Промышленные способы получения галогенов

Галогены в химии: что это, их характеристики и свойства, примеры

Содержание:

Галогены – элементы, находящиеся в VIIA группе. Они взаимодействуют со многими неорганическими и органическими соединениями. К ним относятся:

Галогены широко распространены в природных условиях.

Строение галогенов

На наружном уровне галогенов располагается шесть спаренных и один неспаренный электрон. До устойчивого состояния элементам недостает одного электрона, поэтому они относятся к сильным окислителям. Молекулы галогенов состоят из двух атомов.

У галогенов в соединениях, как правило, отрицательная степень окисления:

В некоторых соединениях для них характерна положительная степень окисления:

Фтор – самый электроотрицательный элемент, который окисляет даже кислород. Таким образом, существует фторид кислорода OF₂.

Закономерности галогенов

В ряду F-Cl-Br-I уменьшается электроотрицательность. Следовательно, фтор – самый активный элемент. У него самый маленький атомный радиус, поэтому он активно притягивает к себе электроны.

Физические свойства

В ряду химических элементов F-Cl-Br-I повышается плотность вещества. В нормальных условиях галогены выглядят следующим образом:

• фтор – светло-желтый газ;
• хлор – желто-зеленый газ;
• бром – оранжевая жидкость;
• йод – темно-фиолетовые кристаллы.

Галогены ядовиты и издают неприятный аромат. Они практически не растворимы в воде. Только фтор может реагировать с водой.

Способы получения

Получение хлора

В промышленности хлор получают путем электролиза.

1. Электролиз расплава хлорида натрия
   • 2 NaCl → 2Na + Cl₂
   • К (-): Na+ + 1 e → Na 0
   • А (+): 2 Cl- — 1 e → Cl₂ 0

2. Электролиз раствора хлорида натрия
   • 2NaCl + 2H₂O → H₂ + 2NaOH + Cl₂
   • К (-): 2H₂O + 2 e → H₂ 0 + 2OH —
   • А (+): 2Cl — — 1 e → Cl₂ 0

В лаборатории хлор получают при реакции соляной кислоты и сильных окислителей.

Получение фтора

Фтор получают с помощью электролиза расплава.

Получение брома

Бром получают с помощью окисления.

Получение йода

Йод получают с помощью окисления.

Химические свойства

Галогены – окислители, которые реагируют с металлами и неметаллами.

1. С серой
   • S + Cl₂ → SCl₂

2. С фосфором
   • 2Р + 3Cl₂ → 2РCl₃
   • 2Р + 5Cl₂ → 2РCl₅

3. С углеродом
   • 2F₂ + C → CF₄

4. С металлами
   • 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ Для ряда химических элементов F-Cl-Br характерно образование галогенидов железа (III), а для йода — железа (II). При реакциях с медью продукты аналогичны.

5. С водородом
   • F₂ + Н₂ → 2НF

6. С галогенами (более активные вытесняют менее активные галогены)
   • Cl₂ + F₂ → 2ClF

В реакциях со сложными веществами галогены ведут себя как окислители.

Применение галогенов

Костная ткань и зубная эмаль включают соединения фтора. При недостатке фтора зубная эмаль разрушается. В состав плазмы крови входят различные хлориды. Соединения брома регулируют процессы торможения и возбуждения нервной системы. Йод регулирует работу щитовидной железы, а также контролирует обмен веществ.

Фторид кислорода используется в производстве ракетного топлива. Соединения фтора входят в состав зубных паст. С помощью молекулярного хлора обеззараживают воду, а также используют для отбеливания тканей, бумаги, древесины. Поваренная соль – хлорид натрия, который добавляется в пищу. А хлорид калия применяется в качестве удобрения.

Источник

Галогены

Галогены (греч. hals — соль + genes — рождающий) — химические элементы VIIa группы: F, Cl, Br, I, At. Реагируют с большинством других элементов и органических соединений.

Галогены широко распространены в природе. Их химическая активность падает от фтора к астату.

Общая характеристика элементов VIIa группы

От F к At (сверху вниз в периодической таблице) происходит увеличение: атомного радиуса, металлических, основных, восстановительных свойств. Уменьшается электроотрицательность, энергия ионизация, сродство к электрону.

Все галогены относятся к неметаллам, являются сильными окислителями.

Электронные конфигурации у данных элементов схожи, так как они находятся в одной группе (главной подгруппе!), общая формула ns 2 np 5 :

• F — 2s 2 2p 5
• Cl — 3s 2 3p 5
• Br — 4s 2 4p 5
• I — 5s 2 5p 5
• At — 6s 2 6p 5

Для галогенов характерны нечетные степени окисления: -1, +1, +3, +5, +7. Это связано с электронной конфигурацией атомов в возбужденном состоянии.

Природные соединения

• NaCl — галит (каменная соль)
• CaF₂ — флюорит, плавиковый шпат
• NaCl*KCl — сильвинит
• 3Ca₃(PO₄)₂*CaF₂ — фторапатит
• MgCl₂*6H₂O — бишофит
• KCl*MgCl₂*6H₂O — карналлит

Простые вещества — F₂, Cl₂, Br₂, I₂

Галогены в чистом виде можно получить путем электролиза водных растворов и расплавов их солей. Например, хлор в промышленности получают электролизом водного раствора хлорида натрия.

Электролизом расплава гидрофторида калия KHF₂ в безводной плавиковой кислоте — HF — был впервые получен фтор.

Более активные галогены способны вытеснять менее активные. Активность галогенов убывает: F → Cl → Br → I.

В лабораторных условиях галогены могут быть получены следующими реакциями.

Реакции с металлами

Для галогенов характерна высокая реакционная способность. Фтор реагирует со всеми металлами без исключения, некоторые из них в атмосфере фтора самовоспламеняются.

Реакции с неметаллами

Хлор, как и фтор, химически весьма активен. Не реагирует только с кислородом, азотом и благородными газами.

F₂ + H₂ → HF (в темноте со взрывом)

Галогены вступают в реакцию друг с другом. Чтобы определить степени окисления в получающихся соединениях, вспомните электроотрицательность 😉

Br₂ + F₂ → BrF (фтор более электроотрицателен, чем бром — F — )

Br₂ + I₂ → IBr₃ (бром более электроотрицателен, чем йод — Br — )

Реакции с водой

Реакция фтора с водой протекает очень энергично, носит взрывной характер.

Хлор реагирует с водой обратимо, образуя хлорную воду — смесь хлорноватистой и соляной кислоты. Бром вступает в те же реакции, что и хлор.

Замечу, что активность йода существенно ниже, чем у остальных галогенов. С неметаллами йод почти не реагирует, а с металлами — только при нагревании.

Реакции с щелочами

Cl₂ + NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

Галогены способны вытеснять друг друга из солей. Более активные вытесняют менее активные.

KBr + I₂ ⇸ (реакция не идет, так как йод менее активен, чем бром)

Галогеноводороды

Соединения, образованные из галогенов и водорода. К галогеноводородам относятся следующие вещества:

• HF — фтороводород (газ), фтороводородная (плавиковая) кислота (жидкость)
• HCl — хлороводород (газ), соляная кислота (жидкость)
• HBr — бромоводород, бромоводородная кислота
• HI — йодоводород, йодоводородная кислота
• HAt — астатоводород, астатоводородная кислота

При н.у. HCl, HBr, HI — газы, хорошо растворимые в воде.

В промышленности применяют получение прямым методом: реакцией водорода с галогенами.

В лабораторных условиях галогеноводороды можно получить в реакциях обмена между галогенсодержащими солями и сильными кислотами.

HF — является слабой кислотой, HCl, HBr, HI — сильные кислоты. Металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, способны вытеснить водород из кислоты.

Галогеноводороды реагируют с основными, амфотерными оксидами и основаниями с образованием соответствующих солей.

KOH + HCl → KCl + H₂O (реакция нейтрализации)

Реакции протекают в тех случаях, если в результате выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (вода).

В некоторых реакциях проявляют себя как сильные восстановители, особенно HI.

