Halogeni: proprietăți fizice, proprietăți chimice. Utilizarea halogenurilor și a compușilor lor

Halogenii din tabelul periodic sunt situați în partea stângă a gazelor nobile. Aceste cinci elemente toxice nemetalice sunt incluse în Grupa 7 a tabelului periodic. Acestea includ fluor, clor, brom, iod și astatină. Deși astat este radioactiv și are numai izotopi de scurtă durată, se comportă ca iod și este deseori socotit ca halogeni. Deoarece elementele de halogen au șapte electroni de valență, ele au nevoie de un singur electron suplimentar pentru a forma un octet complet. Această caracteristică le face mai active decât alte grupuri de nemetale.

Caracteristici generale

Halogenii formează molecule diatomice (cu forma X₂, unde X este un atom de halogen) este o formă stabilă a existenței halogenurilor sub formă de elemente libere. Legăturile acestor molecule diatomice sunt nepolar, covalent și unic. Proprietățile chimice ale halogenurilor le permit să se alăture cu ușurință celor mai multe elemente, astfel încât acestea nu apar niciodată în natură. Fluorul este cel mai activ halogen, iar astat este cel mai puțin activ.

Toți halogeni formează săruri din grupa I cu proprietăți similare. În acești compuși, halogeni sunt prezenți sub formă de anioni halogenați cu o încărcătură de -1 (de exemplu, Cl^-, br^-). End -id indică prezența anionilor cu halogenuri, de exemplu Cl^- se numește "clorură".

În plus, proprietățile chimice ale halogenurilor le permit să acționeze ca oxidanți - oxidarea metalelor. Majoritatea reacțiilor chimice în care sunt implicați halogeni sunt reducerea oxidării într-o soluție apoasă. Halogenii formează legături simple cu carbon sau azot în compuși organici, unde gradul de oxidare (CO) este -1. Atunci când este substituită cu un atom de halogen atom de hidrogen legat covalent într-un compus organic, halo prefix poate fi utilizat într-un sens general, sau prefixe fluor-, clor-, brom-, iodo - halogeni specifici. Elementele de halogen pot avea o legătură încrucișată cu formarea moleculelor diatomice cu legături simple covalente polare.

Clor (Cl₂) a devenit primul halogen descoperit în 1774, apoi iodul a fost descoperit (I₂), brom (Br₂), fluor (F₂) și astat (At, a fost descoperit ultima dată, în 1940). Denumirea "halogen" provine de la rădăcinile grecești hal- ("sare") și -gen ("formă"). Împreună, aceste cuvinte înseamnă "formarea de sare", subliniind faptul că halogeni, care reacționează cu metalele, formează săruri. Galitul este numele de sare de rocă, un mineral natural constând din clorură de sodiu (NaCl). În fine, halogen utilizate în casă - contine fluor in pasta de dinti, clor dezinfecta apa potabila, iod și promovează dezvoltarea de hormoni tiroidieni.

Elemente chimice

Fluorul este un element cu numărul atomic 9, notat cu simbolul F. Fluorul elementar a fost descoperit pentru prima dată în 1886 prin separarea sa de acidul fluorhidric. În starea liberă, fluorul există sub forma unei molecule diatomice (F₂) și este cel mai comun halogen în scoarța pământului. Fluorul este cel mai electronegativ element din tabelul periodic. La temperatura camerei este un gaz galben pal. Fluorul are de asemenea o rază atomică relativ mică. CO-1, cu excepția unei stări diatomice elementare, în care gradul său de oxidare este zero. Fluorul este extrem de activ chimic și interacționează direct cu toate elementele, cu excepția heliului (He), a neonului (Ne) și a argonului (Ar). Într-o soluție de H₂O, acidul fluorhidric (HF) este un acid slab. Deși fluor puternic electronegative, nu determină HF electronegativitate kislotnost- este un acid slab, datorită faptului că ionul fluorură este bazic (pH> 7). În plus, fluorul produce oxidanți foarte puternici. De exemplu, fluorul poate reacționa cu un gaz inert cu xenon și formează un oxidant xenon difluorid puternic (XeF₂). Fluorul are multe utilizări.

Clorul este un element cu numărul atomic 17 și simbolul chimic Cl. Găsit în 1774 prin separarea sa de acid clorhidric. În starea ei elementară, formează o moleculă diatomică, Cl₂. Clorul are mai multe CO: -1, +1, 3, 5 și 7. La temperatura camerei este un gaz verde deschis. Deoarece legătura care se formează între cei doi atomi de clor este slabă, molecula Cl₂ are o capacitate foarte mare de a se alătura. Clorul reacționează cu metalele pentru a forma săruri, numite cloruri. Ionii de clor sunt cei mai obișnuiți ioni, fiind prezenți în apa de mare. Clorul are de asemenea doi izotopi: ³⁵Cl și ³⁷Cl. Clorura de sodiu este compusul cel mai comun al tuturor clorurilor.

Bromul este un element chimic cu numărul atomic 35 și simbolul Br. A fost descoperit pentru prima data in 1826. In forma sa elementara, bromul este un diatomic Br₂. La temperatura camerei, este un lichid roșu-maroniu. CO este -1, + 1, 3, 4 și 5. Bromul este mai activ decât iodul, dar mai puțin activ decât clorul. În plus, bromul are doi izotopi: ⁷⁹Br și ⁸¹Br. Bromul are loc în forma de săruri bromură dizolvată în apă de mare. În ultimii ani, producția mondială de bromură a crescut semnificativ datorită disponibilității sale și duratei lungi de viață. Ca și alți halogeni, bromul este un agent oxidant și foarte toxic.

Iodul este un element chimic cu numărul atomic 53 și simbolul I. Iodul are stări de oxidare: -1, +1, +5 și +7. Există sub forma unei molecule diatomice, I₂. La temperatura camerei, este o substanță solidă de culoare violet. Iodul are un izotop stabil - ¹²⁷I. A fost descoperită pentru prima dată în 1811 cu ajutorul algelor marine și a acidului sulfuric. În prezent, ionii de iod pot fi izolați în apa de mare. În ciuda faptului că iodul nu este foarte solubil în apă, solubilitatea sa poate crește odată cu utilizarea de ioduri individuale. Iodul joacă un rol important în organism, participând la producerea hormonilor tiroidieni.

Astat este un element radioactiv cu numărul atomic 85 și simbolul At. Posibilele sale stări de oxidare sunt: ​​-1, +1, 3, 5 și 7. Singurul halogen care nu este o moleculă diatomică. În condiții normale este un metal metalic de culoare neagră. Astat este un element foarte rar, așa se știe puțin despre el. În plus, astatina are un timp de înjumătățire foarte scurt, nu mai mult de câteva ore. Obținut în 1940 ca urmare a sintezei. Se crede că astatina este similară cu iodul. diferit proprietăți metalice.

Tabelul de mai jos prezintă structura atomilor de halogen, structura stratului exterior al electronilor.

O structură similară a stratului exterior de electroni determină proprietățile fizice și chimice ale halogenilor să fie similare. În același timp, la compararea acestor elemente, se observă și diferențe.

Proprietăți periodice în grupul de halogen

Proprietățile fizice ale substanțelor simple cu halogen variază odată cu creșterea numărului atomic al elementului. Pentru o înțelegere mai bună și o mai mare claritate, vă oferim câteva mese.

Punctele de topire și de fierbere din grup crește cu mărimea moleculei (F

Tabelul 1. Halogeni. Proprietăți fizice: punctul de topire și punctul de fierbere

• Raza atomică crește.

Mărimea kernelului crește (F < CI < br < eu < At), deoarece numărul de protoni și neutroni crește. În plus, cu fiecare perioadă, se adaugă tot mai multe niveluri de energie. Aceasta duce la o orbită mai mare și, în consecință, la o creștere a razei atomului.

Tabelul 2. Halogeni. Proprietăți fizice: raze atomice

• Energia de ionizare scade.

Dacă electronii de valență externă nu sunt aproape de nucleu, atunci nu necesită multă energie pentru a le elimina. Astfel, energia necesară pentru a împinge un electron extern nu este atât de mare în partea inferioară a grupului de elemente, deoarece aici sunt mai multe niveluri de energie. În plus, energia de ionizare ridicată determină ca celula să prezinte calități nemetalice. Iodul și afișajul astat prezintă proprietăți metalice, deoarece energia de ionizare scade (At < eu < br < CI < F).

Tabelul 3. Halogeni. Proprietăți fizice: energia ionizării

• Electronegativitatea scade.

Numărul de electroni de valență într-un atom crește odată cu creșterea nivelului de energie la niveluri progresive mai mici. Electronii sunt progresiv mai departe de nucleu. Astfel, nucleul și electronii nu sunt atrași unul de celălalt. Se observă o creștere a screening-ului. Prin urmare, electronegativitatea scade odată cu creșterea perioadei (At < eu < br < CI < F).

Tabelul 4. Halogeni. Proprietăți fizice: electronegativitate

• Afinitatea pentru un electron scade.

