Физические свойства и получение простых веществ

Все галогены в виде простых веществ имеют одинаковый тип молекул — Х₂. Их правильные номенклатурные названия дифтор, дихлор и т. д. применяются редко. Фтор и хлор при обычных условиях представляют собой газы, бром — жидкость, а иод — твердое вещество. Все галогены — окрашенные вещества (табл. 18.1). Над поверхностью жидкого брома образуется пар интенсивного бурого цвета. Иод в твердом состоянии заметно летуч, и уже при слабом нагревании появляется фиолетовая окраска его паров. Происходит сублимация иода. Мелкие черные кристаллы иода, оставленные на стекле, через некоторое время полностью сублимируют и исчезают.

Таблица 18.1

Свойства галогенов в виде простых веществ.

Галогены имеют запах, по которому обнаруживается даже небольшая примесь их в воздухе. Запах хлора известен по запаху выделяющей его хлорной извести, а запах иода — по аптечной настойке.

В молекулах всех галогенов имеются простые ковалентные связи. Прочность их относительно невелика, вследствие чего галогены химически очень активны. Для сравнения можно отметить, что в молекуле водорода с одинарной связью энергия связи 436 кДж/моль, т. е. приблизительно вдвое больше, чем в самой устойчивой молекуле хлора. Это связано с меньшим межъядерным расстоянием в молекуле Н₂ и отсутствием прочих электронов, кроме связывающей электронной пары.

Простые вещества Х₂ получают окислением галогенов в их соединениях с металлами и водородом. Рассмотрим типичные реакции на примере получения хлора. В лаборатории хлор наиболее просто получить действием соляной кислоты на перманганат калия. При добавлении концентрированной соляной кислоты к кристаллам перманганата калия смесь вспенивается, и выделяется зеленоватый газ с резким запахом:

Если заменить соляную кислоту раствором хлорида натрия, то реакция не идет. Но при добавлении к смеси КМп0₄ и NaCl капли серной кислоты начинает выделяться хлор. Из этого следует, что в нейтральной среде окислительное действие перманганата калия недостаточно для окисления ионов хлора.

Хлор выделяется также при нагревании черного порошка оксида марганца (1У) с соляной кислотой:

Эта реакция удобна для периодического получения хлора, так как без нагревания она прекращается.

Еще один способ получения хлора основан на реакции между соединениями хлора в положительной и отрицательной степени окисления:

Рекомендуем составить уравнение этой реакции.

Хлороводород может окисляться до С1₂ и другими окислителями (РЬ0₂, К₂Сг₂0₇, КСЮ). Кислород при обычных условиях с хлороводородом не реагирует. Но при пропускании смеси хлороводорода и кислорода по трубке, в которую помещен катализатор СиС1₂, на гранулах пемзы при 400 °C наблюдается окисление хлороводорода:

Выход хлора при этой температуре достигает 80%.

В промышленности хлор получают в больших количествах электролизом раствора хлорида натрия.

Кроме хлора при электролизе получаются еще два важных для хозяйственного использования продукта — водород и гидроксид натрия.

Хлор используется на водоочистительных станциях для обеззараживания питьевой воды; для получения хлорорганических соединений разнообразного назначения, хлорной извести, гипохлоритов. Мировое производство хлора превышает 50 млн т в год.

Те же типы химических реакций пригодны для получения брома и иода. Эти галогены окисляются легче, чем хлор. Практически наиболее простым способом получения Вг₂ и 1₂ является окисление бромидов и иодидов в водном растворе пропусканием газообразного хлора:

При получении брома окраска бесцветного исходного раствора постепенно усиливается до красно-оранжевой, и на дне сосуда начинает скапливаться бром в виде тяжелой бурой жидкости. При получении иода молекулы 1₂ сначала соединяются с не вступившими в реакцию ионами I^-, образуя растворимое соединение Nal₃ с интенсивной красно-бурой окраской:

В конце реакции при снижении концентрации I^- молекулы 1₂ освобождаются и выпадает черный осадок кристаллического иода, а раствор становится светло-желтым.

Бром используют для получения различных бромидов. Около половины всего производимого брома идет на получение дибромэтана С₂Н₄Вг₂. Мировое производство брома составляет более 300 тыс. т в год. Иод находит применение в органическом синтезе, в технологии получения особо чистых металлов и в медицине. Ежегодно производится более 15 тыс. т иода.

Получение фтора принципиально отличается от получения остальных галогенов тем, что никакие химические окислители не могут окислить фториды и другие соединения фтора до простого вещества. Поэтому фтор получают только электролизом расплавленных фторидов. Обычно применяют кислый фторид калия KFHF, плавящийся при 240 °C. При избытке фтороводорода процесс электролиза идет при температуре около 100 °C с применением графитовых электродов. Фтор применяется для фторирования органических соединений и производства химически стойких пластмасс — фторопластов. В современной технике и приборостроении широко применяются и неорганические соединения фтора. Мировое производство фтора составляет около 5 млн т в год.