Элементы VII группы
В данной статье мы познакомимся с галогенами: закономерностями изменения их свойств в группе, окислительно-восстановительными свойствами этих элементов, а также применением и биологической ролью в природе.
В периодической системе элементов галогены образуют главную подгруппу VII группы. Галогены включают фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и астат (At). Свойства последнего мало изучены, широкое распространение находят первые четыре галогена.
Элементы семейства галогенов обладают сходными химическими свойствами, такими как высокая активность и способность образовывать ионы с отрицательным зарядом. Они широко используются в химической промышленности, медицине, электронике и других областях. Их соединения широко распространены в природе и имеют важное значение для жизни на планете.
Все эти элементы имеют семь электронов на своем внешнем энергетическом уровне, что делает их очень реакционноспособными. Они стремятся принять один электрон от других элементов, чтобы достичь стабильной октетной конфигурации.
Таким образом, галогены проявляют яркие окислительные свойства, так как они легко окисляют другие элементы, передавая свободный электрон. Это делает их полезными в различных химических реакциях, таких как образование солей, органических соединений и других важных процессов.
Из-за их высокой химической активности галогены широко используются в промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других областях. Однако необходимо обращать особое внимание при работе с этими веществами, так как они могут быть опасными для здоровья человека и окружающей среды.
В своих бинарных соединениях с металлами и водородом галогены имеют степень окисления, равную -1, например: NaF-1, KI-1, HCI-1.
Ввиду своей высокой окислительной способности галогены в свободном виде в природе практически не встречаются, они входят в состав различных солей. Отсюда произошло название «галогены», что в переводе означает «солероды» или «солерождающие».
С увеличением атомного номера увеличивается число электронов в атоме галогенов, что приводит к увеличению электронной оболочки и повышению электронной плотности на поверхности атома. Это делает атомы галогенов более реакционноспособными, так как они становятся более склонными к приему одного или нескольких электронов.
В результате этого уменьшается электроотрицательность элементов, ослабевают их неметаллические свойства, что представлено в виде схемы ниже на рисунке 1.
Рисунок 1 — Изменение окислительных и восстановительных свойств в группе галогенов
В соединениях с более электроотрицательными элементами, такими, как фтор, кислород, азот, атомы хлора, брома и йода проявляют степень окисления +1, +3, +5, +7, например: HCl-1O, I+3F3, KCl+5O3, Cl2+7O7.
Состав и физические свойства простых веществ. Простые вещества галогены состоят из двухатомных молекул: F2, Cl2, Br2, I2. Химическая связь между атомами в молекулах простых веществ — ковалентная неполярная.
С увеличением молекулярной массы галогенов температуры плавления и кипения простых веществ повышаются, увеличивается их плотность, становится сильнее интенсивность окраски. Все это обусловлено усилением межмолекулярного взаимодействия. Bce галогены имеют резкий характерный запах и являются очень токсичными веществами. Свойства галогенов представлены ниже в таблице 1.
Таблица 1 — Свойства галогенов
| Галоген | Валентные электроны | Формула простого вещества | Молярная масса, г/моль | Цвет, агрегатное состояние |
| Фтор | 2s22p5 | F2 | 38 | При обычных условиях фтор — бледно-желтый газ. Попытка получить в свободном виде в больших количествах чревата последствиями |
| Хлор | 3s23p5 | Cl2 | 71 | Желто-зеленый ядовитый газ с характерным удушливым запахом (запах хлорки) |
| Бром | 4s24p5 | Br2 | 160 | Легколетучая бурая жидкость (пары брома сильно ядовиты, ожоги бромом очень болезненны и долго не заживают). Очень летуч, поэтому содержится запаянных ампулах |
| Йод | 5s25p5 | I2 | 254 | Серо-черное твердое кристаллическоевещество с металлическим блеском |
«Фторос» — «разрушающий». При работе с фтором необходимо соблюдать все меры предосторожности, такие как использование защитной одежды, масок, очков и перчаток. Также необходимо проветривать помещение и избегать контакта с кожей и слизистыми оболочками. В случае попадания фтора на кожу или в глаза следует сразу же промыть большим количеством воды и обратиться за медицинской помощью.
Профессиональные меры безопасности и обязательное обучение по работе с фтором помогут предотвратить возможные последствия и обеспечить безопасность людей.
«Бромос» — «зловонный». Открыл этот элемент А. Ж. Балар, получив его при исследовании жидкости из растворенной в воде золы морских водорослей.
«Йодос» — «фиолетовый». Открыл элемент Б. Куртуа. Даже при слабом нагревании йод, не плавясь, превращается в пары фиолетового цвета. Отсюда и произошло название «йод», что значит в переводе с греческого «фиолетовый». Такое особое состояние вещества, когда при переходе из твердого состояния в газообразное, вещество минует жидкое состояние, называется возгонкой, или сублимацией. Данное явление показано на рисунке 2 ниже, вместе с тем на рисунке представлены другие галогены и их вид.
Рисунок 2 — Галогены
Молекулы галогенов неполярные, поэтому в воде галогены растворяются относительно слабо, но они хорошо растворимы в органических растворителях. Например, в 1 объеме воды при 20°С растворяется 2,5 объема хлора. Водные растворы хлора и брома называются соответственно хлорной водой и бромной водой. Жидкость, называемая йодом в домашней аптечке, — это на самом деле раствор свободного йода в спирте. Водные растворы брома (бромная вода) и йода (йодная вода) имеют одинаковую бурую окраску. Раствор йода легко обнаруживается с помощью крахмала, с которым он образует черно-синее окрашивание. Эта качественная реакция йода на крахмал и наоборот.
Окислительно-восстановительные свойства галогенов. Химическая активность простых веществ галогенов очень высока. Они проявляют сильные окислительные свойства, энергично реагируя с металлами и большинством неметаллов, окисляют ряд сложных веществ.
Фтор среди всех неметаллов самый химически активный элемент. Он реагирует почти со всеми простыми и сложными веществами, включая инертные газы. Например, при облучении фтор реагирует с ксеноном происходит следующая реакция:
Xe + F2 = XeF2 +152 кДж
Удивительно, в его атмосфере горят такие устойчивые вещества, как стекло (в виде ваты), а водяной пар горит в нем ярким светло-фиолетовым пламенем. Реакция заключается в замещении в воде кислорода фтором:
2F2 + 2H2О = 4HF + О2↑
SiO2 + 2F2 = SiF4 + О2↑
В этой реакции фтор является окислителем, а кислород — восстановителем. Это доказывает, что фтор более активный неметалл, чем кислород.
Особенно ярко окислительные свойства галогенов проявляются при их взаимодействии с металлами. Фтор реагирует со всеми металлами без исключения, с большинством из них без нагревания:
Mg + F2 = MgF2
Непосредственно фтор не реагирует только c кислородом, азотом и углеродом (в виде алмаза).
Остальные галогены реагируют с металлами обычно при нагревании, например в виде следующих реакций:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
Cu + Br2 = CuBr2
2Al + 3I2 = 2AlI3
Это объясняется различием в энергии активации реакции для разных галогенов. В случае фтора, энергия активации так низка, что реакция происходит сразу и с взрывом. Для хлора энергия активации выше, поэтому требуется поджигание или облучение солнечным светом для инициирования реакции. Для брома энергия активации выше, чем для хлора, поэтому требуется более высокая температура (нагревание), но без взрыва. Реакция же соединения йода с водородом при нагревании протекает медленно. В результате этих реакций образуются соответственно фтороводород НF, хлороводород НСl, бромоводород НВr и йодоводород НІ:
H2 + F2 = 2HF
H2 + Cl2 = 2HCl
H2 + Br2 = 2HBr
H2 + I2 = 2HI
В этих реакциях наглядно проявляется ослабление окислительных свойств простых веществ галогенов от фтора к йоду.
Хлор вытесняет из воды кислород и соединяется с водородом, образуя хлороводород. Но первоначально при растворении хлора в воде образуются две кислоты: хлороводородная, или соляная, и хлорноватистая:
Cl2 + H2O = HCl + HCIO
Поскольку разлагается хлорноватистая кислота неустойчива в растворе, она разлагается на хлороводород и кислород:
HCIO = HCl + 0
Прп этом образуется атомарный кислород:
О+ О = О2↑
2Cl2 + 2H2O = 4HCl + О2↑
При взаимодействии хлора с холодными растворами щелочей образуются соответствующие соли этих кислот:
CI2 + 2NaOH(хол) = NaCI + NaCIO + H2O
хлорид натрия гипохлорит натрия
При взаимодействии же с горячими раствороми щелочей продуктами реакции являются соответствующие хлорид и хлорат:
3CI2 + 6NaOH(гор) = 5NaCI + NaCIO3 + 3H2O
хлорид натрия хлорат натрия
Полученные растворы называются жавелевой водой, которая, как и хлорная вода, может использоваться для дезинфекции воды и поверхностей, а также как отбеливающее средство в косметических и бытовых целях. Однако, стоит помнить о том, что жавелевая вода является довольно агрессивным химическим веществом и следует использовать ее с осторожностью, соблюдая все меры предосторожности.
С горячими растворами щелочей хлор образует соответствующие соли соляной и хлорноватистой кислот:
3Cl2 + 6NaOH = 5NaCI + NaCIO3 + 3H2O
3Cl2 + 6KOH = 5KCI + KCIO3 + 3H2O
Образовавшийся хлорат калия КСlO3 называется бертолетовой солью.
Обе реакции взаимодействие хлора с щелочами — особые окислительно-восстановительные реакции, в них степень окисления меняет только один элемент хлор. Такие реакции называют диспропорционированием.
Галогены вытесняют друг друга из их соединений. Прильем к раствору бромида натрия хлорную воду. Раствор тотчас окрасится в бурый цвет, свойственный брому. Хлор замещает в бромиде натрия бром, и бром выделяется в свободном виде:
2NaBr + CI2 = 2NaCI + Br2
В этой реакции хлор является окислителем, а бром восстановителем.
Прильем хлорную воду к раствору йодида калия. В этом случае
окраска также станет бурой, но сейчас выделяется йод. В этом легко убедиться, добавив крахмал; окраска крахмала станет черно-синей. в этой реакции хлор замещает йод, и йод выделяется в свободном виде:
2KI + CI2 = 2KCI + I2
В этой реакции хлор является окислителем, а йод — восстановителем. В аналогичных превращениях бром вытесняет йод из его соединений.
Таким образом, данные опыты доказывают, что:
- фтор вытесняет все галогены из их соединений с водородом и металлами;
- хлор вытесняет только бром и йод;
- бром вытесняет только йод;
- йод не может вытеснить ни один из галогенов;
- окислительные свойства галогенов уменьшаются от фтора к йоду.
В остальных химических реакциях галогены проявляют сходные химические свойства с хлором.
Применение галогенов и их соединений. Значение воды в жизни человека просто огромное. Обеззараживание воды играет ключевую роль в предотвращении распространения различных инфекций и заболеваний, которые могут быть переданы через загрязненную воду.
Методы обеззараживания воды могут варьироваться в зависимости от источника воды и степени его загрязнения. Один из наиболее распространенных методов обеззараживания — это использование хлора или других химических веществ, которые уничтожают бактерии и вирусы, делая воду безопасной для употребления.
Кроме того, важно следить за качеством воды, чтобы исключить наличие тяжелых металлов, пестицидов и других вредных веществ, которые могут негативно сказаться на здоровье человека при попадании в организм.
Поэтому важно иметь в виду, что обеззараживание воды и ее качество несомненно являются важными аспектами для обеспечения здоровья и благополучия всех людей.
Хлорирование — способ обеззараживания воды, при котором применяется обработка жидкости хлором и его соединениями. Этот процесс также помогает устранить неприятные запахи и вкусы в воде. Воду можно хлорировать как на стадии очистки воды на водоочистных станциях, так и непосредственно в домашних условиях. Однако важно соблюдать правильные пропорции хлора, чтобы избежать возможных негативных последствий для здоровья человека.
В качестве хлорреагентов используют в основном жидкий хлор, хлорную известь, гипохлориты и диоксид хлора. При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты:
Cl2 + H2O = HCl + HCIO
Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты.
HCIO → H+ + CIO—
Недиссоциированные молекулы хлорноватистой кислоты и образующиеся гипохлоритные ионы CIO— обладают бактерицидным свойством. Сумму Cl2 + HCIO + CIO— называют свободным активным хлором.
Эффективность данного варианта водоподготовки объясняется следующими причинами:
- метод недорогой, доступный, проверенный практикой;
- процесс хлорирования эффективно удаляет бактерии, вирусы и другие микроорганизмы, обеспечивая безопасность питьевой воды;
- хлорирование обеспечивает стабильное качество воды, что особенно важно для обеспечения потребностей населения в чистой воде;
- применение хлора позволяет предотвратить развитие бактериальных инфекций и эпидемий, связанных с загрязнением питьевой воды.
Тем не менее, многие компании и организации предпочитают использовать более современные технологии для очистки воды, такие как обратный осмос, ультрафильтрация, активированный уголь и другие. Эти методики обеспечивают более высокую степень очистки и улучшают качество воды, что является особенно важным для промышленных предприятий и крупных городов. В будущем, вероятно, такие методики будут все более распространены и доступны для использования в различных отраслях.
Хлор является очень токсичным веществом и может вызвать серьезные ожоги кожи, дыхательных путей и глаз, а также повреждения внутренних органов при вдыхании или попадании на кожу. Поэтому для хранения и транспортировки соединений хлора применяются специальные контейнеры, баки, цистерны и трубопроводы, которые должны быть герметичными и изготовлены из материалов, устойчивых к действию хлора.
Также необходимо соблюдать все меры предосторожности при работе с хлором, включая использование защитной одежды, респираторов и очков, регулярную проветривание помещения, а также обучение персонала по правилам безопасности и мерам по в случае аварийной ситуации. Все эти меры позволят минимизировать риск возникновения аварий и утечек соединений хлора, и обеспечить необходимую безопасность.
Физиологическая роль галогенов и их соединений.
Хлор. Хлор — один из химических элементов, который обеспечивает полноценное существование живых организмов. Основная форма поступления хлора в организм — хлорид натрия.
В теле взрослого человека содержится NaCI массой более 200 г, из которых около 45 г растворено в крови. Соль поддерживает нормальную деятельность клеток, из которых состоят все ткани и органы. Хлорид натрия — это источник соляной кислоты в желудке, которая входит в состав желудочного сока. Взрослому человеку необходимо получать в день хлорида натрия примерно 5-6 г, включая и ту соль, которая входит в состав продуктов питания.
Соляная кислота, выделяющаяся в желудке, используется для процесса пищеварения. Кроме того, это сильное бактерицидное средство. Большинство бактерий, попавших в желудок с пищей, быстро погибает под воздействием соляной кислоты, поэтому при пониженной кислотности желудочного сока необходимо лечение.
Фтор. Фтор используют для предотвращения разрушений зубной эмали. Фторирует также питьевую воду, чтобы защитить зубы от кариеса. Было установлено, что в состав зубной эмали входит до 0,02 % ионов фтора, которые поступают в организм с питьевой водой. Фтор может также использоваться в виде геля или лака для обработки зубов у стоматолога. Однако неправильное использование фтора может привести к его избытку, что может вызвать проблемы со здоровьем. Поэтому важно следовать указаниям специалиста и не превышать допустимую дозу из-за возможных побочных эффектов.
Кроме того, избыточное употребление фторидов может вызывать кариес, ослабление костей, повышенный риск возникновения остеопороза и другие проблемы со здоровьем. Поэтому важно соблюдать уровень потребления фторида, чтобы избежать его излишка и связанных с этим последствий.
Йод. Йод является необходимым элементом для синтеза тиреоидных гормонов — трийодтиронина (Т3) и тетрайодтиронина (Т4), которые играют ключевую роль в регуляции обмена веществ, роста, развития и функционирования различных органов и систем организма. Без достаточного количества йода щитовидная железа не способна синтезировать достаточное количество гормонов, что может привести к развитию заболеваний щитовидной железы, таких как гипотиреоз или гипертиреоз.
Помимо этого, йод также играет важную роль в развитии и функционировании мозга и нервной системы, особенно в период беременности и раннего детского возраста. Недостаток йода в этот период жизни может привести к задержке умственного развития и другим серьезным нарушениям.
С целью профилактики йододефицита следует принимать йодид калия, входящий во многие лекарственные препараты. Богаты йодом морская капуста, морская и океанская рыба. В нашей стране с этой целью выпускают йодированную соль.
Йодированная соль — это обычная поваренная соль, в 100 г которой содержится йодид калия КI массой 1 мг. Кроме этого, последнее время увеличилось потребление йода для создания жидкокристаллических экранов мониторов. телевизоров и т. д.
Бром. Еще один галоген — бром — также важен для организма человека. Соединения этого элемента регулируют процессы возбуждения и торможения центральной нервной системы, поэтому для лечения нервных болезней (переутомления, неврастении) врачи прописывают «бром» — бромсодержащие препараты, например NaBr.
Бром также используется в качестве антисептика и противомикробного средства, например в виде бромных солей для обработки воды в бассейнах. Кроме того, бром используется в промышленности, например в производстве жидкостей для охлаждения и пламегасителей.
Бром также находит применение в медицине в качестве успокаивающего средства для электрофореза, но применяют не чистый бром, а бромид калия или натрия. Из-за высокого содержания соединений брома и йода в воздухе приморских районов очень полезно дышать морским воздухом.
Задания для самопроверки:
Задание 1
Высшую степень окисления хлор проявляет в соединении
А) HClO
В) HClO2
С) NaClO3
D) КСlО4
E) Сl2О5
Задание 2
Для обнаружения хлорид-ионов в растворе можно использовать
А) KOH
В) AgNO3
С) H2SО4
D) лакмус
E) фенолфталеин
Задание 3
Продукты реакции йода с горячим раствором NaOH:
А) NaI, NaIO2, H2
В) NaI, NaIO, H2O
С) NaI, NaIO4, H2O
D) NaI, NaIO, H2
E) NaI, NaIO3, H2O
Задание 4
Иону Br+7 соответствует схема заполнения электронных слоев:
А) 2; 8; 7
В) 2; 8; 8
С) 2; 8
D) 2; 8; 5
E) 2; 8; 1
Задание 5
Осуществимая реакция:
А) KI + Cl2 = KCl + I2
В) NaF + Br2 = NaBr + F2
С) KBr + I2 = KI + Br2
D) NaCl + Br2 = NaCl + Br2
E) KCl + I2 = KI + Cl2
Ответы:
1 – D, 2 – B, 3 – E, 4 – C, 5 – A.
Загрузка...