Вытеснение галогенов из растворов солей
Галогены могут вытеснять друг друга из растворов галогенидов: более сильный окислитель превращает ионы менее активного галогена в простое вещество. Для решения задач достаточно сравнить галоген, добавленный в раствор, и галоген в составе соли, а затем записать ионное и молекулярное уравнения.
Главное правило и ряд активности
К галогенам относят фтор \(\mathrm{F_2}\), хлор \(\mathrm{Cl_2}\), бром \(\mathrm{Br_2}\) и йод \(\mathrm{I_2}\). В простых веществах галогены имеют степень окисления \(0\), а в галогенидах — степень окисления \(-1\): \(\mathrm{F^-}\), \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{Br^-}\), \(\mathrm{I^-}\). При переходе от фтора к йоду окислительная способность простых веществ уменьшается.
Галогенид — это соединение, содержащее однозарядный отрицательный ион галогена: фторид \(\mathrm{F^-}\), хлорид \(\mathrm{Cl^-}\), бромид \(\mathrm{Br^-}\) или иодид \(\mathrm{I^-}\). Например, \(\mathrm{KCl}\) — хлорид калия, а \(\mathrm{NaBr}\) — бромид натрия.
Галоген вытесняет из раствора соли только тот галоген, который расположен правее него в ряду окислительной способности. Поэтому \(\mathrm{Cl_2}\) вытесняет бром и йод из бромидов и иодидов, но не вытесняет фтор; \(\mathrm{Br_2}\) вытесняет только йод.
Общее ионное уравнение имеет вид: простое вещество более активного галогена окисляет ион менее активного галогена до молекулы. Это окислительно-восстановительный процесс: галоген принимает электроны и восстанавливается, а галогенид отдаёт электроны и окисляется.
Здесь \(\mathrm{X_2}\) — более сильный окислитель, чем \(\mathrm{Y_2}\). Следовательно, \(\mathrm{X_2}\) стоит левее \(\mathrm{Y_2}\) в ряду \(\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}\).
Электронный смысл реакции
В реакции \(\mathrm{Cl_2 + 2Br^- \rightarrow 2Cl^- + Br_2}\) хлор принимает электроны: каждый атом хлора изменяет степень окисления с \(0\) до \(-1\). Ионы брома отдают электроны: каждый атом брома изменяет степень окисления с \(-1\) до \(0\).
В молекулярном уравнении катион соли обычно не изменяется и является ионом-наблюдателем. Например, для раствора бромида калия записывают \(\mathrm{KBr}\), но сущность реакции отражает сокращённое ионное уравнение.
| Добавленный галоген | Ионы, которые он окисляет в растворе | Реакции не будет с ионами |
|---|---|---|
| \(\mathrm{Cl_2}\) | \(\mathrm{Br^-}\) и \(\mathrm{I^-}\) | \(\mathrm{F^-}\), \(\mathrm{Cl^-}\) |
| \(\mathrm{Br_2}\) | \(\mathrm{I^-}\) | \(\mathrm{F^-}\), \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{Br^-}\) |
| \(\mathrm{I_2}\) | нет | \(\mathrm{F^-}\), \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{Br^-}\), \(\mathrm{I^-}\) |
| \(\mathrm{F_2}\) | все галогенид-ионы в общем ряду | На практике в воде реакция осложняется взаимодействием фтора с водой |
Какая реакция возможна в водном растворе?
Как решать задачу по алгоритму
- Определите галоген в простом веществе: \(\mathrm{Cl_2}\), \(\mathrm{Br_2}\) или \(\mathrm{I_2}\).
- Определите галогенид-ион в растворе соли: \(\mathrm{F^-}\), \(\mathrm{Cl^-}\), \(\mathrm{Br^-}\) или \(\mathrm{I^-}\).
- Сравните их положения в ряду \(\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}\).
- Если добавленный галоген стоит левее, реакция идёт; если правее или совпадает с галогеном в соли, реакции замещения нет.
- Запишите сокращённое ионное уравнение, затем молекулярное, подобрав катион соли.
Мысленно поставьте галогены в одну строку: \(\mathrm{F_2|Cl_2|Br_2|I_2}\). Если стрелка направлена слева направо — вытеснение возможно: \(\mathrm{Cl_2}\) вытесняет \(\mathrm{Br_2}\) и \(\mathrm{I_2}\). Обратная реакция сама по себе не идёт.
Разобранный пример
Определим, произойдёт ли реакция при пропускании хлора через раствор иодида натрия, и запишем уравнения.
Раствор может приобрести окраску, характерную для выделившегося йода. В экзаменационной задаче главное не цвет, а правильное сравнение окислительной способности и баланс электронов.
Особенности фтора и условия протекания
Теоретически фтор — самый сильный окислитель и способен окислять все галогенид-ионы. Однако в водном растворе \(\mathrm{F_2}\) активно взаимодействует с водой, поэтому простое применение правила к фтору требует осторожности. В школьных заданиях основное внимание обычно уделяют парам \(\mathrm{Cl_2/Cl^-}\), \(\mathrm{Br_2/Br^-}\) и \(\mathrm{I_2/I^-}\).
Растворы хлоридов, бромидов и иодидов могут содержать соли щелочных металлов, например \(\mathrm{KCl}\), \(\mathrm{KBr}\) и \(\mathrm{KI}\). Катион калия не участвует в ОВР. Не следует путать вытеснение галогена с диспропорционированием хлора: при вытеснении хлор реагирует с чужим галогенидом, а при диспропорционировании один и тот же хлор одновременно окисляется и восстанавливается.
1. Нельзя сравнивать активность катионов: в реакции участвуют галоген и галогенид-ион. 2. Нельзя считать, что любой галоген вытесняет любой другой: направление задаёт ряд \(\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}\). 3. В уравнении \(\mathrm{X_2 + 2Y^-}\) коэффициент перед галогенид-ионом равен 2, потому что молекула галогена двухатомна. 4. Если галоген и галогенид относятся к одному элементу, реакции замещения нет: \(\mathrm{Cl_2}\) не реагирует с раствором хлорида только по этому механизму.
Проверка результата и признаки реакции
После составления уравнения проверьте три пункта: изменились ли степени окисления; сохранены ли число атомов и заряд; действительно ли окислитель сильнее восстановителя. Для реакции хлора с бромидом степени окисления меняются так: \(\mathrm{Cl^0 \rightarrow Cl^{-1}}\) и \(\mathrm{Br^{-1} \rightarrow Br^0}\). Это подтверждает ОВР.
- Более сильный галоген восстанавливается до галогенида.
- Галогенид более слабого галогена окисляется до простого вещества.
- Коэффициенты в сокращённом ионном уравнении согласованы по электронам.
- Ион-наблюдатель правильно включён в молекулярное уравнение.
Quick-test
Главное
- Ряд окислительной способности галогенов: \(\mathrm{F_2 > Cl_2 > Br_2 > I_2}\).
- Галоген вытесняет из раствора соли только менее активный галоген.
- Общее ионное уравнение: \(\mathrm{X_2 + 2Y^- \rightarrow 2X^- + Y_2}\).
- Галоген восстанавливается, а галогенид-ион окисляется.
- Для решения задачи сравните положение двух галогенов, запишите ионное уравнение и затем молекулярное.