Состав группы и электронное строение
К галогенам относятся фтор (F), хлор (Cl), бром (Br) и йод (I). Замыкает группу астат (At) — радиоактивный элемент, который не применяется в стандартной практической деятельности из-за крайне малого времени жизни (его самый долгоживущий нуклид распадается наполовину за 8,3 часа).
В Периодической системе каждый галоген располагается непосредственно перед соответствующим благородным газом. Это определяет их ключевую структурную особенность: на внешней электронной оболочке атомов находится 7 электронов. Для достижения устойчивой восьмиэлектронной конфигурации (октета) им не хватает всего одного электрона. Именно это обусловливает их сильные неметаллические свойства.
Электронные конфигурации валентных оболочек имеют следующий вид:
- Для фтора и хлора: конфигурация благородного газа + $ns^2 np^5$.
- Для брома и йода: конфигурация благородного газа + $(n-1)d^{10} ns^2 np^5$.
Электроотрицательность и характер связей
Атомы галогенов характеризуются одновременно высокой энергией ионизации и значительным сродством к электрону. Следствием этих свойств является крайне высокая электроотрицательность (ЭО). В рамках каждого периода Периодической таблицы именно галоген выступает самым электроотрицательным элементом.
Абсолютным рекордсменом является фтор, электроотрицательность которого максимальна и равна 4.
Взаимодействуя с металлами, галогены образуют бинарные соединения, состоящие из катиона металла и одноатомного аниона галогена. Химические связи в таких галогенидах имеют преимущественно ионный характер. В твердом состоянии эти вещества формируют ионные кристаллические решетки и относятся к классу солей (что и дало название всей группе).
Валентные возможности и возбужденные состояния
Для всех галогенов базовым и наиболее характерным является одновалентное состояние (I). Однако их валентные возможности различаются в зависимости от строения конкретного атома.
Фтор всегда проявляет исключительно валентность I. В то же время хлор, бром и йод способны демонстрировать высшие валентности, особенно в соединениях с кислородом и фтором. Причиной этого является наличие в их атомах свободных $d$-орбиталей. При получении дополнительной энергии атом переходит в возбужденное состояние: спаренные электроны разъединяются (распариваются) и переходят на свободные $d$-орбитали. При каждом таком переходе число неспаренных электронов увеличивается на 2.
Рассмотрим этот процесс на примере хлора:
- Валентность III: распариваются $p$-электроны, образуется 3 неспаренных электрона. Пример соединения — хлористая кислота ($HClO_2$).
- Валентность V: происходит дальнейшее распаривание, возникает 5 неспаренных электронов. Пример — хлорноватая кислота ($HClO_3$).
- Валентность VII: достигается максимальное возбуждение с участием $s$-, $p$- и $d$-орбиталей (7 неспаренных электронов). Пример — хлорная кислота ($HClO_4$).
Важный нюанс: стабилизировать такие высокие валентности хлора и брома способны только элементы с очень высокой электроотрицательностью, а именно — кислород и фтор.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какие степени окисления характерны для хлора, брома и йода в неорганических соединениях?
В источниках для хлора, брома и йода указаны наиболее характерная валентность I и высшие валентности III, V и VII в соединениях с кислородом и фтором. Степени окисления в данном положении источники отдельно не приводят.
Как изменяется электроотрицательность и окислительная способность галогенов в группе сверху вниз?
Источники подтверждают, что фтор имеет наивысшую электроотрицательность и проявляет сильнейшие окислительные свойства. Бром окисляет ионы железа, а окислительная способность йода слабее: ионы железа он не окисляет. Полное закономерное изменение электроотрицательности и окислительной способности всех галогенов сверху вниз в приведённых источниках не раскрыто.
Какова биологическая роль ионов хлора и йода в организме человека?
Ионы хлора и йода выполняют важнейшие функции, выступая в роли макро- и микроэлементов соответственно.
- Хлор (Cl) — жизненно необходимый макроэлемент биологических жидкостей, обеспечивающий необходимую концентрацию катионов и осмотический гомеостаз (ионы хлора безвредны).
- Йод (I) — биогенный микроэлемент, концентрирующийся в щитовидной железе; он образует ковалентную связь с углеродом и является составной частью гормонов щитовидной железы.
Каков механизм антисептического действия препаратов на основе йода и хлора?
Йодсодержащие препараты оказывают антимикробное действие благодаря окислительным свойствам йода; йод также осаждает и свёртывает тканевые белки с образованием йодаминов. Йод по силе окисления уступает хлору и брому. Для химических дезинфицирующих средств окислители разрушают белки и нуклеиновые кислоты; к хлорсодержащим средствам относятся, например, хлорамин Б и гипохлориты.
Правило распаривания электронов: переход в возбужденное состояние всегда увеличивает валентность ровно на 2 единицы (I → III → V → VII).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему фтор, в отличие от хлора, всегда проявляет только валентность I?
В атоме фтора отсутствуют свободные d-орбитали. Из-за этого распаривание электронов и переход атома в возбужденное состояние с повышением валентности невозможны.
Почему астат не изучают в рамках стандартного курса химии?
Астат является радиоактивным элементом с очень коротким периодом полураспада (около 8,3 часов для самого долгоживущего изотопа), поэтому в обычной практической деятельности он не встречается.
Какие элементы могут стабилизировать высшие валентности галогенов?
Стабилизировать валентности III, V и VII у хлора, брома и йода могут только элементы с наиболее высокой электроотрицательностью, в первую очередь кислород и фтор.
Что ещё разобрать по теме
- Построение полной электронной формулы атома брома
- Энергетические диаграммы возбужденных состояний атома хлора
- Сравнение электронной конфигурации аргона и хлорид-иона
- Механизмы образования ионных кристаллических решеток галогенидов металлов
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Общая характеристика галогенов» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 95 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 9. Элементы группы VIIA — галогены»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.