Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Cм. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11, 18, 19, 21/2008;
1, 3/2009

ЗАНЯТИЕ 29

10-й класс (первый год обучения)

Галогены и их важнейшие соединения

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Происхождение названий.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства (на примере хлора).

5. Нахождение в природе.

6. Основные методы получения (на примере хлора).

7. Хлороводород и хлориды.

8. Kислородсодержащие кислоты хлора и их соли.

Галогены («солероды») расположены в VIIа подгруппе периодической системы. K ним относятся фтор, хлор, бром, йод и астат. Все галогены относятся к р-элементам, имеют конфигурацию внешнего энергетического уровня ns²p⁵. Поскольку на внешнем уровне атомов галогенов находится 1 неспаренный р-электрон, характерная валентность равна I. Kроме фтора, у атомов всех галогенов в возбужденном состоянии может увеличиваться число неспаренных электронов, поэтому возможны валентности III, V и VII.

Cl: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵3d⁰ (валентность I),

Cl*: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴3d¹ (валентность III),

Cl**: 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d² (валентность V),

Cl***: 1s²2s²2p⁶3s¹3p³3d³ (валентность VII).

Галогены являются типичными неметаллами, проявляют окислительные свойства. Степень окисления галогенов в соединениях с металлами и водородом –1; во всех кислородсодержащих соединениях галогены (кроме фтора) проявляют степени окисления +1, +3, +5, +7, например:

Вниз по подгруппе изменяется агрегатное состояние галогенов, уменьшается растворимость в воде, увеличивается радиус атома, уменьшаются электроотрицательность, неметаллические свойства и окислительная способность (фтор – самый сильный окислитель). Для соединений галогенов: от Cl^– к I^– увеличивается восстановительная способность галогенид-ионов. В ряду бескислородных и кислородсодержащих кислот происходит усиление кислотных свойств:

Название фтора произошло от греческого слова  – разрушающий, поскольку плавиковая кислота, из которой пытались получить фтор, разъедает стекло. Хлор получил свое название благодаря окраске от греческого слова  – желто-зеленый – цвет увядающей листвы. Бром назван по запаху жидкого брома от греческого слова  – зловонный. Название йода произошло от греческого слова  – фиолетовый – по цвету парообразного йода. Радиоактивный астат назван от греческого слова  – неустойчивый.

По  ф и з и ч е с к и м  с в о й с т в а м   фтор – трудносжижаемый газ светло-зеленого цвета, хлор – легко сжижающийся газ желто-зеленого цвета, бром – тяжелая жидкость красно-бурого цвета, йод – твердое кристаллическое вещество темно-фиолетового цвета с металлическим блеском, легко подвергается возгонке (сублимации). Все галогены, кроме йода, обладают резким удушливым запахом, токсичны.

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

Все галогены проявляют высокую химическую активность, которая уменьшается при переходе от фтора к йоду. Химические свойства галогенов рассмотрим на примере хлора:

Н₂ (+):

(F₂ – со взрывом; Br₂, I₂ – на свету и при повышенной температуре.)

О₂ (–).

Металлы (+):

2Na + Cl₂ = 2NaCl;

2Fe + 3Cl₂ 2FeCl₃.

Неметаллы (+/–):*

N₂ + Cl₂ реакция не идет.

Н₂О (+):

Основные оксиды (–).

Kислотные оксиды (–).

Основания (+/–):

Kислоты (+/–):

2HBr + Cl₂ = 2HCl + Br₂,

HCl + Br₂ реакция не идет.

Соли (+/–):

2KBr + Cl₂ = 2KCl + Br₂,

KCl + Br₂ реакция не идет.

В  п р и р о д е в свободном виде галогены не встречаются из-за высокой химической активности. Среди наиболее распространенных соединений хлора можно выделить каменную или поваренную соль (NaCl), сильвинит (KCl•NaCl), карналлит (KCl•MgCl₂). Большое количество хлоридов содержится в морской воде. Хлор входит в состав хлорофилла. Природный хлор состоит из двух изотопов ³⁵Cl и ³⁷Cl. Подчеркнем, что в случае хлора число нейтронов в атоме возможно рассчитать только для каждого изотопа в отдельности:

³⁵Cl, p = 17, e = 17, n = 35 – 17 = 18;

³⁷Cl, p = 17, e = 17, n = 37 – 17 = 20.

В  п р о м ы ш л е н н о с т и  хлор получают электролизом водного раствора или расплава хлорида:

Л а б о р а т о р н ы е м е т о д ы получения (действие концентрированной соляной кислоты на различные окислители):

MnO₂ + 4HCl (конц.) = MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O,

2KMnO₄ + 16HCl (конц.) = 2MnCl₂ + 5Cl₂ + 2KCl + 8H₂O,

KClO₃ + 6HCl (конц.) = KCl + 3Cl₂ + 3H₂O,

K₂Cr₂O₇ + 14HCl (конц.) = 2CrCl₃ + 3Cl₂ + 2KCl + 7H₂O,

Ca(ClO)₂ + 4HCl (конц.) = CaCl₂ + 2Cl₂ + 2H₂O.

