром встречается в природе в виде солей натрия и калия вместе с солями хлора, а также в воде соленых озер и морей. Бромиды металлов содержатся в морской воде. В подземных буровых водах, имеющих промышленное значение, содержание брома составляет от 170 до700мг/л. Общее содержание брома в земной коре 3*10-5% атомов.
Соединения йода имеются в морской воде, но в столь малых количествах, что непосредственное выделение их из воды очень затруднительно. Однако существуют некоторые водоросли, которые накапливают йод в своих тканях, например ламинарии. Зола этих водорослей служит сырьем для получения йода. Значительное количество йода( от 10 до 50мг/л.) содержатся в подземных буровых водах. Содержание йода в земной коре 4*10-6 % атомов. Существуют незначительные залежи солей йода - KIO3 и KIO4 - В Чили и Боливии.
Общая масса астата на земном шаре по оценкам не превышает 30 г.
Таблица. Электронное строение и некоторые свойства атомов и молекул галогенов
Символ элемента |
F |
Cl |
Br |
I |
At |
Порядковый номер |
9 |
17 |
35 |
53 |
85 |
Строение внешнего электронного слоя |
2s22p5 |
3s23p5 |
4s24p5 |
5s25p5 |
6s26p5 |
Относительная электро отрицательность (ЭО) |
4,0 |
3,0 |
2,8 |
2,5 |
~2,2 |
Радиус атома, нм |
0,064 |
0,099 |
0,114 |
0,133 |
– |
Степени окисления |
-1 |
-1, +1, +3, |
– |
||
Агрегатное состояние |
Бледно-зел. |
Зел-желт. |
Бурая |
Темн-фиол. |
Черные |
t°пл.(°С) |
-219 |
-101 |
-8 |
114 |
227 |
t°кип.(°С) |
-183 |
-34 |
58 |
185 |
317 |
ρ (г/см3 ) |
1,51 |
1,57 |
3,14 |
4,93 |
– |
Растворимость в воде (г / 100 г воды) |
реагирует |
2,5 : 1 |
3,5 |
0,02 |
|
Название |
Схема строения атома |
Электронная формула |
Фтор |
F +9)2)7 |
…2s22p5 |
Хлор |
Cl +17)2)8)7 |
…3s23p5 |
Бром |
Br +35)2)8)18)7 |
…4s24p5 |
Йод |
I +53)2)8)18)18)7 |
…5s25p5 |
1) Общая электронная конфигурация внешнего энергетического уровня - nS2nP5.
2) С возрастанием порядкового номера элементов увеличиваются радиусы атомов, уменьшается электроотрицательность, ослабевают неметаллические свойства (увеличиваются металлические свойства); галогены - сильные окислители, окислительная способность элементов уменьшается с увеличением атомной массы.
3) С увеличением атомной массы окраска становится более темной, возрастают температуры плавления и кипения, а также плотность.
2. Получение галогенов
2NaCl + 2H2O = Cl2+ H2+ 2NaOH
2KF = 2K + F2 (единственный способ полученияя F2)
2KMnO4+16HCl=2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O – лабораторный способ получения хлора
14HBr+K2Cr2O7=2KBr+2CrBr3+3Br2+7H2O
MnO2 + 4HHal = MnHal2 + Hal2 + 2 H2O– лабораторный (лля получения хлора, брома, иода)
2KBr+Cl2=2KCl+Br2
2KI + Cl2=2KCl + I2
3. Химические свойства
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3(кр) + 1405 кДж
2Fe + ЗCl2 = 2FeCl3(кр) + 804 кДж
Активность галогенов уменьшается с увеличением атомного радиуса. Это можно наблюдать при взаимодействии их с железом.
4. Применение галагенов
Фтор |
широко применяют как фторирующий агент при получении различных фторидов (SF6, BF3, WF6 и других), в том числе и соединений инертных газов ксенона (Xe) и крипто |