Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

Тема 2. Елементи VІІА групи (галогени)

§ 21. Загальна характеристика елементів VIIA групи

Пригадайте:

будову електронних оболонок атомів (за § 2, 3);
валентні можливості елементів в основному та збудженому станах (за § 4);
періодичність у зміні властивостей елементів (за § 5).

Характеристика хімічних елементів-галогенів

Галогенами називають хімічні елементи VIIA групи — F, Cl, Br, I та At. Слово «галогени» утворено від двох грецьких коренів: галос — «сіль» і геннао — «народжую», і означає «ті, що народжують солі».

Галогени — типові неметалічні елементи. У Періодичній системі вони розташовані наприкінці періодів, перед інертними елементами. Від Флуору до Астату збільшуються відносна атомна маса елементів і радіус атома, зменшується електронегативність, послаблюються неметалічні властивості й активність елементів як окисників (табл. 5).

Атоми галогенів на зовнішньому енергетичному рівні містять по сім електронів, і до його завершення їм бракує одного електрона.

У Флуору найбільша електронегативність, тому для нього характерні лише два ступені окиснення — 0 (у молекулі F₂) і -1 (в усіх сполуках). Інші галогени виявляють як негативні (із металічними елементами і Гідрогеном), так і позитивні (із Флуором і Оксигеном) ступені окиснення.

Валентні стани галогенів

Здатність виявляти ту чи іншу валентність визначається кількістю електронних орбіталей, здатних утворювати хімічний зв’язок. Галогени, за винятком Флуору, виявляють змінну валентність і ступінь окиснення. Це пояснюється тим, що в елементів, починаючи з третього періоду, де розташовані Хлор, Бром та Йод, можливий електронний перехід із р-підрівня на d-підрівень. За рахунок цього кількість електронів, здатних утворювати хімічний зв’язок, збільшується. Наочно цей процес зображено на схемах, які показують утворення різних валентних станів атома Хлору (для Брому та Йоду так само) (див. § 4, с. 12).

У сполуках із типовими металічними елементами галогени містяться у вигляді негативно заряджених йонів (галогенід-іонів). Ці речовини мають йонні кристалічні ґратки. Сполуки галогенів із Гідрогеном (галогеноводні) утворені молекулами із полярним ковалентним зв’язком. Їхні водні розчини виявляють властивості кислот. У сполуках з Оксигеном атоми галогенів перебувають у позитивних ступенях окиснення (від +1 до +7), а зв’язок між атомами галогену й Оксигену — ковалентний полярний.

Загальна характеристика простих речовин-галогенів

Прості речовини-галогени складаються з двохатомних молекул. Зі збільшенням молекулярної маси речовини збільшується густина, підвищуються температури плавлення й кипіння: фтор F₂ і хлор Сl₂ за звичайних умов газуваті, бром Вr₂ — рідина, а йод I₂ — тверда речовина. У підгрупі також закономірно змінюються хімічні властивості простих речовин. Найсильнішим окисником є фтор, а найслабшим — йод. Цю зміну властивостей можна спостерігати в реакціях галогенів із воднем. Так, реакція фтору з воднем відбувається з вибухом навіть у темряві, для реакції водню з хлором необхідне ініціювання (освітлення або нагрівання), бром і йод реагують із воднем лише за нагрівання до 500 °С. Такі самі закономірності характерні й для реакцій галогенів зі складними речовинами, наприклад із водою. В атмосфері фтору вода горить, хлор повільно взаємодіє з водою, а бром і йод — практично не реагують.

Таблиця 5. Загальна характеристика елементів-галогенів

Характеристика	Флуор F	Хлор Сl	Бром Вr	Йод I	Астат At
Радіус атома, нм	0,064	0,099	0,114	0,133	0,150
Відносна електронегативність	3,98	3,16	2,96	2,66	2,2
Можливі валентності	І	I, III, V, VII			Не відомо
Характерні ступені окиснення	-1, 0	-1, 0, +1, +3, +4, +5, +7	-1, 0, +1, +3, +5, +7		Не відомо
Уміст у земній корі, мольні %	2,8 • 10^-2	2,6 • 10^-2	8,5 • 10^-2	4 • 10^-6	Близько 70 мг

Поширеність елементів-галогенів на Землі

Флуор є досить поширеним елементом на Землі. Масова частка Флуору в земній корі становить 6,6 • 10^-2 %. Флуор міститься у складі різних мінералів, таких як флюорит (плавиковий шпат) CaF₂, фторапатит Ca₅(PO₄)₃F, кріоліт Na₃AlF₆. На Флуор багаті такі рослини, як цибуля і сочевиця. В організмах тварин Флуор міститься переважно в кістках, зубах та черепашках. Флуор — необхідний елемент для життя людини. Уміст Флуору в зубах дорівнює 0,02 %.

Масова частка Хлору в земній корі становить 0,05 %. Хлор міститься в складі великої кількості мінералів, однак найбільше Хлору в морській воді. Однією з найпоширеніших сполук Хлору є мінерал галіт, або кам’яна сіль NaCl, величезні підземні поклади якої в Україні є поблизу м. Бахмут (Донецька обл.). Хлор також є у складі мінералів: сильвін КСl, сильвініт NaCl • KCl, карналіт KCl • MgCl₂•6H₂O, каїніт KCl • MgSO₄• 3Н₂О, рогове срібло (кераргірит) AgCl. У вигляді простої речовини Сl₂ трапляється в деяких вулканічних газах.

Бром менш поширений на Землі порівняно з іншими галогенами. Уміст Брому в земній корі дорівнює близько 1,6 • 10^-4 %, і він дуже розсіяний. Через це добувати бром та застосовувати його в промисловості досить складно. Деякі рослини, такі як квасоля, горох і сочевиця, здатні накопичувати Бром. Багато Брому міститься в морській воді та морських водоростях.

Йод — доволі рідкісний елемент на Землі, його вміст у земній корі становить близько 4 • 10^-⁵% за масою. Йод, як і Бром, трапляється лише у вигляді домішок в інших мінералах. Найбільше Йоду міститься у водах Світового океану та деяких солоних озер. Деякі морські водорості здатні накопичувати Йод, тому корисно вживати в їжу морепродукти для нормального функціонування щитоподібної залози.

Ключова ідея

Галогени — поширені типові неметалічні елементи, атоми яких переважно прагнуть приєднувати електрони.

Запитання та завдання

110. Схарактеризуйте місце елементів-галогенів у Періодичній системі, їхні загальні властивості та поширеність у природі.

111. Схарактеризуйте зміну властивостей хімічних елементів підгрупи галогенів: а) радіус атомів; б) електронегативність; в) металічні й неметалічні властивості; в) окисно-відновні властивості.

112. Схарактеризуйте можливі валентні стани і ступені окиснення галогенів. Чому для Флуору можливі лише два ступеня окиснення?

113. Схарактеризуйте прості речовини-галогени. Поясніть для них закономірності зміни: а) температур кипіння й плавлення; б) густини; в) окисних здатностей. Який із галогенів є найсильнішим окисником? Чому галогени трапляються в природі лише у сполуках?

114. Перелічіть хімічні елементи-галогени і дайте їм стислу характеристику: випишіть їхні символи у стовпчик, укажіть, металічні елементи це чи неметалічні, зобразіть схеми будови електронних оболонок їхніх атомів, за допомогою вертикальних стрілок позначте напрямок збільшення радіуса атомів, електронегативності, посилення неметалічних властивостей.

115. Складіть електронні графічні формули зовнішнього електронного рівня атомів Брому в основному й збудженому станах.

116. Визначте ступені окиснення Хлору в сполуках: Сl₂, НСl, NaCl, АlСl₃, РСl₅, ClF₃, Сl₂О, КСlО₃, НСlО₂, Мg(СlО₄)₂.