Х л о р о в о д о р о д  и  х л о р и д ы

Хлороводород (HCl) – бесцветный газ с резким запахом, тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде (в 1 объеме воды растворяется 450 объемов хлороводорода). Молекула образована по типу ковалентной полярной связи. Водный раствор хлороводорода называется соляной кислотой. Kонцентрированная соляная кислота «дымит» на воздухе, максимальная концентрация хлороводорода в растворе составляет 35–36 %. Это сильная кислота, проявляющая все характерные свойства кислот:

HCl H⁺ + Cl^–,

2HCl + Zn = ZnCl₂ + H₂,

HCl + Cu реакция не идет,

2HCl + CaO = CaCl₂ + H₂O,

HCl + NaOH = NaCl + H₂O,

2HCl + Na₂CO₃ = 2NaCl + H₂O + CO₂.

Kачественной реакцией на соляную кислоту и ее соли (хлориды) является реакция с раствором нитрата серебра:

Ag⁺ + Cl^– —> AgCl,

AgNO₃ + NaCl —> AgCl + NaNO₃.

Хлороводород можно получить:

• прямым синтезом из водорода и хлора (синтетический способ):

• действием концентрированной серной кислоты на твердые хлориды – сульфатный способ (аналогично можно получить HF, но нельзя получить HBr и HI):

NaCl (тв.) + H₂SO₄ (конц.) = HCl + NaHSO₄.

С ростом степени окисления хлора сила кислот резко возрастает. Так, хлорноватистая кислота очень слабая (слабее угольной), а хлорная кислота – самая сильная из всех известных кислот.

K и с л о р о д с о д е р ж а щ и е  к и с л о т ы  х л о р а и  и х  с о л и

Хлорноватистая кислота (HClO) – слабая, очень неустойчивая.

Соли этой кислоты (гипохлориты) являются очень сильными окислителями. Наибольшее применение находит смешанная соль соляной и хлорноватистой кислот – хлорид-гипохлорит кальция (хлорная известь):

Хлорноватая кислота (HClO₃) – существует только в разбавленных растворах. Сама кислота и ее соли (хлораты) являются сильными окислителями. Наиболее известной солью этой кислоты является хлорат калия (бертолетова соль).

5KClO₃ + 6P = 3P₂O₅ + 5KCl,

KClO₃ + 3MnO₂ + 6KOH = KCl + 3K₂MnO₄ + 3H₂O,

4KClO₃ + 3K₂S = 4KCl + 3K₂SO₄.

Многие соли кислородсодержащих кислот хлора термически неустойчивы, например:

2KClO₃ 2KCl + 3O₂,

4KClO₃ 3KClO₄ + KCl (без катализатора),

3KClO KClO₃ + 2KCl,

KClO₄ KCl + 2O₂.

 

Тест по теме «Галогены и их важнейшие соединения»

1. Газ имеет плотность 3,485 г/л при давлении 1,2 атм и температуре 25 °С. Установите формулу газа.

а) Фтор; б) хлор;

в) бромоводород;

г) хлороводород.

2. Явление перехода вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называется:

а) конденсация; б) сублимация;

в) возгонка; г) перегонка.

3. Природный хлор представляет собой смесь изотопов с массовыми числами 35 и 37. Рассчитайте изотопный состав хлора, приняв его относительную атомную массу за 35,5.

а) 75 % и 25 %;

б) 24,4 % и 75,8 %;

в) 50 % и 50 %;

г) недостаточно данных для решения задачи.

4. Хлор можно получить, проводя электролиз:

а) расплава хлорида калия;

б) раствора хлорида калия;

в) расплава хлорида меди;

г) раствора хлорида меди.

5. Раствор фтороводорода в воде называют:

а) жавелевой водой;

б) плавиковой кислотой;

в) белильной известью;

г) фтороводородной кислотой.

6. Оксид хлора(V) является ангидридом следующей кислоты:

а) хлорноватистой; б) хлорноватой;

в) хлористой; г) хлорной.

7. При прокаливании бертолетовой соли в присутствии диоксида марганца в качестве катализатора образуются:

а) хлорид калия и кислород;

б) перхлорат калия и хлорид калия;

в) перхлорат калия и озон;

г) гипохлорит калия и хлор.