В целом взаимодействие галогеноводородов с оксидами неметаллов нехарактерно. В этой связи важно выделить реакцию SiO₂ с плавиковой кислотой.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Источник

§ 24. Получение галогенов. Биологическое значение и применение галогенов и их соединений

Получение галогенов. В промышленности фтор и хлор получают электролизом расплавов или растворов их солей. Модели лабораторных установок для электролитического получения хлора изображены на рисунке 103. Например, процесс электролиза расплава хлорида натрия можно отразить уравнением:

Рис. 103.
Модель лабораторной установки для электролиза:
а — расплава хлорида натрия; б — раствора хлорида натрия

При получении хлора электролизом раствора хлорида натрия кроме хлора образуются также водород и гидроксид натрия:

Но если водород можно получить другими, более удобными и дешёвыми способами, например из природного газа, то гидроксид натрия, как и хлор, получают почти исключительно электролизом раствора поваренной соли.

В лаборатории (рис. 104) хлор получают взаимодействием соляной кислоты с оксидом марганца:

Рис. 104.
Получение хлора лабораторным способом

Бром и иод получают в промышленности по реакции вытеснения их хлором соответственно из бромидов и иодидов.

Биологическое значение и применение галогенов. Фтор. Вы не могли не обратить внимания, что на этикетках многих марок зубных паст указывают содержание в них фтора — конечно, не свободного, а его соединений. Благодаря этому важному компоненту, участвующему в построении зубной эмали и костей, предотвращается такое заболевание, как кариес зубов.

Кроме того, фтор является необходимым элементом в процессах обмена веществ в железах, мышцах и нервных клетках.

Важное значение имеет фтор и в промышленном производстве, где основные потребители его — ядерная промышленность и электротехника. Его соединение Na₃AlF₆ (как его называют?) используют для производства алюминия. А в быту всё более широкое применение находит посуда с тефлоновым покрытием (тефлон — фторсодержащая пластмасса).

Хлор. Один из химических элементов, без которых немыслимо существование живых организмов. Основная форма его поступления в организм — это хлорид натрия, который стимулирует обмен веществ, рост волос, придаёт бодрость и силу. Больше всего хлорида натрия NaCl содержится в плазме крови.

Особую роль в пищеварении играет соляная кислота НСl, которая входит в состав желудочного сока. Без 0,2%-й соляной кислоты практически прекращается процесс переваривания пищи. И хотя почти все пищевые продукты содержат некоторое количество поваренной соли, человек вынужден добавлять к пище ежедневно около 20 г соли.

По масштабам промышленного применения хлор намного превосходит все галогены. Хлор и его соединения необходимы для отбеливания льняных и хлопчатобумажных тканей, бумаги и т. д. (рис. 105). Особенно много его расходуют в органическом синтезе для производства пластмасс, каучуков, красителей и растворителей.

Рис. 105.
Хлор и его соединения применяют для производства химических продуктов:
1 — синтетического каучука; 2 — пластмасс; 3 — химических средств защиты растений; 4 — соляной кислоты; 5 — брома и иода; 6 — лекарственных средств; 7 — синтетических волокон; 8—10 — хлорной извести, используемой для отбеливания тканей (8) и бумаги (9), хлорирования воды (10); 11 — органических растворителей

Многие хлорсодержащие соединения используют для борьбы с вредителями сельского хозяйства. В больших количествах соединения хлора (хлорная известь) необходимы для обеззараживания питьевой воды, правда, далеко не без отрицательных последствий (какое вещество безопаснее применять для этой цели?). В цветной металлургии методом хлорирования из руд извлекают некоторые металлы (титан, ниобий, тантал).

Хлор нашёл применение и в военных целях в качестве боевого отравляющего вещества. Позднее он был заменён другими, более эффективными хлорсодержащими отравляющими веществами, например фосгеном СОСl₂.

Хлор содержится в очень опасном для жизни и здоровья веществе — диоксине. Летучие соединения хлора — одна из причин разрушения озонового слоя Земли.

Бром. Ещё один галоген — бром также весьма важен для организма человека. Соединения этого элемента регулируют процессы возбуждения и торможения центральной нервной системы, поэтому для лечения нервных болезней (бессонницы, истерии, неврастении и т. д.) врачи прописывают бромсодержащие препараты.

Бром активно накапливают некоторые растения, в том числе морские водоросли. Именно в море сосредоточена большая часть брома на нашей планете, и море служит главным поставщиком брома. Подсчитано, что ежегодно вместе с морской водой в воздух переходит около 4 млн т брома. Понятно, что содержание его в воздухе приморских районов всегда больше, чем в районах, далёких от моря.

