Најважније из лекције
Халогени елементи (\(\text{F}_2, \text{Cl}_2, \text{Br}_2, \text{I}_2\)):
• Неметали 17. групе, граде двоатомне молекуле, изразита оксидациона средства (оксидациона моћ опада: \(\text{F} > \text{Cl} > \text{Br} > \text{I}\)).
• Агрегатна стања: \(\text{F}_2\) и \(\text{Cl}_2\) су гасови, \(\text{Br}_2\) је течност, \(\text{I}_2\) је чврста супстанца која сублимује.
• Киселине: \(\text{HF}\) је слаба киселина и нагриза стакло (\(\text{SiO}_2 + 4\text{HF} \rightarrow \text{SiF}_4 + 2\text{H}_2\text{O}\)); јачина киселина расте: \(\text{HF} < \text{HCl} < \text{HBr} < \text{HI}\).
• Кисеонична једињења хлора: \(\text{HClO}\) (хипохлорити – бељење), \(\text{HClO}_2\) (хлорити), \(\text{HClO}_3\) (хлорати – експлозиви, шибице), \(\text{HClO}_4\) (перхлорати – ракетна горива).
• Хлорни креч: \(\text{CaCl(OCl)}\) служи за бељење и дезинфекцију захваљујући издвајању насцентног кисеоника (\(\text{O}\)).
• Неметали 17. групе, граде двоатомне молекуле, изразита оксидациона средства (оксидациона моћ опада: \(\text{F} > \text{Cl} > \text{Br} > \text{I}\)).
• Агрегатна стања: \(\text{F}_2\) и \(\text{Cl}_2\) су гасови, \(\text{Br}_2\) је течност, \(\text{I}_2\) је чврста супстанца која сублимује.
• Киселине: \(\text{HF}\) је слаба киселина и нагриза стакло (\(\text{SiO}_2 + 4\text{HF} \rightarrow \text{SiF}_4 + 2\text{H}_2\text{O}\)); јачина киселина расте: \(\text{HF} < \text{HCl} < \text{HBr} < \text{HI}\).
• Кисеонична једињења хлора: \(\text{HClO}\) (хипохлорити – бељење), \(\text{HClO}_2\) (хлорити), \(\text{HClO}_3\) (хлорати – експлозиви, шибице), \(\text{HClO}_4\) (перхлорати – ракетна горива).
• Хлорни креч: \(\text{CaCl(OCl)}\) служи за бељење и дезинфекцију захваљујући издвајању насцентног кисеоника (\(\text{O}\)).
Халогени елементи се налазе у 17. групи Периодног система елемената. Чине их: флуор (\(\text{F}\)), хлор (\(\text{Cl}\)), бром (\(\text{Br}\)), јод (\(\text{I}\)), радиоактивни астат (\(\text{At}\)) и вештачки елемент тенесин (\(\text{Ts}\)). Назив „халогени” значи „градитељи соли”.
У елементарном стању граде двоатомне молекуле (\(\text{X}_2\)) повезане једноструком, неполарном ковалентном \(\sigma\)-везом која настаје чеоним преклапањем \(p\)-орбитала.
| Елемент | Формула | Агрегатно стање (СТП) | Боја и карактеристике |
|---|---|---|---|
| Флуор | \(\text{F}_2\) | Гасовито | Светлозеленожут гас, изузетно реактиван |
| Хлор | \(\text{Cl}_2\) | Гасовито | Жутозелен гас, гушћи од ваздуха, гуши |
| Бром | \(\text{Br}_2\) | Течно | Црвеносмеђа течност, лако испарава у смеђе паре |
| Јод | \(\text{I}_2\) | Чврсто | Сивољубичасте кристалне љуспице, лако сублимује у љубичасте паре |
Због неполарне природе молекула, халогени (нарочито јод) се слабо растварају у води, а одлично у неполарним органским растварачима (хексан, хлороформ, угљен-тетрахлорид), дајући карактеристичне љубичасте растворе.
Сви халогени елементи имају оштар мирис и веома су токсични. Бром у контакту са кожом ствара дубоке и тешко зацељиве опекотине.
Халогени су најреактивнији неметали и изразита оксидациона средства. Примањем једног електрона граде стабилне ањоне (\(\text{X}^-\)).
Реактивност и оксидациона способност опадају у групи са порастом атомског броја:
\[ \text{F}_2 > \text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2 \]
Сваки халогени елемент може да истисне (оксидује) мање реактиван халоген из његових халогенида.
Оксидациони бројеви: Флуор има искључиво оксидациони број \(-1\) због највеће електронегативности. Остали халогени могу имати оксидационе бројеве \(-1, +1, +3, +5, +7\).
