Номер C, страница 129 - гдз по химии 9 класс учебник Усманова, Сакарьянова

C

1. Почему фтор в соединениях не может проявлять валентности III, V, VII ?

2. Почему иодоводород разлагается при нагревании на простые вещества, а фтороводород – нет?

3. Как изменяются окислительно-восстановительные свойства галогенов по группе сверху вниз?

1. Почему фтор в соединениях не может проявлять валентности III, V, VII ?

Фтор (F) является элементом второго периода, его электронная конфигурация $1s^2 2s^2 2p^5$. На его внешнем (втором) электронном уровне находятся 7 валентных электронов, из которых один неспаренный. Это определяет его валентность, равную I, в основном (невозбужденном) состоянии.

Для проявления более высоких валентностей (III, V, VII) атом должен иметь возможность распаривать свои электронные пары и переводить электроны на свободные орбитали того же энергетического уровня. У других галогенов, например у хлора (Cl), который находится в третьем периоде ($3s^2 3p^5$), есть свободный d-подуровень на третьем энергетическом уровне ($3d^0$). При получении энергии атом хлора может переводить электроны с 3s- и 3p-подуровней на 3d-подуровень, создавая 3, 5 или 7 неспаренных электронов и проявляя валентности III, V и VII соответственно.

У фтора же второй энергетический уровень состоит только из s- и p-подуровней; d-подуровень на втором уровне отсутствует (2d-орбитали не существует). Перевод электронов на следующий, третий, энергетический уровень требует огромного количества энергии и в химических реакциях не происходит. Таким образом, у атома фтора нет возможности для возбуждения с увеличением числа неспаренных электронов.

Кроме того, фтор — самый электроотрицательный элемент. Он всегда притягивает к себе электроны и в соединениях (кроме $F_2$) проявляет только степень окисления -1. Проявление положительных степеней окисления, которые соответствовали бы высоким валентностям, для него невозможно.

Ответ: У фтора, в отличие от других галогенов, на внешнем электронном уровне (n=2) отсутствуют свободные d-орбитали, куда могли бы перемещаться электроны для распаривания. Поэтому фтор не может переходить в возбужденное состояние и проявлять валентности выше I.

2. Почему иодоводород разлагается при нагревании на простые вещества, а фтороводород — нет?

Различие в термической устойчивости фтороводорода (HF) и иодоводорода (HI) объясняется разной прочностью химической связи между атомами водорода и галогена (H–F и H–I).

Прочность связи в ряду галогеноводородов H–F, H–Cl, H–Br, H–I уменьшается сверху вниз по группе. Это связано с увеличением радиуса атома галогена. Атом фтора имеет самый маленький радиус, а атом иода — самый большой среди галогенов. Из-за этого длина связи H–F (92 пм) значительно меньше, чем длина связи H–I (161 пм). Чем короче связь, тем она прочнее.

Энергия, необходимая для разрыва связи, подтверждает этот факт:

• Энергия связи H–F составляет 567 кДж/моль.
• Энергия связи H–I составляет 299 кДж/моль.

Связь в молекуле фтороводорода очень прочная. Чтобы разорвать ее и разложить вещество на простые вещества ($2HF \rightarrow H_2 + F_2$), требуется очень высокая температура (около 4000 °C). Поэтому в обычных условиях фтороводород является термически очень устойчивым соединением.

Напротив, связь в молекуле иодоводорода значительно слабее. Уже при незначительном нагревании (около 180 °C) иодоводород начинает заметно разлагаться на простые вещества: $2HI \rightleftharpoons H_2 + I_2$.

Ответ: Фтороводород не разлагается при нагревании из-за очень высокой прочности связи H–F, обусловленной малым размером атома фтора. Иодоводород легко разлагается, так как связь H–I является слабой из-за большого размера атома иода и, соответственно, большой длины связи.

3. Как изменяются окислительно-восстановительные свойства галогенов по группе сверху вниз?

Окислительно-восстановительные свойства галогенов (элементов VIIA группы) закономерно изменяются при движении по группе сверху вниз (от фтора к астату).

Окислительные свойства (способность принимать электроны) проявляют простые вещества-галогены ($F_2, Cl_2, Br_2, I_2$). Реакция выглядит так: $X_2 + 2e^- \rightarrow 2X^-$. При движении по группе сверху вниз радиус атомов увеличивается, а электроотрицательность уменьшается. Ядру становится все труднее притягивать электроны с внешних оболочек других атомов. Поэтому окислительная активность галогенов ослабевает в ряду:

$F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$

Фтор ($F_2$) — самый сильный окислитель среди всех химических элементов. Он окисляет все другие галогенид-ионы. Хлор ($Cl_2$) может окислить бромид- и иодид-ионы, но не фторид-ион. Бром ($Br_2$) окисляет только иодид-ион, а иод ($I_2$) — самый слабый окислитель в этом ряду, не способный окислить другие галогенид-ионы.

Восстановительные свойства (способность отдавать электроны) проявляют галогенид-ионы ($F^-, Cl^-, Br^-, I^-$). Реакция выглядит так: $2X^- - 2e^- \rightarrow X_2$. Способность иона отдавать "лишний" электрон зависит от того, насколько прочно ядро его удерживает. С увеличением радиуса иона (сверху вниз по группе) внешний электрон находится дальше от ядра и удерживается слабее. Поэтому восстановительная способность галогенид-ионов усиливается в ряду:

$F^- < Cl^- < Br^- < I^-$

Иодид-ион ($I^-$) является сильным восстановителем, в то время как фторид-ион ($F^-$) практически не проявляет восстановительных свойств.

Ответ: При движении по группе галогенов сверху вниз окислительные свойства простых веществ ($X_2$) ослабевают, а восстановительные свойства соответствующих им галогенид-ионов ($X^-$) усиливаются.