Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 16. Галогени. Хлор

Пригадайте: будову електронної оболонки атомів Хлору в основному та збудженому станах (за § 3).

Загальна характеристика галогенів

Галогенами називають хімічні елементи VIIA групи Періодичної системи — Флуор F, Хлор Cl, Бром Вr, Йод I і Астат At. Слово «галогени» утворено від грецьких слів галос — «сіль» і генос — «народжую» і означає «ті, що народжують солі». У XIX ст. Хлор так і називали — «солерод», підкреслюючи його здатність реагувати з металами з утворенням хлоридів — солей хлоридної кислоти. Аналогічні властивості характерні й для інших галогенів.

У Флуору найбільша електронегативність, тому для нього характерні лише два ступені окиснення: 0 (у F2) і -1 (в усіх сполуках). Інші галогени виявляють різні ступені окиснення: як негативний -1 (із металічними елементами і Гідрогеном), так і позитивні ступені окиснення +1, +3, +5, +7 (із Флуором і Оксигеном).

Фізичні властивості хлору

• За звичайних умов — зеленувато-жовтий газ (у перекладі з грецької його назва означає «зеленувато-жовтий»);

• має характерний різкий задушливий запах, що нагадує запах «хлорки»;

• за охолодження до -34 °С хлор перетворюється на жовто-зелену рідину, а за -101 °С переходить у твердий стан;

• приблизно у 2,5 разу важчий за повітря;

• за температури 20 °С і нормального тиску в 1 об'ємі води розчиняється 3 об'єми хлору. Водний розчин хлору називають хлорною водою;

• отруйний, навіть у невеликих концентраціях подразнює слизову оболонку дихальних шляхів і спричиняє кашель. У випадку отруєння хлором слід вдихати випари суміші однакових об'ємів спирту й 10%-го розчину амоніаку.

Хімічні властивості хлору

1. Взаємодія з металами. Хлор — сильний окисник і підтримує горіння багатьох простих і складних речовин. Деякі речовини спалахують під час занурення в посудину з хлором.

Активні метали, зокрема лужні, реагують із хлором без нагрівання:

2K + Cl2 = 2KCl

Для реакції з хлором магній необхідно нагріти в полум'ї пальника. У хлорі він загоряється (хоча й не так блискуче, як на повітрі) з утворенням білого диму магній хлориду (мал. 16.1, а):

Mg + Cl2 = MgCl2

Залізо активно взаємодіє з хлором, якщо його заздалегідь розжарити, і окиснюється до ступеня окиснення +3. У посудині з хлором розжарені частинки заліза ще сильніше розігріваються, і в результаті реакції утворюється коричневий дим із дрібних кристаликів ферум(III) хлориду (мал. 16.1, б):

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Хлор окиснює також і малоактивні метали, зокрема мідь. Розпечений до червоного мідний дріт у хлорі ще більше розжарюється та згоряє, наповнюючи колбу бурим димом, що складається з частинок купрум(ІІ) хлориду (мал. 16.1, в, с. 85):

Cu + Cl2 = CuCl2

Мал. 16.1. Взаємодія з хлором магнію (а), заліза (б) і міді (в)

2. Взаємодія з неметалами. Хлор активно взаємодіє з більшістю неметалів. Наприклад, фосфор займається у хлорі без нагрівання і згоряє сліпучим полум'ям. На стінках посудини утворюються безбарвні краплі фосфор(III) хлориду PCl3, які в надлишку хлору частково перетворюються на кристали вищого хлориду PCl5 (мал. 16.2, а):

2P + 3Cl2= 2PCl3

PCl3+ Cl2= PCl5

Мал. 16.2. Горіння у хлорі фосфору (а) та водню (б)

Водень на повітрі горить майже безбарвним полум'ям. Якщо газовідвідну трубку з воднем опустити в склянку з хлором, водень продовжує горіти, але полум'я змінює забарвлення на біле з ледь помітним зеленуватим відтінком (мал. 16.2, б). Поступово посудина наповнюється гідроген хлоридом, про утворення якого свідчить поява туману з отвору склянки:

H2 + Cl2 = 2HCl

Цікаво, що вугілля, яке швидко згоряє в кисні, із хлором не реагує. Хлор також не взаємодіє з киснем і азотом.

Застосування хлору

Щорічно у світі виробляється близько 30 млн тонн хлору.

• Більша частина хлору йде на одержання гідроген хлориду і хлоридної кислоти. Багато хлору використовують для хлорування органічних речовин.

• Методом хлорування одержують різноманітні пластмаси, засоби захисту рослин, барвники, ліки, розчинники.

• Хлор використовують у виробництві хлорного вапна, хлораміну, для вибілювання лляних і бавовняних тканин, паперу.

• Навіть у невеликих кількостях хлор знищує хвороботворні бактерії, тому його нарівні з хлораміном і озоном застосовують для знезараження питної води. Перед подачею до водогону питну воду хлорують — розчиняють у ній певну кількість хлору (не більше 0,002 г на літр). Перш ніж хлорована вода потрапить до споживачів, увесь хлор встигає перетворитися на хлоридну кислоту. Її концентрація у водопровідній воді настільки мала, що вона не відчутна на смак і не шкідлива для організму.

В Україні рідкий хлор виробляє підприємство АТ «ДніпроАзот».

Біологічне значення галогенів

Флуор є життєво необхідним для організму людини елементом. В організмі людини Флуор міститься переважно в зубній емалі у складі флуорапатиту Ca5(PO4)3F. За нестачі Флуору (<0,5 мг/л у питній воді) зубна емаль руйнується внаслідок вимивання Флуору з флуорапатиту, що є причиною карієсу. Надлишок Флуору (>1 мг/л у питній воді) спричиняє флюороз — захворювання зубів і кісток.

Хлор — один із найважливіших біогенних елементів, він міститься у складі всіх живих організмів. У тварин і людини хлорид-іони беруть участь у гомеостазі — підтримці сталого складу біологічних рідин організмів. У шлунку людини хлорид-іони створюють сприятливе середовище для дії ферментів шлункового соку.

Хлор — життєво важливий елемент для рослин. Він необхідний для утворення кисню в процесі фотосинтезу, поглинання коренями кисню, сполук Калію, Кальцію, Магнію. Але надмірна концентрація хлорид-іонів у рослинах, що виникає в разі засоленого ґрунту, знижує вміст хлорофілу та активність фотосинтезу, сповільнює ріст і розвиток рослин.

Бром у вигляді простої речовини дуже шкідливий. Уже за вмісту випарів брому в повітрі близько 0,001 % (за об'ємом) відбувається подразнення слизових оболонок, запаморочення, а за більших концентрацій — судоми м'язів горла. Рідкий бром у разі потрапляння на шкіру спричиняє хворобливі опіки. Сполуки Брому мають заспокійливу дію, їх використовують для виготовлення спеціальних лікарських препаратів.

Йод міститься в усіх живих організмах. Його вміст у рослинах залежить від умісту сполук Йоду в ґрунті й воді. Деякі морські водорості (морська капуста, або ламінарія, фукус тощо) накопичують до 1 % Йоду. У тварин і людини Йод міститься у складі тиреоїдних гормонів щитоподібної залози — тироксину і трийодтироніну, які мають багатобічну дію на ріст, розвиток і обмін речовин організмів.

Ключова ідея

Галогени, і Хлор зокрема, є поширеними в природі речовинами, елементи-галогени — біологічно важливі елементи, виявляють переважно окисні властивості.

Контрольні запитання

211. Схарактеризуйте місце елементів-галогенів у Періодичній системі та їхні загальні властивості.

212. Чому для Флуору можливі лише два ступеня окиснення?

213. Який із галогенів є найсильнішим окисником?

214. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості та застосування хлору.

215. Схарактеризуйте біологічне значення галогенів.

216. Порівняйте хімічну активність хлору з активністю інших галогенів.

Завдання для засвоєння матеріалу

217. Для рівняння реакції хлору з воднем складіть електронний баланс, укажіть окисник і відновник.

218. Зобразіть розподіл електронів на зовнішньому енергетичному рівні атомів Хлору в основному та збудженому станах. Схарактеризуйте можливі валентні стани та ступені окиснення Хлору.