8. K подкисленному раствору, содержащему 0,543 г некоторой соли, в состав которой входят литий, хлор и кислород, добавили раствор йодида натрия до прекращения выделения йода. Масса выделившегося йода составила 4,57 г. Название исходной соли:

а) гипохлорит лития; б) хлорит лития;

в) хлорат лития; г) перхлорат лития.

9. В молекулах галогенов химическая связь:

а) ковалентная полярная;

б) ковалентная неполярная;

в) ионная;

г) донорно-акцепторная.

10. Хлор, в отличие от фтора, при определенных условиях может реагировать с:

а) водой; б) водородом;

в) медью; г) гидроксидом натрия.

Kлюч к тесту

 

Задачи и упражнения на галогены и их соединения

Ц е п о ч к и  п р е в р а щ е н и й

1. Хлорид калия —> хлор —> хлороводород —> хлорид кальция —> хлороводород —> хлор —> хлорат калия.

2. Хлор —> бертолетова соль —> хлорид калия —> соляная кислота + диоксид марганца + вода —> хлор —> хлорид меди(II) —> хлор.

3. Хлорид калия —> хлор —> хлорат калия —> хлорид калия —> калий.

4. Хлорид калия —> хлор —> хлороводород —> хлор —> гипохлорит калия.

5. Хлорид натрия —> хлороводород —> хлор —> бертолетова соль —> хлорид калия —> гидроксид калия —> гипохлорит калия.

6. Хлорат калия —> А —> В—> С —> А —> нитрат калия (вещества А, В, С содержат хлор, первые три превращения – окислительно-восстановительные реакции).

7. Оксид кальция —> гидроксид кальция —> белильная известь —> хлорид кальция —> кальций.

8. Бромид натрия —> хлорид натрия —> хлор —> хлорная известь —> карбонат кальция —> гидрокарбонат кальция —> углекислый газ.

9. Йодид натрия —> йод —> йодид калия —> йодид серебра.

10. Гипохлорит калия —> хлорат калия —> перхлорат калия —> хлорид калия.

1. Сосуд с 200 г хлорной воды выдержали на прямом солнечном свету и собрали выделившийся газ, объем которого при н.у. составил 0,18 л. Определите состав хлорной воды (массовую долю хлора).

Ответ. 0,57 %.

2. Газ, полученный прокаливанием 9,8 г бертолетовой соли, смешан с газом, полученным на аноде в результате полного электролиза расплава 22,2 г хлорида кальция. Полученную смесь газов пропустили через 400 г 2%-го горячего раствора гидроксида натрия. Определите состав полученного раствора.

Ответ. 2,38 % NaCl; 0,84 % NaClO₃.

3. Рассчитать массу соли и объем газа (н.у.), образовавшихся при разложении 17 г соли, окрашивающей пламя горелки в желтый цвет и содержащей 27,06 % металла, 16,47 % азота и 56,47 % кислорода. Kакая масса бертолетовой соли потребуется для получения такого же количества газа?

Ответ. 13,8 г NaNO₂; 2,24 л O₂; 8,13 г KClO₃.

4. Kакой объем хлора (н.у.) можно получить из 1 м³ раствора (плотность 1,23 г/см³), содержащего 20,7 % хлорида натрия и 4,3 % хлорида магния?

Ответ. 61,2 м³.

5. Газ, выделившийся на аноде при электролизе 200 г 20%-го раствора хлорида натрия, пропустили через 400 г 30%-го раствора бромида калия. K полученному раствору добавили избыток раствора нитрата серебра. Определите количественный состав выпавшего осадка.

Ответ. 59,4 г AgBr; 98,154 г AgCl.

 

1. Через трубку с порошкообразной смесью хлорида и йодида натрия массой 3 г пропустили 1,3 л хлора при температуре 42 °С и давлении 101,3 кПа. Полученное в трубке вещество прокалили при 300 °С, при этом осталось 2 г вещества. Определите массовые доли солей в исходной смеси.

Ответ. 45,3 % NaCl; 54,6 % NaI.

2. Смесь йодида магния и йодида цинка обработали избытком бромной воды, полученный раствор выпарили. Масса сухого остатка оказалась в 1,445 раза меньше массы исходной смеси. Во сколько раз масса осадка, полученного после обработки такой же смеси избытком карбоната натрия, будет меньше массы исходной смеси?

Ответ. В 2,74 раза.

3. Для окисления 2,17 г сульфита щелочно-земельного металла добавили хлорную воду, содержащую 1,42 г хлора. K полученной смеси добавили избыток бромида калия, при этом выделилось 1,6 г брома. Определите состав осадка, содержащегося в смеси, и рассчитайте его массу.

Решение

Уравнение реакции:

Далее с избытком KBr из полученной смеси (HCl, MSO₄, избыток Cl₂ или избыток MSO₃) с выделением Br₂ может реагировать только Cl₂:

2KBr + Cl₂ = 2KCl + Br₂, (2)

(Br₂) = m(Br₂)/M(Br₂) = 1,6/160 = 0,01 моль.