Не менее важную роль бром, а точнее, бромид серебра AgBr играет в фотографии. Фотобумага содержит нанесённый на неё с помощью желатина слой бромида серебра, который легко разлагается под действием света:

Иод. Последний из рассматриваемых нами галогенов — иод — элемент, без которого человек не может жить: недостаток его в воде и пище снижает выработку гормонов щитовидной железы и приводит к заболеванию эндемическим зобом. Гормоны щитовидной железы регулируют мышечную деятельность, работу сердца и мозга, а также аппетит, пищеварение.

Иод поступает в организм вместе с водой, воздухом и пищей: хлебом, яйцами, молоком, водой, морской капустой (рис. 106).

Рис. 106.
Иод поступает в организм человека с пищей

Спиртовой раствор иода (5—10%-й), называемый йодной настойкой, применяют для обработки ран (рис. 107). Иод входит в состав многих лекарств.

Рис. 107.
Спиртовая настойка иода есть в каждой аптечке

Главными потребителями иода являются фармацевтическая и химическая промышленность, а также производство светочувствительных фотоматериалов.

Новые слова и понятия

1. Получение галогенов электролизом расплавов и растворов солей.
2. Биологическое значение галогенов.
3. Применение хлора и соединений фтора, хлора и иода.

Задания для самостоятельной работы

1. Вычислите объём хлора (н. у.) и массу натрия, которые можно получить при электролизе 585 г хлорида натрия, содержащего 2% примесей.
2. Рассчитайте, сколько граммов 40%-го раствора щёлочи можно получить из натрия, массу которого вы определили в предыдущей задаче.
3. Французский химик К. Шееле получил хлор по реакции оксида марганца (IV) с соляной кислотой. В результате этой реакции образуются также хлорид марганца (II) и вода. Составьте уравнение этой реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы и рассчитайте массу оксида марганца (IV) и количество хлороводорода, необходимых для получения 100 л хлора (н. у.), если выход его составляет 95% от теоретически возможного.
4. Подготовьте сообщение о положительном и отрицательном значении галогенов и их соединений в жизни человека.
5. Извечная заповедь медицины: «Малые дозы — лекарство, а большие — яд». Докажите её на примерах из химии галогенов.
6. Английский поэт Уилфред Оуэн, погибший в сражениях Первой мировой войны, написал такие строки:

Газ! Газ! Скорей! — неловкие движенья,
Напяливание масок в едкой мгле!
Один замешкался, давясь и спотыкаясь,
Барахтаясь, как в огненной смоле,
В просветах мутного зелёного тумана.
Бессильный, как во сне, вмешаться и помочь,
Я видел только — вот он зашатался,
Рванулся и поник — бороться уж невмочь.

Какое событие описывает поэт? Какой галоген выступает в страшной роли убийцы? Какие его свойства упоминаются в стихотворении?
Используя свои знания по химии галогенов, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или процесса». Для того чтобы иметь представление, как это делают другие ученики, прочитайте сочинение ученика 9 класса 531-й школы Москвы Ильи Горшкова (1990).

Самый сильный окислитель

Жил-был Кислород. И был он таким сильным, что, с кем ни встретится, сразу окислит. И назвали Кислород окислителем, а вещества, получающиеся в реакции с Кислородом, — оксидами, сам процесс — окислением. Ходит Кислород по таблице Менделеева и со всеми в реакцию вступает. Стал он хвастливым, заносчивым и решил, будто в химическом мире нет никого сильнее его. И всё же Кислород ошибся. Как-то раз встретил он в таблице Фтор. Решил Кислород окислить Фтор. Позвал он на помощь Водород и, образовав в соединении с ним воду, пошёл в наступление на Фтор. И произошло чудо. Вода, которой тушат пожары, сама загорелась во Фторе. Кислород, считавшийся окислителем, в этой реакции стал восстановителем. Так Фтор превзошёл Кислород и оказался самым сильным из окислителей.

Какие химические понятия осветил Илья в своём сочинении? Выпишите их и дайте их определения.

Источник