Функции неметаллов

2Al + 3F₂ = 2AlF₃ + 2989 кДж,

2Fe + 3F₂ = 2FeF₃ + 1974 кДж.

Без нагревания фтор реагирует и со многими неметаллами (H₂, S, С, Si, Р); все реакции при этом сильно экзотермические, например:

Н₂+ F₂= 2HF + 547 кДж,

Si + 2F₂= SiF4(г) + 1615 кДж.

При нагревании фтор окисляет все другие галогены по схеме

Hal₂+ F₂= 2НalF

где Hal = Cl, Br, I, At, причем в соединениях HalF степени окисления хлора, брома, иода и астата равны +1.

Наконец, при облучении фтор реагирует даже с тяжёлыми инертными (благородными) газами:

Хе + F₂= XeF₂+ 152 кДж.

Взаимодействие фтора со сложными веществами также протекает очень энергично. Так, он окисляет воду, при этом реакция носит взрывной характер:

3F₂+ ЗН₂О = OF₂^ + 4HF + Н₂О₂.

Свободный хлор также очень реакционноспособен, хотя его активность и меньше, чем у фтора. Он непосредственно реагирует со всеми простыми веществами, за исключением кислорода, азота и благородных газов. Для сравнения приведём уравнения реакций хлора с теми же простыми веществами, что и для фтора:

2Al + 3Cl₂= 2AlCl₃(кр) + 1405 кДж,

2Fe + ЗCl₂= 2FeCl₃(кр) + 804 кДж,

Si + 2Cl₂= SiCl₄(Ж) + 662 кДж,

Н₂+ Cl₂= 2HCl(г) + 185 кДж.

Особый интерес представляет реакция с водородом. Так, при комнатной температуре, без освещения хлор практически не реагирует с водородом, тогда как при нагревании или при освещении (например, на прямом солнечном свету) эта реакция протекает со взрывом по приведенному ниже цепному механизму:

Cl₂+hн> 2Cl,

Cl + Н₂> HCl + Н,

Н + Cl₂> HCl + Cl,

Cl + Н₂> HCl + Н и т.д.

Возбуждение этой реакции происходит под действием фотонов (hн), которые вызывают диссоциацию молекул Cl₂ на атомы -- при этом возникает цепь последовательных реакций, в каждой из которых появляется частица, инициирующая начало последующей стадии.

Реакция между Н₂ и Cl₂ послужила одним из первых объектов исследования цепных фотохимических реакций. Наибольший вклад в развитие представлений о цепных реакциях внёс русский учёный, лауреат Нобелевской премии (1956 год) Н.Н. Семёнов.

Хлор вступает в реакцию со многими сложными веществами, например замещения и присоединения с углеводородами:

СН3-СН₃ + Cl₂ > СН₃-СН₂Cl + HCl,Р

СН2=СН₂+ Cl₂> СН2Cl -- СН₂Cl.

Хлор способен при нагревании вытеснять бром или иод из их соединений с водородом или металлами:

Cl₂+ 2HBr = 2HCl + Br₂,

Cl₂+ 2HI = 2HCl + I₂,

Cl₂ + 2KBr = 2KCl + Br₂,

а также обратимо реагирует с водой:

Cl₂+ Н₂О = HCl + HclO -- 25 кДж.

Хлор, растворяясь в воде и частично реагируя с ней, как это показано выше, образует равновесную смесь веществ, называемую хлорной водой.

Заметим также, что хлор в левой части последнего уравнения имеет степень окисления 0. В результате реакции у одних атомов хлора степень окисления стала ?1 (в HCl), у других +1 (в хлорноватистой кислоте HOCl). Такая реакция -- пример реакции самоокисления-самовосстановления, или диспропорционирования.

Хлор может таким же образом реагировать (диспропорционировать) со щелочами: Cl₂+ 2NaOH = NaCl + NaClO + Н₂О (на холоде), 3Cl₂ + 6КОН = 5KCl + KClO₃+ 3Н₂О (при нагревании).

Химическая активность брома меньше, чем у фтора и хлора, но все же достаточно велика в связи с тем, что бром обычно используют в жидком состоянии и поэтому его исходные концентрации при прочих равных условиях больше, чем у хлора.

Для примера приведем реакции взаимодействия брома с кремнием и водородом:

Si + 2Br₂= SiBr₄(ж) + 433 кДж,

Н₂+ Br₂= 2HBr(г) + 73 кДж.

Являясь более «мягким» реагентом, бром находит широкое применение в органической химии.

Отметим, что бром, так же, как и хлор, растворяется в воде, и, частично реагируя с ней, образует так называемую «бромную воду». Растворимость в воде иода -- 0,3395 грамма на литр при 25⁰, это меньше, чем у брома. Водный раствор иода называется «иодной водой». Иод способен растворяться в растворах иодидов с образованием комплексных анионов:

I₂+ I^?> I^?3.

Образующийся раствор называется раствором Люголя.

Иод существенно отличается по химической активности от остальных галогенов. Он не реагирует с большинством неметаллов, а с металлами медленно реагирует только при нагревании. Взаимодействие же иода с водородом происходит только при сильном нагревании, реакция является эндотермической и сильно обратимой:

Н₂+ I₂= 2HI -- 53 кДж.

Таким образом, химическая активность галогенов последовательно уменьшается от фтора к астату. Каждый галоген в ряду F -- At может вытеснять последующий из его соединений с водородом или металлами, то есть каждый галоген в виде простого вещества способен окислять галогенид-ион любого из последующих галогенов.

Астат ещё менее реакционноспособен, чем иод. Но и он реагирует с металлами (например с литием): 2Li + At₂= 2LiAt -- астатид лития.

При диссоциации образуются не только анионы, но и катионы At+: HAt диссоциирует на:

2HAt=H⁺+At^-+H^-+At⁺.

