Строение и химические свойства галогенов и их соединений

Галогены фтор F, хлор С1, бром Вг, иод I являются элемен­тами группы VILA. Электронная конфигурация валентной обо­лочки атомов галогенов в основном состоянии ns²np⁵. Наличие пяти электронов на внешней р-орбитали, в том числе одного неспаренного, является причиной высокого сродства галогенов к электрону. Присоединение электрона приводит к образованию галогенид-анионов (F-, С1-, Вг-, I-) с устойчивой 8-электронной оболочкой ближайшего благородного газа. Галогены - ярко выраженные неметаллы.

Самый электроотрицательный элемент фтор имеет в соедине­ниях только одну степень окисления — 1, так как всегда является акцептором электронов. Другие галогены в соединениях могут иметь степень окисления от -1 до +7. Положительные степени окисления галогенов вызваны переходом их валентных электро­нов на свободные d-орбитали внешнего уровня (разд. 2.1.3) при образовании связей с более электроотрицательными элементами.

Молекулы галогенов двухатомные: F₂, С1₂, Вг₂, I₂. При стан­дартных условиях фтор и хлор - газы, бром - летучая жидкость (Tкип ⁼ 59 °С), а иод - твердый, но он легко возгоняется (пере­ходит в газообразное состояние, минуя жидкое).

Окислительно-восстановительные свойства. Галогены явля­ются сильными окислителями, вступая во взаимодействие почти со всеми металлами и многими неметаллами:

Особенно высокую химическую активность проявляет фтор, ко­торый при нагревании реагирует даже с благородными газами ксеноном, криптоном и радоном:

Химическая активность галогенов уменьшается от фтора к ио­ду, так как с увеличением радиуса атома способность галогенов присоединять электроны уменьшается:

Более активный галоген всегда вытесняет менее активный из его соединений с металлами. Так, фтор вытесняет все другие галогены из их галогенидов, а бром - только иод из иодидов:

Различная окислительная способность галогенов проявляет­ся и в их действии на организм. Газообразные хлор и фтор из-за очень сильных окислительных свойств являются мощными отравляющими веществами, вызывающими тяжелые поражения легких и слизистых оболочек глаз, носа и гортани. Иод - более мягкий окислитель, проявляющий антисептические свойства, по­этому он широко используется в медицине.

Различия в окислительно-восстановительных свойствах га­логенов проявляются и при их взаимодействии с водой. Фтор окисляет воду, при этом восстановителем выступает атом ки­слорода молекулы волы:

Взаимодействие остальных галогенов с водой сопровождается окислительно-восстановительной дисмутацией их атомов. Так, при реакции хлора с водой один из атомов молекулы хлора, присоединяя электрон от другого атома, восстанавливается, а другой атом хлора, отдавая электрон, окисляется. При этом об­разуется хлорная вода, содержащая хлористый водород (соля­ную кислоту) и гипохлористую (хлорноватистую) кислоту:

Реакция является обратимой, а ее равновесие сильно смещено влево. Гипохлористая кислота неустойчива и легко распадается, особенно на свету, с образованием очень сильного окислителя -атомарного кислорода:

Таким образом, хлорная вода содержит в различных концен­трациях три окислителя с разной окислительной способностью: молекулярный хлор, гипохлористую кислоту и атомарный кислород, сумму которых часто называют "активный хлор".

Образующийся атомарный кислород обесцвечивает красите­ли и убивает микробы, что объясняет отбеливающее и бактери­цидное действие хлорной воды.

Гипохлористая кислота - более сильный окислитель, чем га­зообразный хлор. Она реагирует с органическими соединениями RH и как окислитель, и как хлорирующий реагент:

Поэтому при хлорировании питьевой воды, содержащей в каче­стве примесей органические вещества, они могут превратиться в более токсичные хлорорганические соединения RC1. Это обя­зательно следует учитывать при разработке способов очистки воды и их применении.

При добавлении к хлорной воде щелочи равновесие смеща­ется вправо вследствие нейтрализации гипохлористой и соля­ной кислот:

Полученный раствор смеси солей, называемый жавелевой водой, используется как отбеливающее и дезинфицирующее средство. Эти свойства обусловлены тем, что гипохлорит калия под дей­ствием СО2 + Н₂0 и в результате гидролиза превращается в неустойчивую гипохлористую кислоту, образующую атомарный кислород. В результате жавелевая вода разрушает красящие вещества и убивает микробы.

При действии газообразного хлора на влажную гашеную из­весть Са(ОН)₂ получают смесь солей СаСl₂ и Са(0С1)₂, называе­мую хлорной известью:

Хлорную известь можно рассматривать как смешанную кальцие­вую соль соляной и гипохлористой кислот CaCl(OCl). Во влажном воздухе хлорная известь, взаимодействуя с водой и углекислым газом, постепенно выделяет гипохлористую кислоту, которая обеспечивает ее отбеливающее, дезинфицирующее и дегазирующие свойства:

При действии на хлорную известь соляной кислоты происходит выделение свободного хлора:

При нагревании гипохлористая кислота в результате окис­лительно-восстановительного диспропорционирования разлагает­ся с образованием соляной и хлорноватой кислот:

При пропускании хлора через горячий раствор щелочи, напри­мер КОН, образуются хлорид калия и хлорат калия КClO₃ (бер­толетова соль):

Окислительная способность анионов кислородсодержащих кислот хлора в водных растворах в ряду СlO^- - СlO4(-) уменьша­ется несмотря на возрастание в них степени окисления хлора:

Это объясняется повышением устойчивости анионов в указанном ряду вследствие усиления делокализации их отрицательного заря­да. В то же время перхлораты LiC10₄, КСlO₄ в сухом состоянии при высоких температурах являются сильными окислителями и используются для минерализации различных биоматериалов при определении в них содержащихся неорганических компонентов.

