Страница 129 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какие вещества называют галогенами? Как изменяется химическая активность галогенов при движении вниз по подгруппе?

Какие вещества называют галогенами?

Галогенами (от греческих слов hals — соль и genos — рождающий, то есть «рождающие соли») называют химические элементы 17-й группы (или VIIA группы по старой классификации) периодической системы Д.И. Менделеева. К ним относятся фтор ($F$), хлор ($Cl$), бром ($Br$), иод ($I$) и радиоактивный астат ($At$). Также к этой группе относится искусственно синтезированный теннессин ($Ts$).

В виде простых веществ галогены представляют собой двухатомные молекулы ($F_2$, $Cl_2$, $Br_2$, $I_2$). Это типичные неметаллы и сильные окислители. Их название связано со способностью непосредственно реагировать с большинством металлов, образуя соли, например, хлорид натрия $NaCl$. Атомы галогенов имеют на внешнем энергетическом уровне 7 электронов (общая электронная конфигурация валентных электронов $ns^2np^5$), поэтому для завершения уровня им не хватает одного электрона. Это обуславливает их высокую химическую активность и ярко выраженную способность принимать электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (галогенид-ион) со степенью окисления -1.

Ответ: Галогены — это химические элементы 17-й группы периодической системы (фтор, хлор, бром, иод, астат), которые являются типичными неметаллами и сильными окислителями.

Как изменяется химическая активность галогенов при движении вниз по подгруппе?

При движении вниз по подгруппе галогенов, то есть в ряду от фтора к иоду ($F \rightarrow Cl \rightarrow Br \rightarrow I$), их химическая активность как окислителей закономерно уменьшается. Фтор является самым химически активным галогеном и самым сильным окислителем среди всех элементов.

Это изменение объясняется строением их атомов. При движении вниз по группе с увеличением порядкового номера элемента растет число электронных слоев, и, следовательно, увеличивается радиус атома. Внешние (валентные) электроны оказываются дальше от положительно заряженного ядра и слабее с ним связаны из-за экранирующего действия внутренних электронных слоев. В результате способность атома притягивать к себе электроны (то есть его электроотрицательность) уменьшается. Так как химическая активность неметаллов напрямую связана с их способностью принимать электроны, она также ослабевает.

Эта закономерность проявляется, например, в реакциях вытеснения. Более активный галоген, стоящий выше в группе, способен вытеснять менее активный (нижестоящий) из растворов его солей (галогенидов):

$Cl_2 + 2KBr \rightarrow 2KCl + Br_2$

$Br_2 + 2KI \rightarrow 2KBr + I_2$

При этом обратные реакции не протекают.

Также это видно на примере реакций с водородом: фтор реагирует с водородом со взрывом даже в темноте и при низких температурах; хлор реагирует со взрывом только на свету; реакция с бромом требует нагревания; а реакция с иодом протекает медленно, обратимо и только при сильном нагревании.

Ответ: При движении вниз по подгруппе галогенов их химическая активность уменьшается.

2. Чему равны низшая и высшая степени окисления:

а) фтора;

б) хлора?

а) фтора;

Степень окисления — это условный заряд атома в молекуле, вычисленный в предположении, что все связи в соединении являются ионными.

Фтор (F) — химический элемент 17-й группы (VIIA группа) второго периода. Его электронная конфигурация $1s^22s^22p^5$. На внешнем энергетическом уровне у него 7 электронов.

Фтор является самым электроотрицательным элементом. Это означает, что в химических соединениях он всегда притягивает к себе электроны и никогда их не отдает.

Низшая степень окисления: Для завершения внешнего электронного слоя до стабильного октета (8 электронов) атому фтора необходимо принять один электрон. Принимая один электрон, фтор приобретает степень окисления –1. Это его единственная отрицательная и, следовательно, низшая степень окисления в соединениях (например, в $HF$, $NaF$).

Высшая степень окисления: Поскольку фтор никогда не отдает свои валентные электроны, он не может иметь положительную степень окисления. Его степень окисления в виде простого вещества (молекулы $F_2$) равна 0. Это и есть его высшая возможная степень окисления.

Ответ: низшая степень окисления фтора равна –1, высшая — 0.

б) хлора?

Хлор (Cl) — химический элемент 17-й группы (VIIA группа) третьего периода. Его электронная конфигурация $[Ne]3s^23p^5$. Как и у фтора, на внешнем уровне у него 7 электронов.

Низшая степень окисления: Хлор — сильный окислитель, но менее электроотрицательный, чем фтор и кислород. В соединениях с металлами и водородом он, как и фтор, принимает один электрон для завершения октета. Низшая степень окисления для неметаллов VIIA группы равна номеру группы минус 8: $7 - 8 = -1$. Пример: в соединении $HCl$ степень окисления хлора –1.

Высшая степень окисления: В отличие от фтора, хлор может проявлять положительные степени окисления в соединениях с более электроотрицательными элементами (фтором и кислородом). Максимальная (высшая) степень окисления для элементов главных подгрупп обычно равна номеру группы. Для хлора, находящегося в VIIA группе, высшая степень окисления равна +7. Это происходит, когда атом хлора отдает все 7 своих валентных электронов. Например, в оксиде хлора(VII) ($Cl_2O_7$) и в перхлоратах ($KClO_4$) степень окисления хлора равна +7. Хлор также может проявлять и промежуточные положительные степени окисления: +1, +3, +5.

Ответ: низшая степень окисления хлора равна –1, высшая — +7.

3. Какой из галогенов наиболее энергично реагирует с водородом? Напишите уравнение реакции.

Галогены – это элементы 17-й группы Периодической системы химических элементов. К ним относятся фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) и иод (I). Химическая активность галогенов как окислителей уменьшается в группе сверху вниз (от фтора к иоду). Это связано с уменьшением их электроотрицательности и увеличением радиуса атомов.

Какой из галогенов наиболее энергично реагирует с водородом?

Наиболее энергично с водородом реагирует фтор ($F_2$). Фтор — самый электроотрицательный и химически активный из всех элементов. Его реакция с водородом ($H_2$) протекает со взрывом даже в полной темноте и при очень низких температурах (например, при температуре жидкого водорода -252 °C).

Активность других галогенов в реакции с водородом значительно ниже:

- Хлор ($Cl_2$) реагирует с водородом со взрывом только под действием света (квантов света) или при нагревании.

- Бром ($Br_2$) вступает в реакцию с водородом только при сильном нагревании, и реакция не доходит до конца.

- Иод ($I_2$) реагирует с водородом медленно, обратимо и только при длительном нагревании.

Таким образом, фтор является галогеном, который реагирует с водородом наиболее бурно и энергично.

Напишите уравнение реакции.

Уравнение реакции взаимодействия водорода с фтором, в результате которой образуется фтороводород (HF):

$H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$

Ответ: Наиболее энергично с водородом реагирует фтор. Уравнение реакции: $H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$.

4. Какой из галогенов реагирует с твёрдым хлоридом натрия? Напишите уравнение реакции.

Решение

Галогены — это химические элементы 17-й группы периодической таблицы. Их окислительная активность (способность вытеснять другие галогены из их солей) уменьшается при движении сверху вниз по группе. Ряд активности галогенов выглядит следующим образом: фтор ($F_2$) > хлор ($Cl_2$) > бром ($Br_2$) > иод ($I_2$).

Это правило означает, что любой галоген может вытеснить из солей (галидов) те галогены, которые стоят правее (ниже) него в этом ряду. В данном случае у нас есть хлорид натрия ($NaCl$), соль хлора. Чтобы вытеснить хлор из этой соли, нужен более активный галоген.

Согласно ряду активности, единственным галогеном, который активнее хлора, является фтор ($F_2$). Бром и иод менее активны, поэтому они не будут реагировать с хлоридом натрия.

Таким образом, фтор будет реагировать с твёрдым хлоридом натрия, вытесняя из него хлор. В результате реакции образуются фторид натрия и газообразный хлор.

Уравнение химической реакции: $2NaCl_{(тв)} + F_{2(г)} \rightarrow 2NaF_{(тв)} + Cl_{2(г)}$

Ответ: С твёрдым хлоридом натрия реагирует фтор. Уравнение реакции: $2NaCl + F_2 \rightarrow 2NaF + Cl_2$.

5. Приведите пример реакции между простым и сложным веществом, если в состав их молекул входят только галогены и водород.

Решение

В соответствии с заданием, необходимо найти пример химической реакции между простым и сложным веществом, при условии, что в состав их молекул входят только атомы водорода и галогенов (элементов VIIA группы: F, Cl, Br, I).

1. Простое вещество — это вещество, состоящее из атомов только одного химического элемента. Исходя из условия, это может быть молекулярный водород ($H_2$) или один из галогенов в виде двухатомной молекулы ($F_2$, $Cl_2$, $Br_2$, $I_2$).

2. Сложное вещество — это вещество, состоящее из атомов двух или более химических элементов. По условию, это должно быть соединение водорода и галогена, то есть галогеноводород (например, $HCl$, $HBr$ и т.д.).

Реакция между простым и сложным веществом, в результате которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, называется реакцией замещения.

В ряду галогенов их химическая активность уменьшается в порядке: $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$. Это означает, что каждый вышестоящий (более активный) галоген способен вытеснять нижестоящие (менее активные) галогены из их соединений с водородом.

Рассмотрим в качестве примера реакцию между простым веществом — хлором ($Cl_2$) — и сложным веществом — бромоводородом ($HBr$). Так как хлор более активен, чем бром, он будет замещать бром в молекуле $HBr$.

Уравнение реакции:

$Cl_2 + 2HBr \rightarrow 2HCl + Br_2$

В данном примере:

• $Cl_2$ (хлор) — простое вещество, состоящее из атомов галогена.
• $HBr$ (бромоводород) — сложное вещество, состоящее из атомов водорода и галогена.

Продуктами реакции являются хлороводород ($HCl$) и бром ($Br_2$), которые также состоят только из атомов водорода и галогенов.

Ответ: Примером такой реакции является взаимодействие хлора с бромоводородом: $Cl_2 + 2HBr \rightarrow 2HCl + Br_2$.

6. Даны следующие вещества: оксид марганца(IV), хлорид калия, бромид калия, магний, серная кислота. Требуется получить соляную кислоту, хлор, бром, хлорид магния, бромид магния. Напишите уравнения реакций.

Для получения требуемых веществ из предложенного списка реагентов (оксид марганца(IV) $MnO_2$, хлорид калия $KCl$, бромид калия $KBr$, магний $Mg$, серная кислота $H_2SO_4$) необходимо провести следующие химические реакции:

Соляная кислота

Для получения соляной кислоты ($HCl$) необходимо провести реакцию обмена между твёрдым хлоридом калия и концентрированной серной кислотой при нагревании. Этот метод основан на вытеснении летучей кислоты ($HCl$) из её соли ($KCl$) менее летучей кислотой ($H_2SO_4$).

Ответ: $2KCl_{(тв.)} + H_2SO_4_{(конц.)} \xrightarrow{t} K_2SO_4 + 2HCl\uparrow$

Хлор

Хлор ($Cl_2$) получают в результате окислительно-восстановительной реакции. В качестве окислителя используется оксид марганца(IV), а в качестве восстановителя — хлорид калия. Реакция протекает в кислой среде, создаваемой серной кислотой, при нагревании.

Ответ: $2KCl + MnO_2 + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} K_2SO_4 + MnSO_4 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$

Бром

Получение брома ($Br_2$) аналогично получению хлора. Бромид калия окисляется оксидом марганца(IV) в присутствии серной кислоты при нагревании.

Ответ: $2KBr + MnO_2 + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} K_2SO_4 + MnSO_4 + Br_2 + 2H_2O$

Хлорид магния

Получение хлорида магния ($MgCl_2$) можно осуществить в два этапа. Сначала необходимо получить соляную кислоту (см. выше), а затем провести реакцию между полученной кислотой и металлическим магнием.

1. Получение соляной кислоты:

$2KCl + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2HCl$

2. Реакция соляной кислоты с магнием:

$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow$

Ответ: 1) $2KCl + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2HCl$; 2) $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow$

Бромид магния

Бромид магния ($MgBr_2$) также получают в две стадии. Сначала получают элементарный бром (см. выше), а затем он вступает в реакцию соединения с магнием.

1. Получение брома:

$2KBr + MnO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + MnSO_4 + Br_2 + 2H_2O$

2. Реакция брома с магнием:

$Mg + Br_2 \rightarrow MgBr_2$

Ответ: 1) $2KBr + MnO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + MnSO_4 + Br_2 + 2H_2O$; 2) $Mg + Br_2 \rightarrow MgBr_2$

Лабораторный опыт 7. Вытеснение галогенами друг друга из растворов солей

В две пробирки налейте по 1 мл раствора иодида натрия. В одну из пробирок осторожно добавьте несколько капель хлорной воды, а в другую — бромной воды. Что наблюдаете? Проделайте аналогичный опыт с бромидом натрия, добавляя в него хлорную и иодную воду, и с хлоридом натрия, добавляя в него иодную и бромную воду. В каких случаях реакции протекают? Запишите уравнения реакций. Выпишите формулы простых веществ — галогенов в порядке уменьшения их химической активности.

Что наблюдаете?

При добавлении хлорной воды к раствору иодида натрия наблюдается изменение цвета раствора с бесцветного на желто-бурый. Это свидетельствует о выделении молекулярного иода ($I_2$).

При добавлении бромной воды к раствору иодида натрия также наблюдается изменение цвета раствора на желто-бурый, что указывает на вытеснение иода из его соли.

В остальных случаях наблюдения будут следующими:

• При добавлении хлорной воды к бромиду натрия раствор станет желто-оранжевым из-за образования брома ($Br_2$).
• При добавлении иодной воды к бромиду натрия видимых изменений не произойдет.
• При добавлении иодной или бромной воды к хлориду натрия видимых изменений не произойдет.

Ответ: При добавлении хлорной или бромной воды к раствору иодида натрия наблюдается потемнение раствора до желто-бурого цвета.

В каких случаях реакции протекают? Запишите уравнения реакций.

Реакции протекают в тех случаях, когда более активный галоген (расположенный выше в периодической таблице) вытесняет менее активный галоген из раствора его соли.

Реакции протекают в следующих случаях:

1. Хлор вытесняет иод из иодида натрия: $Cl_2 + 2NaI \rightarrow 2NaCl + I_2$
2. Бром вытесняет иод из иодида натрия: $Br_2 + 2NaI \rightarrow 2NaBr + I_2$
3. Хлор вытесняет бром из бромида натрия: $Cl_2 + 2NaBr \rightarrow 2NaCl + Br_2$

Реакции не протекают в следующих случаях:

• Иод с бромидом натрия ($I_2 + NaBr$)
• Иод с хлоридом натрия ($I_2 + NaCl$)
• Бром с хлоридом натрия ($Br_2 + NaCl$)

Ответ: Реакции протекают при взаимодействии $Cl_2$ с $NaI$, $Br_2$ с $NaI$, $Cl_2$ с $NaBr$.

Уравнения реакций:

$Cl_2 + 2NaI \rightarrow 2NaCl + I_2$

$Br_2 + 2NaI \rightarrow 2NaBr + I_2$

$Cl_2 + 2NaBr \rightarrow 2NaCl + Br_2$

Выпишите формулы простых веществ — галогенов в порядке уменьшения их химической активности.

На основе проведенных опытов можно сделать вывод о химической активности галогенов. Хлор ($Cl_2$) вытесняет и бром, и иод из их солей, значит, он самый активный. Бром ($Br_2$) вытесняет иод, но не может вытеснить хлор, значит, он менее активен, чем хлор, но активнее иода. Иод ($I_2$) не вытесняет ни хлор, ни бром, следовательно, он наименее активный из трех.

Таким образом, ряд химической активности галогенов в порядке ее уменьшения выглядит так: хлор, бром, иод.

Ответ: $Cl_2$, $Br_2$, $I_2$.