Реакција флуора са водом (ослобађа се насцентни кисеоник):
\[ \text{F}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 2\text{HF(aq)} + \text{O(aq)} \]
Растварање хлора у води (хлорна вода) и дезинфекционо дејство:
\[ \text{Cl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{HCl(aq)} + \text{HClO(aq)} \]
\[ \text{HClO(aq)} \rightleftharpoons \text{HCl(aq)} + \text{O(aq)} \]
Ослобођени насцентни кисеоник (\(\text{O}\)) је веома реактиван и делује као јак оксиданс, бактерицид и избељивач.
Реакција хлора са базама и гашеним кречом:
\[ \text{Cl}_2\text{(g)} + 2\text{NaOH(aq)} \longrightarrow \text{NaCl(aq)} + \text{NaClO(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
\[ \text{Cl}_2\text{(g)} + \text{Ca(OH)}_2\text{(s)} \longrightarrow \text{CaCl(OCl)(s)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
\(\text{CaCl(OCl)}\) или \(\text{CaCl}_2 \cdot \text{Ca(OCl)}_2\) је хлорни креч, средство за бељење и дезинфекцију.
Налажење у природи: Због велике реактивности налазе се искључиво у виду једињења: минерали флуорит (\(\text{CaF}_2\)), халит/камена со (\(\text{NaCl}\)), силвин (\(\text{KCl}\)), карналит (\(\text{KCl}\cdot\text{MgCl}_2\cdot 6\text{H}_2\text{O}\)), у морској води и у организму (јод у тироидним хормонима штитасте жлезде, хлориди у телесним течностима).
Флуор се индустријски добија електролизом истопљеног \(\text{KF}\) у безводном \(\text{HF}\). Сировина је калцијум-флуорит из ког се дејством \(\text{H}_2\text{SO}_4\) добија \(\text{HF}\):
\[ \text{CaF}_2\text{(s)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{CaSO}_4\text{(s)} + 2\text{HF(aq)} \]
Лабораторијски: Оксидацијом концентроване \(\text{HCl}\) помоћу \(\text{KMnO}_4\) или \(\text{MnO}_2\):
\[ 2\text{KMnO}_4\text{(aq)} + 16\text{HCl(aq)} \longrightarrow 5\text{Cl}_2\text{(g)} + 2\text{MnCl}_2\text{(aq)} + 2\text{KCl(aq)} + 8\text{H}_2\text{O(l)} \]
Индустријски: Електролизом концентрованог воденог раствора \(\text{NaCl}\).
Оксидацијом бромида и јодида помоћу хлора:
\[ 2\text{KBr} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2 \]
\[ 2\text{KI} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{KCl} + \text{I}_2 \]
Примена халогених елемената:
- Флуор: Производња тефлона, фреона, криолита (\(\text{Na}_3\text{AlF}_6\)) за добијање алуминијума.
- Хлор: Дезинфекција воде за пиће, бељење целулозе и тканина, производња пластике (\(\text{PVC}\)), хлорног креча и инсектицида.
- Бром: Органска синтеза, фармацеутски производи, реагенс за доказивање незасићених органских једињења (обезбојавање бромне воде).
- Јод: Јодна тинктура (5% раствор јода у алкохолу за дезинфекцију рана), производња јодоформа, реагенс за доказивање скроба (плаво обојење).
Халогеноводоници (\(\text{HX}\)) су безбојни, отровни гасови оштрог мириса који се одлично растварају у води дајући халогеноводоничне киселине.
\(\text{HF}\) има неуобичајено високу температуру кључања (\(\approx 20\text{ }^\circ\text{C}\)) у односу на остале халогеноводонике због формирања јаких водоничних веза између молекула.
Јачина киселина расте у низу од флуора ка јоду:
\[ \text{HF} \ll \text{HCl} < \text{HBr} < \text{HI} \]
\(\text{HF}\) је слаба киселина јер јаке водоничне везе отежавају дисоцијацију протона, док су остале халогеноводоничне киселине јаке.
Флуороводонична киселина (\(\text{HF}\)) нагриза стакло реагујући са \(\text{SiO}_2\), због чега се чува искључиво у пластичним боцама и користи за матирање и шарање стакла:
\[ \text{SiO}_2\text{(s)} + 4\text{HF(aq)} \longrightarrow \text{SiF}_4\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Хлороводонична киселина (\(\text{HCl}\)): Концентрована киселина има масени удео од око \(36\%\). Комерцијална „сона киселина” (\(16\text{--}20\%\)) користи се у домаћинству за уклањање каменца (\(\text{CaCO}_3\)) и рђе, као и у металургији. Саставни је део желудачног сока (\(\approx 0{,}5\%\)).
Оксиди халогена су углавном изразито нестабилна и експлозивна једињења (изузев стабилнијег \(\text{I}_2\text{O}_5\)). Хлор(IV)-оксид (\(\text{ClO}_2\)) се користи као ефикасан избељивач памука и целулозе.
