Номер 1, страница 71 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Как получают галогеноводороды в промышленности и лаборатории? Как изменяется скорость реакции синтеза галогеноводородов в зависимости от природы галогена?

Получение галогеноводородов в промышленности и лаборатории

Способы получения галогеноводородов ($HX$, где $X$ — это галоген) различаются в зависимости от масштаба производства (промышленный или лабораторный) и природы конкретного галогена.

Промышленные методы:

• Основной промышленный метод получения хлороводорода ($HCl$) и бромоводорода ($HBr$) — это прямой синтез из простых веществ: водорода и соответствующего галогена. Реакция является цепной и экзотермической.
  $H_2 + X_2 \rightarrow 2HX$
  Для $HCl$: реакция горения водорода в атмосфере хлора.
  $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$
  Для $HBr$: реакцию проводят при нагревании ($200-400°C$) и с использованием катализаторов (например, платины или активированного угля), так как она менее активна и обратима.
  $H_2 + Br_2 \rightleftharpoons 2HBr$
• Фтороводород ($HF$) в промышленности получают действием концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) на природный минерал флюорит ($CaF_2$) при нагревании. Прямой синтез не используется из-за чрезвычайной взрывоопасности реакции фтора с водородом.
  $CaF_2 + H_2SO_4 \xrightarrow{200-250°C} CaSO_4 + 2HF\uparrow$
• Иодоводород ($HI$) прямым синтезом практически не получают из-за низкой скорости и сильной обратимости реакции. Его получают, например, восстановлением иода сероводородом в водной среде:
  $I_2 + H_2S \rightarrow 2HI + S\downarrow$

Лабораторные методы:

• Общий метод — действие сильной нелетучей кислоты на твердые соли-галогениды при нагревании.
• Для получения $HCl$ и $HF$ используют концентрированную серную кислоту и соответствующие соли (хлорид натрия $NaCl$ или фторид кальция $CaF_2$):
  $NaCl_{(тв)} + H_2SO_4_{(конц)} \xrightarrow{t} NaHSO_4 + HCl\uparrow$
  $CaF_2_{(тв)} + H_2SO_4_{(конц)} \xrightarrow{t} CaSO_4 + 2HF\uparrow$
• Для получения $HBr$ и $HI$ концентрированная серная кислота не подходит, так как она является сильным окислителем и окисляет $HBr$ и $HI$ до свободных галогенов ($Br_2$ и $I_2$). Поэтому используют нелетучую кислоту, не обладающую сильными окислительными свойствами, например, ортофосфорную ($H_3PO_4$):
  $NaBr_{(тв)} + H_3PO_4_{(конц)} \xrightarrow{t} NaH_2PO_4 + HBr\uparrow$
  $NaI_{(тв)} + H_3PO_4_{(конц)} \xrightarrow{t} NaH_2PO_4 + HI\uparrow$
• Другой удобный лабораторный способ получения $HBr$ и $HI$ — гидролиз их соответствующих тригалогенидов фосфора:
  $PBr_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HBr\uparrow$
  $PI_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HI\uparrow$

Ответ: В промышленности $HCl$ и $HBr$ получают в основном прямым синтезом из элементов, а $HF$ — действием серной кислоты на флюорит. В лаборатории $HCl$ и $HF$ получают действием концентрированной $H_2SO_4$ на твердые галогениды, а $HBr$ и $HI$ — действием ортофосфорной кислоты на соли или гидролизом галогенидов фосфора, чтобы избежать побочной реакции окисления.

Изменение скорости реакции синтеза галогеноводородов в зависимости от природы галогена

Скорость реакции прямого синтеза галогеноводородов из простых веществ ($H_2 + X_2 \rightarrow 2HX$) напрямую зависит от химической активности галогена и резко уменьшается в ряду от фтора к иоду.

• Фтор ($F_2$): Самый активный неметалл. Реакция с водородом протекает со взрывом даже в полной темноте и при сверхнизких температурах.
  $H_2 + F_2 \rightarrow 2HF$
• Хлор ($Cl_2$): Менее активен. Реакция с водородом инициируется светом (особенно УФ), нагреванием или катализатором и также протекает со взрывом по цепному механизму. В темноте при комнатной температуре реакция практически не идет.
  $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$
• Бром ($Br_2$): Реагирует с водородом заметно только при нагревании. Реакция протекает спокойно, без взрыва, и является обратимой.
  $H_2 + Br_2 \xrightarrow{t} 2HBr$
• Иод ($I_2$): Наименее активный галоген в этом ряду. Реакция с водородом идет только при сильном нагревании, она медленная, эндотермическая и сильно обратимая (не доходит до конца, устанавливается равновесие).
  $H_2 + I_2 \rightleftharpoons 2HI$

Данная закономерность объясняется уменьшением электроотрицательности атомов и увеличением энергии активации реакции в ряду $F_2 \rightarrow Cl_2 \rightarrow Br_2 \rightarrow I_2$.

Ответ: Скорость реакции синтеза галогеноводородов из простых веществ резко падает при переходе от фтора к иоду в ряду $F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2$. Реакция с фтором протекает со взрывом в темноте и на холоде, с хлором — со взрывом на свету или при нагревании, с бромом — спокойно при нагревании, а с иодом — медленно и обратимо только при сильном нагревании.