Галогены

Итак, перейдём к рассмотрению соединений галогенов с водородом. Общая формула этих соединений — $HHal$, где $Hal$ — фтор, хлор, бром или иод. Прежде всего, обсудим физические свойства. Галогеноводороды при стандартных условиях — газообразные вещества. Водные растворы этих соединений, благодаря их полярности, хорошо растворяются в воде, образуя растворы с кислотными свойствами. Таким образом, водные растворы галогеноводородов являются кислотами. Слабой кислотой является лишь раствор фтороводорода в воде – плавиковая кислота ($HF$), остальные — сильные кислоты. В ряду от раствора хлороводорода ($HCl$) в воде – соляной кислоты – к раствору иодоводорода – иодоводородной кислоте ($HI$) – сила кислот возрастает. Иодоводородная кислота ($HI$) — одна из самых сильных минеральных кислот. Плавиковая кислота ($HF$) обладает особыми свойствами, например, взаимодействует со стеклом или оксидом кремния (IV), который входит в состав стекла. Реакция с оксидом кремния (IV) может быть записана следующим образом: $ SiO_2 + 4HF\ (газ) \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2O. $ Образуется тетрафторид кремния ($SiF_4$) — газ, который улетучивается. В водных растворах и при избытке $HF$ также возможно образование сильной гексафторокремниевой кислоты $H_2[SiF_6]$: $ SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O. $ Раствор $HF$ в воде называется плавиковой кислотой. $HCl$ — соляная кислота, $HBr$ — бромоводородная кислота, $HI$ — иодоводородная кислота. Все галогеноводороды очень хорошо растворимы в воде. Далее рассмотрим реакции гидролиза, например, гидролиз трихлорида фосфора ($PCl_3$): $$ PCl_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HCl, $$ в результате которого образуется фосфористая кислота ($H_3PO_3$) и хлороводород ($HCl$). При взаимодействии с щелочью образуются соответствующие соли. Следует помнить, что фосфористая кислота — двухосновная, поэтому даже при избытке щелочи образуется средняя соль состава $Na_2HPO_3$: $$ H_3PO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2HPO_3 + 2H_2O $$ $$ PCl_3 + 5NaOH \rightarrow Na_2HPO_3 + 3NaCl + 2H_2O $$ Сходная реакция происходит при гидролизе пентахлорида фосфора ($PCl_5$): $$ PCl_5 + 4H_2O \rightarrow H_3PO_4 + 5HCl $$ Образуется ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$) и хлороводород ($HCl$). С щелочью: $$ PCl_5 + 8KOH \rightarrow K_3PO_4 + 5KCl + 4H_2O $$ образуется ортофосфат калия ($K_3PO_4$), хлорид калия ($KCl$) и вода. В этих реакциях степень окисления фосфора не меняется, что характерно для классического гидролиза. Рассмотрим кислородсодержащие кислоты хлора, брома и иода. Хлор образует наибольшее количество кислородсодержащих кислот, их названия необходимо знать. $HClO$ — хлорноватистая кислота (соли — гипохлориты). $HClO_2$ — хлористая кислота (соли — хлориты). $HClO_3$ — хлорноватая кислота (соли — хлораты). $HClO_4$ — хлорная кислота (соли — перхлораты). Бром образует: $HBrO$ — бромноватистая кислота (соли — гипобромиты). $HBrO_3$ — бромноватая кислота (соли — броматы). $HBrO_4$ — бромная кислота (соли — перброматы). Иод образует: $HIO$ – иодноватистая кислота (очень неустойчивая) (соли – гипоиодиты) $HIO_3$ — иодноватая кислота (очень устойчивая) (соли — иодаты). $H_5IO_6$ (можно представить, как $HIO_4 \cdot 2H_2O$) — ортоиодная кислота. Увеличение координационного числа с 4 до 6 объясняется большим размером атома иода, позволяющим разместить большее число атомов кислорода вокруг атома иода. Важно отметить, что иодная кислота ($H_5IO_6$) в водном растворе при реакции со щелочами ведет себя как трёхосновная кислота, в концентрированных щелочах образуются соли, содержащие анион $H_2IO_6^{3-}$ анионы. Среди этих соединений наибольший интерес представляют соединения хлора. Наиболее распространённым является гипохлорит натрия ($NaClO$), который используется для обеззараживания воды в бассейнах и водоёмах, предотвращая развитие микроорганизмов и цветение воды. Гипохлорит натрия $NaClO$ проявляет свойства сильного окислителя. Например, при взаимодействии с сульфитом натрия: $ NaClO + Na_2SO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + NaCl. $ Хлор в гипохлорите натрия переходит из степени окисления +1 в -1 (выступает в качестве окислителя), а сера в сульфите натрия ($Na_2SO_3$) переходит из степени окисления +4 в +6 (выступая в реакции в качестве восстановителя). Стехиометрическое соотношение реагентов в данной реакции 1:1. Теперь перейдем к рассмотрению другой соли — хлората калия $KClO_3$, известного как бертолетова соль. Это соединение при нагревании разлагается. При нагревании без катализатора происходит диспропорционирование хлора: $ 4KClO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} KCl + 3KClO_4. $ Если же использовать катализатор, такой как $MnO_2$, при нагревании, то продукты разложения — хлорид калия и кислород: $ 2KClO_3 \xrightarrow{t^{\circ}C} 2KCl + 3O_2. $ Перхлорат калия при более высокой температуре также разлагается на $KCl$ и $O_2$. Однако в учебных заданиях подчеркивается различие: без катализатора при умеренном нагревании преобладает диспропорционирование, а с катализатором выделяется кислород и хлорид калия. Хлорат калия является силь...