Кисеоничне киселине хлора и њихове соли:
| Оксидациони број \(\text{Cl}\) | Киселина | Назив киселине | Назив соли |
|---|---|---|---|
| \(+1\) | \(\text{HClO}\) | Хипохлораста | Хипохлорити (\(\text{ClO}^-\)) |
| \(+3\) | \(\text{HClO}_2\) | Хлораста | Хлорити (\(\text{ClO}_2^-\)) |
| \(+5\) | \(\text{HClO}_3\) | Хлорна | Хлорати (\(\text{ClO}_3^-\)) |
| \(+7\) | \(\text{HClO}_4\) | Перхлорна | Перхлорати (\(\text{ClO}_4^-\)) |
Добијање хлорне и перхлорне киселине из соли:
\[ \text{Ba(ClO}_3)_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)} + 2\text{HClO}_3\text{(aq)} \]
\[ \text{Ba(ClO}_4)_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)} + 2\text{HClO}_4\text{(aq)} \]
Примена соли:
- \(\text{NaClO}\) и \(\text{NaClO}_2\): дезинфекција и бељење тканина.
- \(\text{KClO}_3\) (калијум-хлорат): пиротехника, ватромети, барут, палидрвца шибица, хербицид.
- \(\text{NH}_4\text{ClO}_4\) (амонијум-перхлорат): оксидационо средство за ракетна горива.
- Сребро-халогениди: \(\text{AgCl}\) (бели талог), \(\text{AgBr}\) (бледожути талог), \(\text{AgI}\) (жути талог) су нерастворни у води.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Наведите агрегатна стања и боје елементарног хлора, брома и јода на собној температури. Шта је сублимација и код ког халогеног елемента је изражена?
- Хлор (\(\text{Cl}_2\)): жутозелен гас.
- Бром (\(\text{Br}_2\)): црвеносмеђа течност.
- Јод (\(\text{I}_2\)): сивољубичаста чврста супстанца.
Задатак 2 (средњи): Прикажите једначинама хемијских реакција следећи низ трансформација:
\[ \text{HCl} \longrightarrow \text{Cl}_2 \longrightarrow \text{NaCl} \longrightarrow \text{AgCl} \]
- Лабораторијско добијање хлора оксидацијом \(\text{HCl}\) помоћу \(\text{MnO}_2\) или \(\text{KMnO}_4\): \[ \text{MnO}_2 + 4\text{HCl} \longrightarrow \text{MnCl}_2 + \text{Cl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \]
- Реакција хлора са металним натријумом: \[ 2\text{Na} + \text{Cl}_2 \longrightarrow 2\text{NaCl} \]
- Таложење сребро-хлорида реакцијом са сребро-нитратом: \[ \text{NaCl(aq)} + \text{AgNO}_3\text{(aq)} \longrightarrow \text{AgCl(s)}\downarrow + \text{NaNO}_3\text{(aq)} \]
Задатак 3 (средњи): Зашто се флуороводонична киселина (\(\text{HF}\)) не сме чувати у стакленом посуђу већ искључиво у пластичним боцама? Напишите одговарајућу хемијску једначину.
Флуороводонична киселина хемијски нагриза стакло реагујући са силицијум-диоксидом (\(\text{SiO}_2\)), који је главни састојак стакла. При томе настаје испарљиви силицијум-тетрафлуорид и вода:
\[ \text{SiO}_2\text{(s)} + 4\text{HF(aq)} \longrightarrow \text{SiF}_4\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Због тога се \(\text{HF}\) мора чувати искључиво у посудама од пластичних маса (нпр. од полиетилена или тефлона).
Задатак 4 (тежак): Одредите коефицијенте у оксидо-редукционој једначини реакције калијум-јодата и калијум-јодида у присуству хлороводоничне киселине:
\[ \text{KIO}_3 + \text{KI} + \text{HCl} \longrightarrow \text{KCl} + \text{I}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Одређивање оксидационих бројева:
Усклађивањем атома калијума, хлора и водоника добија се комплетна једначина: \[ \text{KIO}_3 + 5\text{KI} + 6\text{HCl} \longrightarrow 6\text{KCl} + 3\text{I}_2 + 3\text{H}_2\text{O} \]
- Јод у \(\text{K}\overset{+5}{\text{I}}\text{O}_3\) се редукује: \(\overset{+5}{\text{I}} + 5\text{e}^- \longrightarrow \overset{0}{\text{I}}\)
- Јод у \(\text{K}\overset{-1}{\text{I}}\) се оксидује: \(\overset{-1}{\text{I}} - 1\text{e}^- \longrightarrow \overset{0}{\text{I}}\)
Усклађивањем атома калијума, хлора и водоника добија се комплетна једначина: \[ \text{KIO}_3 + 5\text{KI} + 6\text{HCl} \longrightarrow 6\text{KCl} + 3\text{I}_2 + 3\text{H}_2\text{O} \]
