Элементы группы viiа — галогены

Изучив содержание главы 18, студенты должны:

знать

• • положение галогенов в таблице Менделеева, нахождение в природе и практическое применение;
• • строение атома, валентность, степени окисления галогенов;
• • способы получения и свойства простых веществ;
• • основные типы соединений галогенов;

уметь

• • составлять уравнения реакций получения галогенов и реакций, характеризующих химические свойства галогенов;
• • проводить сопоставление свойств элементов в группе галогенов;
• • характеризовать практически важные соединения галогенов;
• • проводить расчеты по уравнениям реакций, в которых участвуют галогены;

владеть

• навыками прогнозирования протекания реакций с участием галогенов и их соединений.

Строение атомов. Распространенность галогенов в природе

Химические элементы УПА-группы от фтора до иода получили общее название галогены (от греч. «галос» — соль, «генос» — порождающий) из-за их способности образовывать бинарные соли с металлами. В группу галогенов входит также радиоактивный элемент астат. Нуклид ²^§ АГ образуется в цепи радиоактивного распада ²^|и Период полураспада ²^А1 составляет всего 8,1 ч. Этот элемент остается малоизученным. Хлор и бром имеют по два устойчивых изотопа: °^С1, °|^С1,™Вг и |^Вг. Наличие изотопов у хлора обнаруживается по средней атомной массе, отклоняющейся от целого числа. У брома в природе почти равное содержание изотопов, и атомная масса оказывается средней между 79 и 80 (см. таблицу Менделеева). Фтор и иод представляют собой одиночные нуклиды 'ур и *§ 1.

В таблице Менделеева каждый галоген является предпоследним элементом своего периода. Следом за ним стоит благородный газ. Это значит, что до завершенной устойчивой электронной структуры у атома галогена недостает только одного электрона. Поэтому галогены характеризуются ярко выраженными неметаллическими свойствами. Во внешних электронных оболочках их атомов имеется по семь электронов:

Атомы галогенов характеризуются одновременно большой энергией ионизации и энергией сродства к электрону. Поэтому у галогенов высокая электроотрицательность. Фтор оказывается элементом с самой высокой относительной электроотрицательностью х = 4. Связи галогенов с металлами имеют преобладающий ионный характер. Вследствие этого большинство галогенидов металлов образуют ионные кристаллические структуры и являются солями.

Для галогенов наиболее характерно одновалентное состояние, причем фтор всегда только одновалентен. Остальные галогены в соединениях с кислородом и фтором проявляют и другие валентности. Это объясняется наличием в их атомах свободных </-орбиталей, с участием которых возникают возбужденные состояния атомов. Например, при переходе одного, двух или трех электронов хлора на свободные ^/-орбитали число не спаренных электронов каждый раз возрастает на два. Атом хлора становится трех-, пятиили семивалентным:

Остальные элементы, кроме кислорода и фтора, не способны стабилизировать высшие валентности хлора и брома. Только йод переходит в трехвалентное состояние при реакции с хлором, образуя 1С1₃.

В земной коре (вместе с океаном) наиболее распространены фтор и хлор. Их массовая доля составляет около 0,01%. Фтор встречается в виде практически нерастворимых минералов флюорита СаР₂, фторапатита Са₅(Р0₄)₃Е, криолита Ыа₃А1Р₆. Все они имеют важное хозяйственное значение. Для хлора характерно образование растворимых солей. Он встречается в виде хлорида натрия как в природных водах (океаны, моря, соляные озера, источники подземной воды), так и в твердых залежах — минерал галит. Вода океанов содержит в среднем 1,8% хлора. Это неисчерпаемые и легко доступные запасы хлора. Есть также залежи хлорида калия (сильвин) и смеси хлоридов натрия и калия (сильвинит). Минерал карналлит состоит из хлоридов калия и магния — КС1-МйС1₂-6Н₂0. Бром постоянно сопровождает хлор в тех же водах и минералах, но его содержание в среднем в 300 раз меньше. Добывают бром из некоторых водных бассейнов с большим содержанием солей (Мертвое море, озеро Саки в Крыму и др.). Содержание йода в природе в 1000 раз меньше, чем хлора. Источником получения йода служит вода нефтяных скважин и морские водоросли, концентрирующие йод из окружающей среды. Это единственный из галогенов, который в природе может окисляться кислородом до простого вещества 1₂, и его присутствие в воздухе обнаруживается по запаху местами на побережьях морей.

Галогены имеют жизненно важное значение. Фтор как микроэлемент в виде фторапатита Са₅(Р0₄)₃Р входит в состав зубной эмали, а различные другие соединения фтора применяются для профилактики зубных заболеваний. Образуя нерастворимый в воде фторид кальция, фтор в значительном количестве — от 0,2 до 1% — накапливается в костях. Общее содержание фтора в организме человека составляет в среднем 2,6 г. Хлор — необходимый для жизни макроэлемент. В организме человека его около 100 г. Хлор находится в биологических жидкостях в виде растворимых солей натрия, калия и др. Его роль заключается в обеспечении необходимой концентрации этих катионов. Ионы хлора безвредны. Но никоим образом нельзя назвать безвредными простое вещество С1₂, а также кислородные и органические соединения хлора. Вдыхание воздуха, содержащего значительную примесь С1₂, вызывает тяжелое поражение легких. Органические соединения хлора при попадании в организм вызывают поражения печени, нервной ткани и др. Биологическая роль брома окончательно не установлена. Однако известно, что соединения брома проявляют успокаивающее действие и широко применяются в лекарственных препаратах. йод — биогенный микроэлемент, содержащийся в организме человека в количестве около 13 мг. Йод сильно концентрируется в щитовидной железе. В гормонах щитовидной железы йод образует ковалентную связь с углеродом. Недостаток йода вызывает заболевание щитовидной железы (зоб). В этом случае больных лечат препаратами, содержащими йод, например, назначают прием иодида калия.