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Grupo 17

Química do A-Level · Topic 11 · ⁨Tópico 11⁩

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7:28

Grupo 17

Aqui estão três soluções incolores. Elas parecem exatamente iguais. Uma é cloreto, uma é brometo, uma é iodeto — mas você não pode dizer qual é qual por…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas⁩

11.1

Physical properties of the halogens · ⁨Propriedades físicas dos halogéneos⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English
  1. describe the colours and the trend in volatility of chlorine, bromine and iodine
  2. describe and explain the trend in the bond strength of the halogen molecules
  3. interpret the volatility of the elements in terms of instantaneous dipole–induced dipole forces
Português
  1. descrever as cores e a tendência de volatilidade do cloro, bromo e iodo
  2. descrever e explicar a tendência na força da ligação das moléculas dos halogênios
  3. interpretar a volatilidade dos elementos em termos de forças dipolo instantâneo-dipolo induzido

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fonte: Programa Cambridge International⁩

English

The halogens 卤素 are the Group 族 17 elements. They exist as diatomic molecules ($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$). Going down the group:

Element Colour and state at room temperature
chlorine pale green gas
bromine red-brown liquid
iodine grey-black solid (purple vapour)

The volatility 挥发性 (how easily a substance turns to vapour) decreases down the group: chlorine is a gas, but iodine is a solid. This is because the molecules get larger and have more electrons, so the instantaneous dipole 瞬时偶极 and induced dipole 诱导偶极 forces between them get stronger. Stronger forces are harder to break, so the boiling point rises and volatility falls.

The bond energy 键能 (bond strength) of the $\text{X}\text{–}\text{X}$ molecules generally falls from $\text{Cl}_2$ to $\text{I}_2$, because the shared electrons are further from the nuclei in the larger atoms.

Português
Bromo: um líquido escuro que emite vapor alaranjado em uma ampola selada
O bromo é um halogénio do Grupo 17 — um líquido escuro que emite um vapor laranja.

Os halogéneos 卤素 são os elementos do Grupo 族 17. Eles existem como moléculas diatómicas ($\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$). Descendo no grupo:

Elemento Cor e estado à temperatura ambiente
cloro gás verde-pálido
bromo líquido vermelho-marrom
iodo sólido cinzento-negro (vapor roxo)

A volatilidade 挥发性 (facilidade com que uma substância se transforma em vapor) diminui descendo no grupo: o cloro é um gás, mas o iodo é um sólido. Isto ocorre porque as moléculas ficam maiores e têm mais eletrões, por isso as forças de dipolo instantâneo 瞬时偶极 e dipolo induzido 诱导偶ipo entre elas ficam mais fortes. Forças mais fortes são mais difíceis de romper, por isso o ponto de ebulição sobe e a volatilidade cai.

Três frascos de gás: cloro como um gás verde-pálido, bromo como um líquido vermelho-acastanhado, iodo como um sólido cinza-preto
Descendo no Grupo 17, os halogéneos mudam de um gás verde-pálido para um líquido vermelho-marrom para um sólido cinzento-negro à medida que a volatilidade cai

A energia de ligação 键能 (força da ligação) das moléculas $\text{X}\text{–}\text{X}$ geralmente diminui de $\text{Cl}_2$ para $\text{I}_2$, porque os elétrons compartilhados estão mais afastados dos núcleos nos átomos maiores.

Explore · ⁨Explorar⁩

Laboratório: tendência física dos halogênios

Siga os halogênios descendo no grupo e relacione estado, cor e volatilidade.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
halogen/ˈhælədʒn/ 卤素 lǔ sù
group/ɡruːp/ 族 zú
volatility/ˌvɒləˈtɪlɪti/ 挥发性 huī fā xìng
instantaneous dipole/ˌɪnstənˈteɪnɪəs ˈdaɪpəʊl/ 瞬时偶极 shùn shí ǒu jí
induced dipole/ɪnˈdjuːst ˈdaɪpəʊl/ 诱导偶极 yòu dǎo ǒu jí
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 键能 jiàn néng
oxidising agent/ˈɒksɪdaɪzɪŋ ˈeɪdʒənt/ 氧化剂 yǎng huà jì
hydrogen halide/ˈhaɪdrədʒn ˈhælaɪd/ 卤化氢 lǔ huà qīng
thermal stability/ˈθɜːml stəˈbɪlɪti/ 热稳定性 rè wěn dìng xìng
halide ion/ˈhælaɪd ˈaɪɒn/ 卤离子 lǔ lí zi
reducing agent/rɪˈdjuːsