Химия · Химия элементов · 8 класс

Неметаллы и галогены

Почему хлор вытесняет бром, а иод окрашивает бензин в фиолетовый цвет?

Ситуация

На коробке зубной пасты написано «с фтором», на пачке соли — «иодированная», а в аптеке продаётся иодная настойка. Фтор, хлор, бром и иод — одно семейство, галогены: на внешнем слое атома у всех по 7 электронов. Но фтор и хлор — газы, бром — жидкость, а иод — твёрдый кристалл. Почему члены одной семьи так сильно различаются? Почему хлорная вода вытесняет бром из его соли, а иод в бензине фиолетовый, а в воде бурый?

Тема

Неметаллы и семейство галогенов. Фтористая зубная паста, йодированная соль и бром: какой галоген кого вытесняет и почему иод в бензине фиолетовый

Ключевые понятия

Ряд галогенов
Вытеснение
Экстракция

Формулы

Cl_{2} + 2 KBr \overset{}{\to} 2 KCl + Br_{2}

Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли (лабораторная работа 5).

Br_{2} + 2 KI \overset{}{\to} 2 KBr + I_{2}

Бром вытесняет иод; обратная реакция — $I_{2}$ + KBr — не идёт.

F_{2} > Cl_{2} > Br_{2} > I_{2}

Окислительная активность в группе сверху вниз уменьшается, а радиус атома растёт.

K = \frac{c_{бензина}}{c_{воды}}

Закон распределения: отношение концентраций вещества в двух несмешивающихся жидкостях постоянно (для иода в системе гексан–вода $K$ ≈ 35).

q = \frac{V_{воды}}{V_{воды} + K V_{бензина}}

Доля иода, оставшаяся в воде после одной экстракции; при $n$ повторениях — $q_{1} q_{2} \dots q_{n}$ .

Теория

Неметаллы (§ 21)

Неметаллы расположены в правой верхней части периодической таблицы, выше диагонали B–At; к неметаллам относятся также водород и инертные газы. На внешнем слое их атомов много электронов (обычно 4–8; водород и гелий — исключение), поэтому в реакциях они чаще принимают электроны — это окислители. Простые вещества при комнатной температуре бывают газообразными ( $H_{2}$ , $N_{2}$ , $O_{2}$ , $F_{2}$ , $Cl_{2}$ , инертные газы), жидкими (только бром) или твёрдыми (углерод, фосфор, сера, иод). Они плохо проводят тепло и электрический ток (графит — исключение), твёрдые хрупки, металлического блеска обычно нет (у иода и графита он есть). Образование одним элементом нескольких простых веществ — аллотропия: $O_{2}$ и озон $O_{3}$ , алмаз и графит, белый и красный фосфор, ромбическая и моноклинная сера. Оксиды неметаллов обычно кислотные, водородные соединения ( $HCl$ , $H_{2} S$ , $NH_{3}$ , $CH_{4}$ ) — летучие вещества.

Галогены: положение и строение атома (§ 22)

Галогены («рождающие соли») — подгруппа VII A: фтор, хлор, бром, иод (и радиоактивный астат). Внешний слой $n s^{2} n p^{5}$ — 7 электронов, до октета не хватает одного: атом принимает один электрон и превращается в ион $X^{-}$ (степень окисления −1). Фтор — самый электроотрицательный элемент (3,98), у него только −1; у хлора, брома, иода в кислородных соединениях бывают также +1, +3, +5, +7. Простые вещества — двухатомные молекулы $X_{2}$ . Вниз по группе радиус атома растёт (F 57 → I 139 пм), электроотрицательность и окислительная способность убывают; молекулы тяжелеют, их взаимное притяжение усиливается — температуры плавления и кипения растут: фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество.

Фтор, бром, иод (§ 28)

Фтор — светло-жёлтый газ, самый активный неметалл: в нём горит даже вода ( $2 F_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 HF + O_{2}$ ), он разъедает стекло; в 1886 году его выделил электролизом Анри Муассан. Фториды укрепляют зубную эмаль — во многих зубных пастах 0,10–0,15 % (1000–1500 ppm) фтора. Бром — единственный жидкий неметалл: красно-бурый, быстро испаряется, пары ядовиты, обжигают кожу. Иод — чёрно-фиолетовые кристаллы с металлическим блеском; при нагревании начинают превращаться в фиолетовый пар (сублимация). 5 %-й раствор иода в спирте — иодная настойка, обеззараживает рану. Иод необходим щитовидной железе: в Узбекистане по закону поваренную соль иодируют (добавляют иодат калия). Крахмал с иодом даёт синий цвет — качественная реакция на иод.

Лабораторная работа 5 и практическая работа 1: вытеснение

Более активный галоген вытесняет менее активный из раствора его соли: $Cl_{2} + 2 KBr \overset{}{\to} 2 KCl + Br_{2}$ , $Cl_{2} + 2 KI \overset{}{\to} 2 KCl + I_{2}$ , $Br_{2} + 2 KI \overset{}{\to} 2 KBr + I_{2}$ . Иод же не вытесняет ни бром, ни хлор. Чтобы увидеть выделившийся галоген, в пробирку добавляют бензин и встряхивают: галогены лучше растворяются в бензине, чем в воде, и переходят в верхний слой — бром даёт оранжевый цвет, иод — фиолетовый. Результат — ряд окислительной активности $F_{2} > Cl_{2} > Br_{2} > I_{2}$ . Фтор в растворах не используют — он реагирует с самой водой. Практическая работа: растворы KCl, KBr, KI с неизвестными номерами можно различить с помощью хлорной воды и бензина: без изменений — KCl, оранжевый — KBr, фиолетовый — KI (второй способ — нитрат серебра, эксперимент «Хлор и соляная кислота»).

Лабораторная работа 6: растворение и экстракция

Иод в воде растворяется очень слабо: при 20 °C ≈ 0,3 г/л (на 1 г иода нужно ≈ 3,5 л воды), раствор светло-жёлто-бурый. В спирте он растворяется хорошо (бурый цвет — иодная настойка), в бензине тоже хорошо и даёт фиолетовый цвет: неполярная молекула $I_{2}$ хорошо растворяется в неполярном растворителе («подобное растворяется в подобном»). Между двумя несмешивающимися жидкостями вещество распределяется в постоянном отношении: $K = c_{бензина} / c_{воды}$ . Экстракция — перевод вещества таким путём из одного растворителя в другой; встряхивают в делительной воронке, после расслоения берут верхний (бензиновый) слой. После одной экстракции в воде остаётся доля $q = V_{воды} / (V_{воды} + K V_{бензина})$ ; эффективнее разделить растворитель и экстрагировать несколько раз.

Безопасность и модель

Безопасность: с хлорной и бромной водой работайте только в вытяжном шкафу — пары обжигают дыхательные пути; бром при попадании на кожу вызывает сильные ожоги — обязательны перчатки и защитные очки. Бензин легко воспламеняется — не зажигайте рядом огонь. Не пробуйте вещества на вкус; если нужно понюхать, направьте пар рукой от сосуда к себе. Модель: ампулы в термостате показывают состояние вещества при нормальном давлении (101,3 кПа) (на самом деле фтор не хранят в стеклянной посуде — он разъедает стекло); цвет пара схематичен и зависит от давления насыщенного пара; вытеснение идёт мгновенно и до конца; вместо бензина взят гексан, для иода $K$ = 35 (приближённое лабораторное значение); в растворе с иодид-ионами иод связывается в $I_{3}^{-}$ и больше остаётся в воде — это учтено; для хлора и брома распределение показано только для цвета.

Знаете ли вы?

Иод в 1811 году открыл французский химик Бернар Куртуа в золе морских водорослей: при добавлении к золе серной кислоты поднялся фиолетовый пар. Название элемента — от греческого «iodes» — «фиолетовый».
Бром независимо друг от друга выделили два химика: Карл Лёвиг (1825) — из воды минерального источника, Антуан Балар (1826) — из золы морских водорослей из солончаков Монпелье. Название — от греческого «bromos» — «зловонный».

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кислород и озон — 7 класс
Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс