Галогены

Важно знать качественные реакции, характерные для галогенов, но преимущественно для галогенид-ионов. Эти реакции позволяют распознавать и отличать их друг от друга или от других анионов, например, от неонов. Начнем с фторид-иона. Если добавить соль алюминия к раствору, содержащему фторид-ион, образуется осадок $AlF_3$ — белого цвета. Ни хлорид-ионы, ни бромид-ионы, ни иодид-ионы не дают плохорастворимых галогенидов алюминия. Таким образом, по реакции с алюминием можно надежно отличить фторид-ион от других галогенид-ионов. Также плохорастворимым является фторид кальция. Еще один распространенный реагент — это ионы серебра(I), например, в виде нитрата серебра ($AgNO_3$). С их помощью можно отличить хлорид-, бромид- и иодид-ионы: $Ag^{+} + Cl^{-} \rightarrow AgCl\downarrow$ (белый творожистый осадок), $Ag^{+} + Br^{-} \rightarrow AgBr\downarrow$ (желтоватый осадок), $Ag^{+} + I^{-} \rightarrow AgI\downarrow$ (светло-желтый осадок). В этих трех случаях образуются нерастворимые осадки, в то время как $AgF$ растворим в воде. Осадки различаются по цвету, что позволяет сравнивать их при одновременном наличии. Другой вариант для идентификации хлорид-, бромид- и иодид-ионов — реакция с ионами свинца(II), например, с нитратом свинца(II) ($Pb(NO_3)_2$). Этот реагент также реагирует с фторид-ионами, поэтому охватывает все галогенид-ионы: $Pb^{2+} + 2F^{-} \rightarrow PbF_2\downarrow$ (белый осадок), $Pb^{2+} + 2Cl^{-} \rightarrow PbCl_2\downarrow$ (белый осадок), $Pb^{2+} + 2Br^{-} \rightarrow PbBr_2\downarrow$ (белый осадок), $Pb^{2+} + 2I^{-} \rightarrow PbI_2\downarrow$ (ярко-желтый осадок). Осадки фторида, хлорида и бромида по цвету практически неотличимы, но иодидный осадок $PbI_2$ имеет характерный яркий желтый цвет, что позволяет уверенно идентифицировать иодид-ионы. Для фторид-ионов характерна также специфическая реакция с кремнием или его соединениями, например, с диоксидом кремния ($SiO_2$) в кислой среде. Можно использовать не чистую плавиковую кислоту ($HF$), а добавлять, например, фторид натрия ($NaF$) и кислоту ($HCl$ или $H_2SO_4$). В результате образуются фтористый водород или его комплексы: $$ SiO_2 + 4HF \rightarrow SiF_4 + 2H_2O, $$ или в избытке фторид-ионов и в кислой среде: $$ SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2SiF_6 + 2H_2O. $$ Эта реакция приводит к растворению стекла или кварца ($SiO_2$) с выделением газообразного $SiF_4$ или образованием гексафторокремниевой кислоты ($H_2SiF_6$). Фторид-ионы в кислой среде генерируют $HF$ in situ, что отличает их от других галогенидов, не реагирующих с $SiO_2$. Рассмотрим получение галогеноводородов. Начнем рассмотрение с получения фтористого водорода ($HF$). Эта реакция протекает следующим образом: $ CaF_2 + H_2SO_4\ (конц.) \rightarrow CaSO_4 + 2HF\uparrow. $ Фторид кальция представляет собой нерастворимое соединение, к нему добавляется концентрированная серная кислота, содержащая минимальное количество воды. В результате выделяющийся $HF$ не остается в растворе и уходит из системы в виде газа. Аналогичным способом получают и хлороводород $HCl$. К твердому хлориду натрия добавляют концентрированную серную кислоту. $ NaCl + H_2SO_4\ (конц.) \rightarrow NaHSO_4 + HCl\uparrow. $ В этих условиях образуется гидросульфат натрия (кислая соль) и выделяется газообразный хлороводород. Часто возникает вопрос: можно ли использовать другую соль? Да, это допустимо, например, $ CaCl_2 + H_2SO_4\ (конц.) \rightarrow CaSO_4 + 2HCl\uparrow, $ где коэффициенты будут иными, но принцип остаётся тем же. Однако если попытаться получить бромоводород $HBr$ аналогичным способом, реакция пойдёт иначе. Возьмём кристаллический бромид натрия и добавим концентрированную серную кислоту: $ 2NaBr + 2H_2SO_4\ (конц.) \rightarrow Na_2SO_4 + Br_2 + SO_2 + 2H_2O. $ Здесь происходит окислительно-восстановительный процесс. Вместо $HBr$ образуются бром и диоксид серы, сульфат натрия и вода. Это связано с окислительными свойствами концентрированной $H_2SO_4$. В терминах электрохимии: бромид-ион ($Br^{-}$, степень окисления -1) окисляется до $Br_2$ (0), а сульфат-ион в $H_2SO_4$ ($S^{+6}$) восстанавливается до $SO_2$ ($S^{+4}$). Ещё более выраженные отличия наблюдаются при попытке получить иодоводород $HI$ таким же способом. Реакция для кристаллического иодида натрия с концентрированной выглядит так: $ 8NaI + 5H_2SO_4\ (конц.) \rightarrow 4I_2 + H_2S + 4Na_2SO_4 + 4H_2O. $ Здесь продуктом восстановления является сероводород, а иод иодид-ионы окисляются до иода. Эти реакции протекают по-другому из-за различных восстановительных свойств бромид- и иодид-ионов, которые вступают в окислительно-восстановительную реакцию с $H_2SO_4$. Чтобы избежать окисления галогенид-ионов и получить бромоводород или иодоводород из солей, необходимо использовать кислоту, которая может быть концентрированной (с минимальным содержанием воды), но не обладает окислительными свойствами. Такой кислотой является ортофосфорная кислота. Общая схема реакции – к кристаллической соли добавляют концентрированный раствор ортофосфорной кислоты. Д...