По уравнению реакции (2):

(Cl₂) = (Br₂) = 0,01 моль.

Суммарно в двух реакциях израсходовано хлора:

(Cl₂) = m(Cl₂)/M(Cl₂) = 1,42/71 = 0,02 моль.

Следовательно, в реакции (1) прореагировало:

0,02 – 0,01 = 0,01 моль Cl₂.

По уравнению реакции (1):

(MSO₃) = n(Cl₂) = 0,01 моль;

M(MSO₃) = m(MSO₃)/(MSO₃) = 2,17/0,01 = 217 г/моль.

Таким образом, соль, участвующая в реакции, – сульфит бария BaSO₃.

Уравнение реакции (1):

BaSO₃ + Cl₂ + H₂O = 2HCl + BaSO₄.

(BaSO₄) = (BaSO₃) = 0,01 моль,

m(BaSO₄) = (BaSO₄)•M(BaSO₄) = 0,01•233 = 2,33 г.

Ответ. 2,33 г BaSO₄.

4. Через 800 г 10%-го водного раствора хлорида натрия пропустили ток. После окончания процесса электролиза соли весь выделившийся на аноде газ поглотили горячим раствором, получившимся в результате электролиза. Определите состав раствора, полученного после поглощения газа.

Ответ. В растворе 8,35 % NaCl и
3,03 % NaClO₃.

5. Плотность смеси хлора с водородом при давлении 0,2 атм и температуре 27 °С равна 0,0894 г/л. Хлороводород, полученный при взрыве 100 л (н.у.) такой смеси, растворили в 500 г 10%-й соляной кислоты. Найдите массовую долю хлороводорода в полученном растворе.

Ответ. 17 %.

K а ч е с т в е н н ы е  з а д а ч и

1. Назовите вещества А, В и С, если известно, что они вступают в реакции, описываемые приведенными ниже схемами; напишите полные уравнения реакций этих схем:

А + Н₂ —> В,

А + Н₂О В + С,

А + Н₂О + SО₂ —> В + … ,

С —> В + … .

Ответ. Вещества: А – Сl₂,
B – HCl; С – HClO.

2. Газ А под действием концентрированной серной кислоты превращается в простое вещество В, которое реагирует с сероводородной кислотой с образованием простого вещества С и раствора исходного вещества А. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – HBr; B – Br₂; С – S.

3. При пропускании хлора через раствор сильной кислоты А выделяется простое вещество В и раствор приобретает темную окраску. При дальнейшем пропускании хлора вещество В превращается в кислоту С и раствор обесцвечивается. Назовите вещества А, В и С, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – HI; B – I₂, C – HIO₃.

4. Приведите примеры реакций, в ходе которых происходит полное восстановление свободного брома: а) в кислом водном растворе; б) в щелочном водном растворе; в) в газовой фазе.

Ответ. Уравнения реакций:

5. Kакие вещества вступили в реакцию и при каких условиях, если в результате образовались следующие вещества (указаны все продукты без коэффициентов): а) хлорид бария и гидроксид калия; б) бромид кальция и бромоводород; в) хлорид калия и пентаоксид фосфора. Напишите полные уравнения реакций.

Ответ. Уравнения реакций:

а) Ba(ClO)₂ + 2KH = BaCl₂ + 2KOH;

б) CaH₂ + 2Br₂ = CaBr₂ + 2HBr;

в) 5KClO₃ + 6P 5KCl + 3P₂O₅ .

6. Для дегазации необходимо 254 г хлорной извести. В лаборатории имеются: кальций, диоксид марганца, натрий, цинк, хлорид натрия, серная кислота, вода, фосфор, сера, сульфат бария. Kакие реагенты и в каком количестве потребуются? Напишите полные уравнения реакций.

Ответ. 142 г Ca; 830,7 г NaCl; 308,85 г MnO₂;
1391,6 г H₂SO₄.

Уравнения реакций:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂,

NaCl (тв.) + H₂SO₄ (конц.) = HCl + NaHSO₄ ,

MnO₂ + 4HCl = Cl₂ + MnCl₂ + 2H₂O,

2Cl₂ + 2Ca(OH)₂ Ca(ClO)₂ + CaCl₂ + 2H₂O.

7. K водному раствору йодида калия по каплям приливают свежеприготовленную хлорную воду. Объясните, почему вначале появляющаяся окраска раствора затем исчезает. Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.

Ответ. Уравнения реакций:

2KI + Cl₂ = 2KCl + I₂,

I₂ + 5Cl₂ + 6H₂O = 2HIO₃ + 10HCl.

---

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует