Химические свойства галогенов (простых веществ)
Взаимодействие с водородом.
Все галогены (фтор, хлор, бром, иод) реагируют с водородом с образованием газообразных галогеноводородов. В случае иода реакция носит эндотермический характер, а для остальных галогенов – экзотермический, причем имеет цепной характер и может сопровождаться взрывом. По этой причине прямой синтез фтороводорода не осуществляют. Для получения хлоро- и бромоводорода требуется инициирование, например, искра или квант света (фотохимическая реакция), равновесие смещено в сторону образования продукта реакции, тогда как для получения иодоводорода необходимо нагревание, чтобы сместить равновесие в сторону его образования.
| H2 + F2 " 2 HF + взрыв | H2 + Br2 " 2 HBr + 72,6 кДж |
| H2 + Cl2 " 2 HCl + 184,4 кДж | H2 + I2 D 2 HI – 53,2 кДж |
Взаимодействие с кислородом.
Непосредственно с кислородом галогены не реагируют, за исключением фтора в условиях электрического разряда: при этом получаются фториды кислорода.
O2 + 2 F2 " 2 OF2; O2 + F2" O2F2.
Оксиды хлора, брома и иода получают косвенными методами (т.е. обходными, когда оксид галогена является, например, продуктом разложения кислородсодержащей соли). Методы их получения и химические свойства в школьном курсе химии не рассматриваются.
3. Взаимодействие c металлами.
Названием «галогены» в переводе означает «образующие соли», так как галогены реагируют почти со всеми элементами-металлами Периодической системы с образованием соответствующих солей – галогенидов металлов.
|
|
|
Однако на практике некоторые металлы оказываются устойчивы к действию галогенов (даже фтора!). Например, действие фтора на никель, тантал и некоторые другие элементы приводит к образованию на поверхности металла защитной пленки фторида металла, который изолирует металл от агрессивной атмосферы – происходит пассивация. В порошкообразном состоянии (большая поверхность контакта) металлы обычно сгорают под действием фтора и хлора.
2 Fe + 3 Cl2 = 2 FeCl3, образуется хлорид железа( III ).
2 Al (тв., пудра) + 3 I2 (тв.) = 2 AlI3 (тв.), катализатор – капля воды.
Взаимодействие c неметаллами.
Электроотрицательность атомов галогенов уменьшается от фтора к иоду F > Cl > Br > I, в этом же ряду, очевидно, уменьшается окислительная способность галогенов, которую отражает стандартный потенциал восстановления E0Hal2 /2Hal-:
| Галоген | F | Cl | Br | I |
| ЭО (Полинг) | 4,0 | 3,2 | 3,0 | 2,7 |
| Энергия связи молекулы Hal2, кДж/моль | 159 | 243 | 193 | 151 (пар) |
| E0Hal2 /2Hal-, В | + 2,87 | + 1,36 | + 1,065 | + 0,536 |
Таким образом, можно ожидать, что галогены активно вступают в реакции с неметаллами, однако вследствие различия в окислительной способности должно наблюдаться различие в продуктах реакции.
|
|
|
Фтор реагирует практически со всеми неметаллами, за исключением He, Ne, Ar, азота (N2). Даже для «инертных» газов криптона и ксенона удалось получить ряд соединений: KrF2, XeF2, XeOF2.
В качестве иллюстрации приведем реакции галогенов с фосфором и серой:
| P (г.) + 5 F2 (г.) = 2 PF5 (г.). | S (тв.) + 3 F2 (г.) = SF6 (г.) S (тв.) + 2 F2 (г.) = SF4 (г.) | ||
| 2 P (тв.) + 3 Cl2 (г.) = 2 PCl3 (ж.). PCl3 (ж.) + Cl2 (г.) D PCl5 (тв.). | S (тв.) + Cl2 (г.) = SCl2 (ж.). 2 S (тв.) + Cl2 (г.) = S2Cl2 (ж.). | ||
| 2 P (тв.) + 3 Br2 (ж.) = 2 PBr3 (ж.). PBr3 (ж.) + Br2 (ж.) D PBr5 (тв.). | 2 S (тв.) + Br2 (ж.) = S2Br2 (ж.). | ||
| 2 P (тв.) + 3 I2 (тв.) D 2 PI3 (ж.). | S (тв.) + I2 (тв.) D не реагирует | ||
| Вывод | |||
| Фтор образует исключительно высший фторид PF5, реакция фосфора с хлором и бромом может приводить как к галогениду фосфора (III) при недостатке галогена, так и к галогениду фосфора (V) в избытке галогена; реакция фосфора с иодом дает только низший иодид PI3 | Взаимодействие серы с фтором дает производные четырех- и шестивалентной серы. Прямое хлорирование приводит к смеси хлорида серы(II) и дихлорида дисеры. При бромировании получается только S2Br2, тогда как иод с серой в реакцию не вступает. | ||
| Итак, представленные примеры свидетельствуют, что фтор глубоко окисляет неметаллы, хлор гораздо менее активен, чем фтор, но несколько активнее, чем бром, тогда как иод существенно менее реакционноспособен, чем другие галогены.
| |||
Взаимодействие с водой и щелочами.
Высокая окислительная способность фтора приводит к тому, что фтор способен окислять воду. В качестве промежуточного соединения получается кислота HOF, которую при создании подходящих условий можно выделить, конечными продуктами реакции являются кислород и фтороводород.
H2O + F2 = HF + HOF; и далее 2 H2O + 2 F2 = 4 HF + O2.
Таким образом, вода горит во фторе.
