[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]

После рассмотрения

самого простого элемента, водорода, мы переходим в следующим элементам.

Это элементы VII группы главной подгруппы.

Их групповое название — галогены, и это фтор, хлор, бром, иод и астат.

Эти элементы встречают нас большим разнообразием и соединений,

которые они образуют, и степеней окисления, которые они проявляют, и,

соответственно, свойствами тех веществ, в которых они присутствуют.

Степени окисления для этих элементов изменяются от −1 до +7,

и для хлора возможны проявления всех возможных степеней окисления.

Для фтора, конечно же, это меньше, это будет только −1 и 0,

но также меньше будет и для других элементов.

Кроме того, астат — это радиоактивный элемент с периодом полураспада

чуть больше восьми часов, поэтому как таковой химии у этого элемента нет,

она очень напоминает химию элементов-аналогов в этой подгруппе.

Как же распространены эти элементы в природе?

Оказывается, их содержание достаточно велико.

Самым распространенным является фтор,

а дальше при движении по группе сверху вниз распространенность падает.

Фтор входит в состав минерала полевого шпата или флюорита,

основным компонентом которого является CaF2.

Хлор образует несколько собственных минералов.

Наиважнейшие из них — это галит (NaCl),

сильвинит (смесь KCl и NaCl), а также карналлит,

в состав которого входит и NaCl, и MgCl2, и кристаллизационная вода.

Бром и иод чрезвычайно редко образуют собственные минералы и в

основном присутствуют в природе в растворенном виде в морской воде,

именно оттуда их в основном и выделяют.

Также иодат натрия (NaIO3) иногда сопутствует

месторождениям нитратов, откуда его также можно добывать.

Как были открыты эти элементы?

Несмотря на то, что их так много, они не являются элементами древности и

были открыты уже, начиная со Средних веков и заканчивая XX веком.

Первым из элементов, конечно же, был открыт хлор.

Честь открытия этого элемента принадлежит шведскому химику Карлу Шееле,

он смог это сделать в 1774 году.

Действием соляной кислоты на MnO2 Карлу Шеели удалось

получить элементарный хлор, то есть хлор в виде простого вещества.

Позднее, в 1825 году,

малоизвестный французский химик Антуан Балар открыл бром.

И даже приписывается известнейшему химику Юстусу Либиху выражение,

что это не Балар открыл бром, а бром открыл для нас Балара.

Хотя, в целом, оно не соответствует действительности.

Очень интересна история открытия иода.

Этот элемент, говорят, был открыт совершенно случайно,

и в этом виновата обычная домашняя кошка.

Жила она, правда, у Бернара Куртуа, другого француза.

Говорят, что эта кошка случайно столкнула склянку с концентрированной

серной кислотой, попавшей в NaI.

Выделился газообразный иод в виде фиолетовых паров.

Так был открыт этот элемент.

И совсем уж поразительна история открытия фтора.

Многие химики и физики боролись за открытие этого неизвестного элемента,

пытались его получить.

Многих, к сожалению, настигла даже гибель, поскольку этот элемент чрезвычайно опасен.

Получить его удалось французу Муассану.

Он был удостоен Нобелевской премии, но вовсе не за открытие фтора.

Он получил Нобелевскую премию за то,

что смог сконструировать электропечь, с помощью которой получил многие карбиды.

Об этих веществах мы еще поговорим в лекции, посвященной углероду.

Как же Муассану удалось получить фтор?

Фтор является самым электроотрицательным элементом.

Он расположен в правом верхнем углу периодической системы и поэтому является

самым электроотрицательным, самым сильным окислителем.

Поэтому Муассану удалось получить фтор только с помощью электролиза.

Курьезный случай произошел, когда Парижская академия наук не поверила ему и

решила проверить его достижение в лаборатории.

Муассан подготовился очень серьезно.

Он хорошо очистил жидкий HF, жидкий фтороводород,

для того чтобы опыт прошел идеально.

Но к большому удивлению Муассана и к великой радости,

наверно, тех академиков, которые пришли его проверить, при таком демонстрационном

эксперименте никакого фтора у Муассана в лаборатории не получилось.

Естественно, он как истинный ученый разобрался, в чем же причина, и выяснил,

что жидкий HF обладает чрезвычайно низкой электрической

проводимостью, и, добавив в этот раствор соль KF,

повысив электропроводность этого раствора, Муассану удалось уже получить фтор,

и он заслуженно теперь носит имя первооткрывателя этого элемента.

Астат был открыт уже в XX веке.

В 1940 году американцы Корсон, Маккензи и Сегре смогли его получить,

бомбардируя мишень из висмута с помощью альфа-частиц.

Это радиоактивный элемент с периодом полураспада чуть более восемь часов.

Откуда же берутся названия галогенов?

Фтор происходит от греческого φθόρος, что означает «разрушение» или «гибель».

Английское название fluorine происходит от слова fluere,

что означает «течь» с латинского языка.

Поэтому так и сложилось, что у фтора два названия.

Именно поэтому флюорит и называется флюоритом — его добавляли

металлурги при выплавке стали, для того чтобы увеличить ее текучесть.

Хлор (χλωρόζ) в переводе с греческого означает «желто-зеленый»,

название произошло из-за цвета простого вещества.

Бром (βρῶμοςс) в переводе с греческого означает «зловонный», это один из

двух элементов периодической системы, который назван именно из-за запаха.

Многие другие назывались по цвету, по фамилии ученых, их открывших,

в честь стран и так далее, но элементов, которые названы из-за запаха, всего два,

один из них бром.

Иод (ἰώδης ) в переводе с греческого означает «фиалковый» или «фиолетовый», и,

опять же, это название характеризует цвет простого вещества, пары иода фиолетовые.

Астат (ἄστατος) в переводе с греческого означает «неустойчивый»,

что в полной мере соответствует его радиоактивности.

Как можно получить галогены в лаборатории и в промышленности?

Фтор получают в результате действия концентрированной

серной кислоты на плавиковый шпат, на флюорит: CaF2 + H2SO4.

Получается газообразный HF и малорастворимый CaSO4.

HF сжижают, добавляют KF, получают легкоплавкое соединение KF * nHF.

Электролиз расплава этого соединения дает тот самый фтор,

который выделяется на аноде.

Как получить хлор?

В промышленности хлор получают точно так же электролитическим способом.

Электролизу подвергают либо раствор NaCl, либо расплав NaCl.

Если проводят электролиз раствора NaCl, — хлор выделяется,

конечно же, на аноде, — то на катоде выделяется водород.

Очень важно в этом процессе не смешивать катодное и анодное пространство,

которое разделяют мембраной.

Также очень важно в этом процессе покрывать анод

с помощью оксида RuO2, поскольку он препятствует окислению воды.

В лаборатории хлор получить гораздо проще действием соляной

кислоты практически на любой окислитель.

Это может быть KMnO4, MnO2, K2Cr2O7, KClO3 и многие-многие другие.

Ключевой реакцией в химии галогенов является их растворение в воде.

Это физико-химический процесс.

Давайте посмотрим, что здесь происходит.

В целом, растворимость галогенов в воде очень невысокая: у хлора это всего лишь

0,73 %, у брома — 3,6 %, у иода — 0,03 %.

Это в полной мере соответствует их строению: это двухатомные молекулы

с неполярной химической связью, тогда как молекулы воды полярны.

Подобное должно растворятся в подобном,

поэтому галогены хорошо растворяются в неполярных органических растворителях,

таких как толуол, эфир или четыреххлористый углерод (CCl4).

С помощью этих растворителей галогены можно перевести из водного

раствора в органическую фазу.

Этот процесс называется экстракцией.

Но при растворении галогенов в воде, помимо физического растворения,

происходит также и химический процесс.

Галогены в степени окисления 0 в воде превращаются в два вещества:

HX и HXO, имеющие степень окисления, соответственно, −1 и +1.

Этот процесс называется процессом диспропорционирования,

поскольку одна степень окисления 0 превращается в две других: +1 и −1.

Правда, константы равновесия этих процессов, — а процесс

диспропорционирования галогенов в в воде сильно обратим, — невелики.

Константа равновесия для хлора всего лишь 10 в −4,

для брома и того меньше — 10 в −8, а для иода 10 в −13.

Существенно равновесие сдвигается вправо в щелочной среде за счет того,

что константы сильно возрастают: 10 в 15 для хлора, 10 в 8 для брома и 30 для иода.

Важным является также и то, что образующийся гипогалогенит-анион

обладает способностью дальше диспропорционировать с образованием

галогенат-ионов XO3−, в котором галоген находится в степени окисления +5,

и галогенит-ионов, в котором галоген находится в степени окисления −1.

Но это диспропорционирование кинетически затруднено.

Кинетический запрет снимается с помощью нагревания.

Для хлора при температуре 70–80 °C уже практически необратимо

идет диспропорционирование простого вещества с образованием галогенат-иона

хлора 3− (хлорат) и галогенит-иона Cl− (хлорид).

Для брома эта температура ниже — 50 °C, а для иода уже при 20

°C равновесие практически полностью сдвинуто в сторону галогенат-ионов.

Это находит применение в промышленности.

Так, взаимодействие хлора с NaOH при 0 °C дает смесь NaCl и NaClO,

которая называется «жавелевая вода».

Она используется для отбеливания тканей и бумаги.

Взаимодействие хлора с Ca(OH)2 дает другой важный продукт.

Это хлорная, или белильная, известь Ca(OCl)2,

которая используется для дезинфекции в больницах и в бассейнах.

3.4. Галогены — элементы, рождающие соли

Неорганическая химия

Meet the Instructors