Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №10/2009
УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

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 Iувеличивается 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

Kислотные оксиды Cl2O Cl2O3 Cl2O5 Cl2O7
Kислоты HClO Хлорноватистая HClO2
Хлористая
HClO3 Хлорноватая HClO4 Хлорная
Графические формулы
кислот
H–O–Cl H–O–Cl=O
Названия и примеры солей Гипохлорит натрия
NaClO
Хлорит натрия
NaClO2
Хлорат натрия
NaClO3
Перхлорат натрия
NaClO4

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

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
б б, в а а, б, в, г б, г б а в б г

 

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.

У р о в е н ь А

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.

 

У р о в е н ь Б

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

Рейтинг@Mail.ru