Галогены — химические элементы VII группы¶

Галогены — химические элементы 17-й группы периодической системы (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы VII группы): фтор, хлор, бром, йод, астат и искусственно полученный теннессин. К галогенам относят также формально водород, хотя его свойства существенно отличаются. Название происходит от греческих слов «соль» и «рождаю», что отражает способность этих элементов образовывать соли при взаимодействии с металлами.

¶Общая характеристика

Атомы галогенов имеют на внешнем электронном уровне семь электронов (конфигурация ns²np⁵), поэтому до завершения октаэдрической оболочки им не хватает одного электрона. Это определяет их высокую химическую активность и ярко выраженные окислительные свойства. В соединениях галогены чаще всего проявляют степень окисления −1, но для хлора, брома и йода характерны также степени +1, +3, +5 и +7.

В свободном состоянии галогены существуют в виде двухатомных молекул (F₂, Cl₂, Br₂, I₂). Все они — неметаллы, при обычных условиях фтор и хлор являются газами, бром — жидкостью, йод — твёрдым кристаллическим веществом. Астат — крайне радиоактивный элемент с периодом полураспада наиболее устойчивого изотопа около 8 часов, поэтому его макроскопические количества не получены.

С ростом атомного номера в ряду F → Cl → Br → I → At усиливаются металлические свойства, уменьшается электроотрицательность и окислительная способность, увеличиваются атомные и ионные радиусы.

¶Физические свойства

¶История открытия

Хлор был получен в 1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле при взаимодействии пиролюзита с соляной кислотой, однако он ошибочно считал его соединением, содержащим кислород. Лишь в 1810 году английский химик Хэмфри Дэви доказал, что хлор — самостоятельный элемент.

Йод открыл в 1811 году французский химик Бернар Куртуа, обнаруживший фиолетовые пары при обработке золы морских водорослей серной кислотой. Бром независимо получили в 1825 году французский химик Антуан Жером Балар и в 1826 году немецкий химик Карл Лёвиг.

Фтор из-за исключительной агрессивности долгое время не удавалось выделить в свободном виде. Это сделал в 1886 году французский химик Анри Муассан электролизом смеси фторида калия и фтороводорода, за что был удостоен Нобелевской премии по химии в 1906 году.

Астат был синтезирован в 1940 году американскими физиками Дейлом Корсоном, Кеннетом Маккензи и Эмилио Сегре при бомбардировке висмута альфа-частицами.

¶Нахождение в природе

Из-за высокой химической активности галогены в свободном состоянии в природе не встречаются. Наиболее распространён хлор — его содержание в земной коре составляет около 0,017 %. Основная масса хлора находится в воде морей и океанов в виде хлоридов натрия, калия, магния. Крупные месторождения каменной соли (галита) имеются в России, в том числе в Соль-Илецке, Усолье-Сибирском, а также в Донбассе.

Фтор встречается главным образом в виде минералов — флюорита (плавикового шпата) CaF₂, криолита Na₃AlF₆ и фторапатита. Бром и йод содержатся в морской воде, подземных рассолах и нефтяных водах. Значительные запасы йода связаны с месторождениями в районах добычи нефти и газовых вод.

¶Химические свойства

Галогены — типичные окислители. Наиболее сильным окислителем является фтор, который реагирует практически со всеми элементами, включая благородные газы (кроме гелия, неона и аргона). Фтор взаимодействует с водой со взрывом, образуя фтороводород и кислород.

Хлор реагирует с металлами, водородом, неметаллами, щелочами. В воде хлор частично диспропорционирует с образованием хлороводородной и хлорноватистой кислот. Бром и йод менее активны, но также проявляют окислительные свойства, причём каждый предыдущий галоген вытесняет последующий из его солей.

С водородом галогены образуют галогеноводороды (HF, HCl, HBr, HI), водные растворы которых являются кислотами. Сила кислот возрастает в ряду HF → HCl → HBr → HI, тогда как термическая устойчивость, напротив, уменьшается.

¶Применение

Фтор используется для получения фторсодержащих полимеров (тефлон), хладагентов, фреонов, а также в производстве фторорганических соединений. Фториды применяются в зубных пастах для профилактики кариеса.

Хлор — один из важнейших продуктов химической промышленности. Его используют для обеззараживания воды, получения соляной кислоты, хлорной извести, органических растворителей, пластмасс (поливинилхлорида), инсектицидов. В России крупными производителями хлора и его соединений являются предприятия химического комплекса в Стерлитамаке, Нижнекамске, Волгограде.

Бром применяется в производстве огнезащитных составов, лекарственных препаратов, фотореактивов, а также в качестве компонента топливных добавок. Йод используется в медицине как антисептик (спиртовой раствор), в производстве йодидов, в аналитической химии, а также в пищевой промышленности (йодированная соль) для профилактики заболеваний щитовидной железы.

¶Биологическая роль

Галогены играют важную роль в живых организмах. Йод входит в состав гормонов щитовидной железы — тироксина и трийодтиронина, регулирующих обмен веществ. Недостаток йода приводит к эндемическому зобу, поэтому во многих регионах России, удалённых от моря, проводится йодирование соли и пищевых продуктов.

Хлор в виде хлорид-ионов участвует в поддержании водно-солевого баланса и кислотно-щелочного равновесия, входит в состав желудочного сока (соляная кислота). Фтор в малых количествах необходим для формирования зубной эмали и костной ткани. Бром в организме содержится в незначительных количествах, его биологическая роль изучена недостаточно.

¶Токсичность и техника безопасности

Все галогены токсичны. Фтор и хлор — сильнодействующие ядовитые вещества, поражающие дыхательные пути. Предельно допустимая концентрация хлора в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м³, фтора — 0,15 мг/м³. Бром вызывает ожоги кожи и слизистых оболочек, пары йода раздражают дыхательные пути.

Работа с галогенами требует соблюдения специальных мер безопасности: использования вытяжных шкафов, средств индивидуальной защиты, герметичной аппаратуры. Хранение и транспортировка жидкого хлора и брома регламентируются нормативными документами.

Источники: Большая российская энциклопедия; Химическая энциклопедия; учебные пособия по общей и неорганической химии; справочные материалы по химии элементов.