Анионы галогенов (кроме F-) способны отдавать электроны, поэтому они являются восстановителями. Восстановительная способность галогенид-анионов по мере возрастания их радиуса увеличивается от хлорид-аниона к иодид-аниону:

Так, иодоводородная кислота окисляется кислородом воздуха уже при обычной температуре:

Соляная кислота не окисляется кислородом, и поэтому хлорид-анион устойчив в условиях организма, что очень важно с пози­ции физиологии и медицины.

Кислотно-основные свойства. Водородгалогениды HF, НС1, HBr, HI вследствие полярности их молекул хорошо растворяются в воде. При этом происходит гидратация молекул, приводящая к их диссоциации с образованием гидратированных протонов и галогенид-анионов. Сила кислот в ряду HF, НС1, HBr, HI возраста­ет вследствие увеличения радиуса и поляризуемости анионов от F- к I-.

Соляная кислота как компонент желудочного сока играет важную роль в процессе пищеварения. В основном за счет со­ляной кислоты, массовая доля которой в желудочном соке со­ставляет 0,3 %, его рН поддерживается в интервале от 1 до 3. Соляная кислота способствует переходу фермента пепсина в ак­тивную форму, что обеспечивает переваривание белков за счет гидролитического расщепления пептидных связей с образова­нием различных аминокислот:

Определение содержания соляной кислоты и других кислот в желудочном соке было рассмотрено в разд. 8.3.3.

В ряду кислородсодержащих кислот хлора по мере увеличе­ния его степени окисления сила кислот увеличивается.

Это связано с увеличением полярности связи О—Н из-за смеще­ния ее электронной плотности к атому хлора, а также из-за по­вышения устойчивости анионов.

Комплексообразующие свойства. Анионы галогенов склонны к комплексообразованию в качестве лигандов. Устойчивость галогенидных комплексов обычно уменьшается в ряду F- > Сl- > Вr- > > I-. Именно процессом комплексообразования объясняется ток­сическое действие фторид-анионов, которые, образуя фторидные комплексы с катионами металлов, входящих в активные цен­тры ферментов, подавляют их активность.

Интересные комплексообразующие свойства проявляет моле­кула иода. Так, растворимость молекулярного иода в воде резко возрастает в присутствии иодида калия, что связано с образова­нием комплексного аниона

Невысокая устойчивость этого комплексного иона обеспечивает наличие молекулярного иода в растворе. Поэтому в медицине используется в качестве бактерицидного средства водный рас­твор иода с добавлением KI. Кроме того, молекулярный иод об­разует комплексы включения с крахмалом (разд. 22.3) и поливиниловым спиртом (синий иод). В этих комплексах молекулы иода или их ассоциаты с иодид-анионами заполняют каналы, образованные спиралевидной структурой соответствующих полигидроксиполимеров. Комплексы включения не очень устойчивы и способны постепенно отдавать молекулярный иод. Поэтому такой препарат, как синий иод, является эффективным, но мяг­ким бактерицидным средством пролонгированного действия.

Биологическая роль и применение галогенов и их соедине­ний в медицине. Галогены в виде различных соединений входят в состав живых тканей. В организме все галогены имеют степень окисления — 1. При этом хлор и бром существуют в виде гидратированных анионов Сl- и Вr-, а фтор и иод входят в состав нерас­творимых в воде биосубстратов:.

Соединения фтора являются компонентами костной ткани, ногтей и зубов. Биологическое действие фтора прежде всего связано с проблемой болезней зубов. Фторид-анион, замещая в гидроксиапатите гидроксид-ион, образует слой защитной эмали из твердого фторапатита:

Фторирование питьевой воды до концентрации фторид-иона 1 мг/л и добавление фторида натрия в зубную пасту значитель­но снижают кариес зубов у населения. В то же время при концентрации фторид-аниона в питьевой воде выше 1,2 мг/л по­вышается хрупкость костей, зубной эмали и появляется общее истощение организма, называемое флуорозом.

Хлорид-анионы обеспечивают ионные потоки через клеточ­ные мембраны, участвуют в поддержании осмотического гомеостаза, создают благоприятную среду для действия и активации протолитических ферментов желудочного сока.

Бромид-анионы в организме человека локализуются преиму­щественно в гипофизе и других железах внутренней секреции. Установлено наличие динамической связи между содержанием в организме бромид- и хлорид-анионов. Так, повышенное содер­жание в крови бромид-анионов способствует быстрому выделе­нию почками хлорид-анионов. Бромиды локализуются в основ­ном в межклеточной жидкости. Они усиливают тормозные про­цессы в нейронах коры головного мозга, в связи с чем бромиды калия, натрия и бромкамфора применяются в фармакологии.

Иод и его соединения влияют на синтез белков, жиров и гормонов. Больше половины количества иода находится в щи­товидной железе в связанном состоянии в виде тиреоидных гормонов. При недостаточном поступлении иода в организм развивается эндемический зоб. С целью профилактики этого заболевания к поваренной соли добавляют NaI или KI (1-2 г на 1 кг NaCl). Таким образом, все галогены необходимы для нор­мального функционирования живых организмов.

Глава 13