Благородные газы (также инертные или редкие газы) -- группа химических элементов со схожими свойствами: при нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы без цвета и запаха с очень низкой химической реактивностью. К благородным газам относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). В последнее время к этой группе также причисляют унуноктий.

Занимая первые 6 периодов, инертные газы относятся к последней, 8-й группе в периодической таблице химических элементов . Возможно, что из-за relativistic effects, элемент 114-ый Флеровий показывает некоторые свойства благородных газов. Он может заменить в периодической таблице унуноктий. Благородные газы химически неактивны и способны участвовать в химических реакциях лишь при экстремальных условиях.

Характеристики благородных газов могут быть объяснены современными теориями о атомных структурах: их электронные оболочки из валентных электронов является "полной", тем самым позволяя участвовать лишь в очень малом количестве химических реакций и возможно лишь несколько сотен соединений. Температуры плавления и кипения у любого благородного газа имеют различие меньше, чем в 10⁰.

Неон, аргон, криптон и ксенон выделяются из воздуха специальными установками, используя при этом методы сжижения газов и фракционированной конденсации.Инертные газы отличаются химической неактивностью (отсюда и название). Тем не менее, в 1962 году Нил Барлетт показал, что все они при определённых условиях могут образовывать соединения (особенно охотно со фтором). Наиболее «инертны» неон и гелий: чтобы заставить их вступить в реакцию, нужно применить много усилий, искусственно ионизируя каждый атом. Ксенон же, наоборот, слишком активен (для инертных газов) и реагирует даже при нормальных условиях, демонстрируя чуть ли не все возможные степени окисления (+1, +2, +4, +6, +8). Радон тоже имеет высокую химическую активность, но он радиоактивен и быстро распадается, поэтому подробное изучение его химических свойств осложнено, в отличие от ксенона.

Унуноктий, несмотря на его принадлежность к 18-й группе периодической таблицы, может не являться инертным газом, так как предполагается, что при нормальных условиях в силу релятивистских эффектов, влияющих на движение электронов вблизи его ядра с высоким зарядом, он будет находиться в твердом состоянии.Инертные газы бесцветны и не имеют запаха. В небольшом количестве они присутствуют в воздухе и некоторых горных породах, а также в атмосферах некоторых планет-гигантов.Инертные газы неядовиты. Однако атмосфера с увеличенной концентрацией инертных газов и соответствующим снижением концентрации кислорода может оказывать удушающее действие на человека, вплоть до потери сознания и смерти. Известны случаи гибели людей при утечках аргона.

Вдыхание радиоактивного радона может вызвать рак.

Инертные газы обладают биологическим действием, которое проявляется в их наркотическом воздействии на организм и по силе этого воздействия располагаются по убыванию в следующем порядке (в сравнении приведены также азот и водород): Xe -- Кr -- Ar -- N₂ -- H₂ -- Ne -- He. При этом ксенон и криптон проявляют наркотический эффект при нормальном барометрическом давлении, аргон -- при давлении свыше 0,2 МПа (2 атм), азот -- свыше 0,6 МПа (6 атм), водород -- свыше 2,0 МПа (20 атм). Наркотическое действие неона и гелия в опытах не регистрируются, так как под давлением раньше возникают симптомы «нервного синдрома высокого давления» .

Благородные газы в вакуумных стеклянных колбах, через которые пропущен ток.

Инертные газы имеют очень низкие точки кипения и плавления, что позволяет их использовать в качестве холодильного агента в криогенной технике. Так, жидкий гелий, который кипит при 4,2 К (?268,95 °C), используется для получения сверхпроводимости -- в частности, для охлаждения сверхпроводящих обмоток электромагнитов, применяемых, например, для магнитно-резонансной томографии и других приложений ядерного магнитного резонанса. Жидкий неон, хотя и не достигает таких низких температур как жидкий гелий, также находит применение в криогенике, потому что его охлаждающие свойства (удельная теплота испарения) более чем в 40 раз лучше, чем у жидкого гелия, и более чем в три раза лучше, чем у жидкого водорода.

Гелий, благодаря его пониженной растворимости в жидкостях, особенно в липидах, используется вместо азота как компонент дыхательных смесей для дыхания под давлением (например, при подводном плавании). Растворимость газов в крови и биологических тканях растёт под давлением. В случае использования для дыхания обычного воздуха или других азотсодержащих дыхательных смесей это может стать причиной эффекта, известного как азотное отравление.

Благодаря меньшей растворимости в липидах, атомы гелия задерживаются клеточной мембраной, и поэтому гелий используется в дыхательных смесях, таких как тримикс и гелиокс, уменьшая наркотический эффект газов, возникающий на глубине. Кроме того, пониженная растворимость гелия в жидкостях тела позволяет избежать кессонной болезни при быстром всплытии с глубины. Уменьшение остатка растворённого газа в теле означает, что во время всплытия образуется меньшее количество газовых пузырьков; это уменьшает риск газовой эмболии. Другой инертный газ, аргон, рассматривается как лучший выбор для использования в качестве прослойки к сухому костюму для подводного плавания.

Аргон, наиболее дешёвый среди инертных газов (его содержание в атмосфере составляет около 1 %), широко используется в газовой сварке и резке и других приложениях для изоляции от воздуха металлов, реагирующих при нагреве с кислородом (и азотом), а также для обработки жидкой стали. Аргон также применяется в люминесцентных лампах для предотвращения окисления разогретого вольфрамового электрода.

После крушения дирижабля «Гинденбург» в 1937 году негорючий гелий заменил огнеопасный водород в качестве заполняющего газа в дирижаблях и воздушных шарах, несмотря на 8,6 % уменьшение плавучести, по сравнению с водородом.