219. Визначте ступені окиснення Хлору в сполуках: Cl2, HCl, NaCl, AlCl3, PCl5, ClF3, Cl2O, KClO3, HClO2, Mg(ClO4)2.

220. Складіть електронний баланс для реакцій. Укажіть окисник і відновник:

а) KClO3 + HCl → KCl + Cl2 + H2O;

б) PbO2 + HCl → PbCl2 + Cl2 + H2O;

в) KMnO4 + HCl → MnCl2 + Cl2 + KCl + H2O.

221. Силіцій реагує з хлором, утворюючи вищий хлорид. Складіть рівняння реакції, електронний баланс для неї, укажіть окисник і відновник.

222. Етин в атмосфері хлору горить кіптявим полум'ям. Складіть рівняння цієї реакції.

Комплексні завдання

223. У скільки разів хлор важчий за повітря? Обчисліть густину хлору за нормальних умов.

224. Густина хлору за температури 20 °С становить 2,96 г/л. За цих умов в одному об'ємі води максимально розчиняється три об'єми хлору. Обчисліть масову частку хлору в насиченому розчині.

225. Хлор добре розчиняється в органічних розчинниках, наприклад у тетрахлорометані: у 100 мл розчинника за температури 20 °С розчиняється 5480 мл хлору. Обчисліть масову частку хлору в цьому розчині, якщо відомо, що густина тетрахлорометану дорівнює 1,63 г/мл, а хлору — 2,96 г/л.

226. Який об'єм хлору необхідний для реакції з воднем об'ємом 25 л? Який об'єм хлороводню утвориться?

227. Під час взаємодії фосфору з хлором одержали фосфор(III) хлорид масою 13,75 г. Обчисліть об'єм витраченого хлору (н. у.), якщо відносний вихід продукту реакції становить 75 %.

228. Гідроген хлорид, одержаний спалюванням водню об'ємом 10 л (н. у.) у хлорі, розчинили у воді об'ємом 1 л. Обчисліть масову частку кислоти в отриманому розчині.

229. Обчисліть об'єм хлору (н. у.), що утвориться під час взаємодії хлоридної кислоти з манган(IV) оксидом масою 17,4 г, якщо відносний вихід продукту реакції становить 80 %. Взаємодія відбувається за схемою: HCl + MnO2 → MnCl2 + Cl2 + H2O.

Завдання з розвитку критичного мислення

230. Хлоровмісні суміші часто застосовують для вибілювання бавовни, паперу та інших матеріалів вуглеводної природи. Але вони непридатні для відбілювання вовни й шовку. Запропонуйте пояснення цього факту.

231. Карл Шеєлє, який відкрив хлор 1774 року, писав про нього так: «комахи в ньому негайно гинуть», «Синій лакмусовий папір стає майже білим, усі червоні, сині квіти й навіть зелені рослини жовтіють», «Ані луги, ані кислоти вже не відновлюють первісного забарвлення квітів і листя». Які властивості хлору описав Шеєлє?

Міні-проекти

232. У додаткових джерелах знайдіть інформацію щодо способів знезараження питної води без використання хлору та сполук Хлору. Порівняйте їх із хлоруванням води. Визначте переваги та недоліки цих методів.

233. Дослідіть властивості будь-якого комерційно доступного хлоровмісного побутового засобу для вибілювання.

Дотримуйтеся правил безпеки:

• працювати необхідно обов'язково в гумових рукавичках;

• у разі потрапляння засобу на шкіру необхідно негайно змити речовину під струменем води;

• уникайте потрапляння засобу на металеві поверхні.

Приготуйте розчин вибілювача згідно з рекомендаціями в інструкції до цього засобу. Випробуйте дію приготованого розчину (кімнатної температури та теплого) на кольорових тканинах, кольоровому папері, пелюстках квіток. На невеликих аркушах білого паперу зробіть написи кольоровими ручками, олівцями й фломастерами різних типів. Перевірте дію на них вибілюючого засобу. Після перебування всіх предметів у вибілюючому розчині ретельно промийте їх під струменем води. Поясніть свої спостереження.