Напротив, взаимодействие с водой остальных галогенов может быть выражено посредством реакции диспропорционирования, при которой образуется смесь кислот:
Hal2 + HOH D HHal + HOHal (*);
Растворимость галогенов в воде, таким образом, является не только физическим, но и химическим процессом, причем константы равновесии и устойчивость кислот HOHal уменьшаются в порядке хлор > бром >> иод.
Равновесие (*) можно сместить в сторону образования продуктов реакции посредством связывания последних, например, взаимодействием со щелочами или карбонатами щелочных металлов. При этом существенное влияние имеет температура реакционной смеси. При низких температурах (около 0 oC) растворение хлора и брома в щелочах приводит к образованию хлоридов и гипохлоритов (в случае брома – бромидов и гипобромитов), однако при более высокой температуре (60-70 oС для хлора, 10-20 oC для брома) в растворе наряду с галогенидами получаются хлораты и броматы соответственно. При взаимодействии иода с растворами щелочей независимо от температуры процесса образуются иодиды и иодаты.
|
|
|
при 0 oC, X = Cl, Br:
2 NaOH + X2 = NaX + NaXO + H2O
гипохлорит натрия / гипобромит натрия
при 70 oC для хлора, при 20oC для брома
6 NaOH + 3 X2 = 5 NaX + NaXO3 + 3 H2O
хлорат натрия / бромат натрия
6 NaOH + 3 I2 = 5 NaI + NaIO3 + 3 H2O (даже при 0oC)
Отбеливающие свойства водных растворов хлора в щелочах было обнаружено сравнительно быстро – и получили свои именные названия. Раствор хлора в водном гидроксиде натрия получил название лабарраковой воды, в водном растворе гидроксида калия – жавелевой воды.
Особенного внимания заслуживает раствор хлора в водном гидроксиде кальция:
Cl2 + Ca(OH)2 = CaOCl2 + H2O.
Продукт реакции может быть обозначен формулой CaOCl2 – смешанный хлорид-гипохлорит кальция или формулой CaCl2·Ca(OCl)2·Ca(OH)2 и известен под названием белильная известь. Окислительное действие хлора приводит к уничтожению бактерий и микроорганизмов и дезинфекции помещений, а соли кальция вследствие реакции с оксидом углерода(IV) образуют карбонат кальция и придают стенам и потолку белый цвет.
2 CaOCl2 + CO2 + H2O = CaCl2 + CaCO3 + 2 HClO.
Из белильной извести можно получить как хлор, так и кислород:
CaOCl2 + 2 HCl = CaCl2 + Cl2# + H2O;
2 CaOCl2 " 2 CaCl2 + O2# (при нагревании)
Более эффективным отбеливающим средством является чистый гипохлорит кальция Ca(OCl)2.
Растворимость иода в воде существенно возрастает при добавлении в раствор иодид-иона. Было установлено, что в растворах происходит ассоциация с образованием полииодид-ионов, в основном, I3-. Вследствие большого радиуса атома и вакантных d-орбиталей иод может выступать акцептором пары электронов, а иодид-ион – донором пары электронов.
I2 □ + : I- D I3-.
Поэтому в состав иодной настойки наряду со спиртом, иодом и водой входит иодид калия (увеличивает растворимость иода).
6. Качественная реакция на йод: при добавлении раствора, содержащего иод к твердому крахмалу или его раствору наблюдают интенсивное синее окрашивание, обусловленное образованием молекулярного комплекса – включением молекул иода в трехмерную структуру крахмала.
I2 + крахмал (C6H10O5)n " синее окрашивание
Например, при нанесении капли иодной настойки на срез клубня картофеля наблюдают синее окрашивание, которое свидетельствует о накоплении в клубнях крахмала.
Водородные соединения галогенов (галогеноводороды)
Методы получения
1. Прямой синтез – см. взаимодействие галогенов с водородом.
Используют для получения хлороводорода и бромоводорода.
2. Из солей. Поскольку галогеноводороды проявляют свойства сильных кислот, то получить их обменной реакцией в водном растворе невозможно, поэтому для реакции берут твердые соли и собирают выделяющийся газообразный галогеноводород.
Фтороводород и хлороводород получают действием концентрированной серной кислоты на фторид кальция или хлориды натрия и калия. Для получения бромоводорода и иодоводорода вместо концентрированной серной кислоты берут концентрированную фосфорную кислоту, так как серная кислота частично окисляет соли и приводит к загрязнению галогеноводорода галогенами.
CaF2 (тв.) + H2SO4 (конц.) = CaSO4 (тв.) + 2 HF↑.
NaCl (тв.) + H2SO4 (конц.) = NaHSO4 (тв.) + HCl↑.
но
2 NaHal (тв.) + 3 H2SO4 (конц.) = 2 NaHSO4 (тв.) + Hal2 + SO2 + 2 H2O.
поэтому
NaHal (тв.) + H3PO4 (конц.) = NaH2PO4 (тв.) + HHal↑, Hal = Br, I.
3. Галогеноводороды (за исключением фтороводорода) образуются при обработке водой галогенидов фосфора или оксогалогенидов серы:
PHal3 + 3 H2O = H3PO3 + 3 HHal# (Hal = Cl, Br, I)
PHal5 + 4 H2O = H3PO4 + 5 HHal# (Hal = Cl, Br)
SOCl2 + H2O = SO2# + 2 HCl#
SO2Cl2 + H2O = 2 H2SO4 + 2 HCl#
4. Галогеноводороды также получаются при галогенировании органических ароматических соединений (реакции ароматического электрофильного замещения). Поскольку ровно половина галогена в результате реакции превращается в галогеноводород, рационально собрать выделяющийся газ и использовать в другом производстве.
Бромоводород в лаборатории получают при бромировании тетралина (1,2,3,4-тетрагидронафталина):
Дата добавления: 2019-03-09; просмотров: 384; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!