Deoarece mărimea atomului crește cu o perioadă în creștere, afinitatea pentru electron, ca regulă, scade (B < eu < br < F < Cl). Excepția este fluorul, a cărui afinitate este mai mică decât cea a clorului. Acest lucru poate fi explicat prin dimensiunea mai mică a fluorului comparativ cu clorul.

Tabelul 5. Afinitatea halogenilor pentru un electron

• Reactivitatea elementelor scade.

Reactivitatea halogenurilor scade odată cu creșterea perioadei (At

Chimie anorganică. Hidrogen + halogeni

O halogenură este formată atunci când halogenul reacționează cu un alt element, mai puțin electronegativ, pentru a forma un compus binar. Hidrogenul reacționează cu halogeni pentru a forma halogenuri de tipul HX:

• acid fluorhidric HF;
• acid clorhidric HCI;
• bromhidratul HBr;
• hidrură hidrură HI.

Halogenurile de hidrogen se dizolvă ușor în apă cu formarea unui acid hidrohalic (acid fluorhidric, clorhidric, bromhidric, iodhidric). Proprietățile acestor acizi sunt date mai jos.

Acizii se formează prin următoarea reacție: HX (aq) + H₂O (l) → X^- (aq) + H₃O⁺ (Aq).

Toate halogenurile de hidrogen formează acizi puternici, cu excepția HF.

Aciditatea acizilor halogenați crește: HF

Acidul fluorhidric este capabil să etchizească sticlă și unele fluoruri anorganice pentru o lungă perioadă de timp.

Ar putea părea ilogic faptul că HF este acidul hidrohalic cel mai slab, deoarece fluorul are cea mai mare electronegativitate. Cu toate acestea, legătura H-F este foarte puternică, ca urmare acidul este foarte slab. O legătură puternică este determinată de lungimea scurtă a legăturii și de energia de disociere ridicată. Dintre toate halogenurile de hidrogen, HF are cea mai scurtă lungime de legătură și cea mai mare energie de legătură de disociere.

Oxoxacizi halogenați

Acizii oxo cu acizi sunt acizi cu atomi de hidrogen, oxigen și halogen. Aciditatea lor poate fi determinată prin analiza structurii. Acizii oxo oxo sunt enumerați mai jos:

• Acid hococloric HOCl.
• Acid clorhidric HCIO₂.
• Acid clorhidric HCIO₃.
• Acid clorhidric HCIO₄.
• Acid hibobutiric HOBr.
• Acid bromoboric HBrO₃.
• Acid bromhidric HBrO₄.
• Acidul IOD HOI.
• Acid iodonic HIO₃.
• Acid metionic HIO4, H5IO6.

În fiecare dintre acești acizi, protonul este legat de atomul de oxigen, astfel încât compararea lungimilor legăturilor de protoni este inutil aici. Rolul dominant aici este electronegativitatea. Activitatea acidului crește cu numărul de atomi de oxigen legați la atomul central.

Aspectul și starea substanței

Principalele proprietăți fizice ale halogenurilor pot fi rezumate în tabelul următor.

Explicarea aspectului

Culoarea halogeni este rezultatul absorbției lumii vizibile de către molecule, ceea ce provoacă excitarea electronilor. Fluorul absoarbe lumina violetă și, prin urmare, arată galben pal. Iodul, dimpotrivă, absoarbe lumina galbenă și arată purpuriu (galben și violet - culori complementare). Culoarea halogentelor devine mai întunecată pe măsură ce crește perioada.

În recipiente închise, bromul lichid și iodul solid sunt în echilibru cu vaporii lor, care se pot observa sub forma unui gaz colorat.

Deși culoarea astatinei nu este cunoscută, se presupune că aceasta ar trebui să fie mai închisă decât iodul (adică negrul), în conformitate cu modelul observat.

Acum, dacă vi se cere: "Caracterizați proprietățile fizice ale halogentelor", veți avea ceva de spus.

Gradul de oxidare a halogenilor în compuși

Gradul de oxidare este adesea folosit în locul conceptului de "valență a halogenurilor". De regulă, gradul de oxidare este -1. Dar dacă halogenul este legat de oxigen sau de un alt halogen, acesta poate lua alte stări: CO-2 oxigen are prioritate. În cazul a doi atomi de halogen diferiți, un atom mai electronegativ predomină și ia CO-1.

De exemplu, în clorura de iod (IC1), clorul are CO-1 și iodul +1. Clorul este mai electronegativ decât iodul, deci CO este -1.

În acid bromic (HBrO₄) oxigen are CO-8 (-2 x 4 atomi = -8). Hidrogenul are o stare de oxidare totală de +1. Adăugarea acestor valori dă CO-7. Deoarece CO final al compusului trebuie să fie zero, CO de brom este de +7.

A treia excepție de la regula este gradul de oxidare a halogenului în formă elementară (X₂), unde CO este zero.

De ce este CO de fluor întotdeauna -1?

Electronegativitatea crește odată cu creșterea perioadei. Prin urmare, fluorul are cea mai mare electronegativitate a tuturor elementelor, ceea ce este confirmat de poziția sa în tabelul periodic. Configurația sa electronică este de 1 secunde² 2s² 2p⁵. Dacă fluorul primește un alt electron, p-orbitalii extreme sunt complet umpluți și formează un octet complet. Deoarece fluorul are o electronegativitate ridicată, poate lua cu ușurință un electron de la un atom vecin. Fluorul este în acest caz izoelectronic la un gaz inert (cu opt electroni de valență), toate orbitele sale externe sunt umplute. În această stare, fluorura este mult mai stabilă.

Pregătirea și utilizarea halogenurilor

În natură, halogeni sunt în stare de anioni, astfel încât halogeni liberi se obțin prin oxidare prin electroliză sau prin agenți de oxidare. De exemplu, clorul este produs prin hidroliza unei soluții de sare comuna. Utilizarea halogenurilor și a compușilor lor este diversă.

• fluor. În ciuda faptului că fluorul este foarte reactiv, acesta este utilizat în multe domenii ale industriei. De exemplu, este o componentă cheie a politetrafluoretilenului (teflon) și a altor fluoropolimeri. Clorfluorocarburile sunt organice substanțe chimice, care au fost folosite anterior ca agenți frigorifici și agenți de propulsie în aerosoli. Utilizarea lor sa oprit din cauza impactului lor posibil asupra mediului. Ele au fost înlocuite cu hidroclorofluorocarburi. Fluorul este adăugat la pasta de dinți (SnF₂) și apă potabilă (NaF) pentru a preveni deteriorarea dinților. Acest halogen este conținut în argila folosită pentru fabricarea anumitor tipuri de ceramică (LiF), este utilizată în ingineria energetică nucleară (UF₆), pentru prepararea antibioticului fluorochinolonă, aluminiu (Na₃Alf₆), pentru izolarea echipamentelor de înaltă tensiune (SF₆).
• clor au găsit, de asemenea, o varietate de aplicații. Se utilizează pentru dezinfecția apei potabile și a bazinelor de înot. Hipoclorit de sodiu (NaClO) este componenta principală a înălbitorului. Acidul clorhidric este utilizat pe scară largă în industrie și în laboratoare. Clorul prezent în clorură de polivinil (PVC) și alți polimeri care sunt folosite pentru sârme de izolare, tuburi și electronice. În plus, clorul a fost, de asemenea, util în industria farmaceutică. Medicamentele care conțin clor sunt utilizate pentru a trata infecțiile, alergiile și diabetul. Forma neutră a clorhidratului este o componentă a multor medicamente. Clorul este, de asemenea, utilizat pentru sterilizarea echipamentelor spitalicești și pentru dezinfecție. In agricultura, clorul este o componentă a multor pesticide comerciale DDT (dihlorodifeniltrihloretan) a fost utilizat ca insecticid agricol, dar utilizarea sa a fost întreruptă.

• brom, datorită incombustibilității sale, este folosit pentru a suprima arderea. De asemenea, se găsește în bromura de metil, un pesticid utilizat pentru depozitarea culturilor și inhibarea bacteriilor. Cu toate acestea, utilizarea excesivă a bromurii de metil a fost întreruptă din cauza impactului său asupra stratului de ozon. Bromul este utilizat în producția de benzină, filme fotografice, extinctoare, medicamente pentru tratamentul pneumoniei și boala Alzheimer.
• iod joacă un rol important în buna funcționare a glandei tiroide. În cazul în care organismul nu obține suficient de iod, există o creștere a glandei tiroide. Pentru a preveni ruptura, acest halogen se adaugă la sare de masă. Iodul este de asemenea utilizat ca antiseptic. Iodul se găsește în soluții utilizate pentru curățarea rănilor deschise, precum și în spray-urile dezinfectante. În plus, iodura de argint este importantă în fotografie.
• astatin - halogen radioactiv și pământuri rare, deci nu este utilizat în altă parte. Cu toate acestea, se crede că acest element poate ajuta iodul în reglarea hormonilor tiroidieni.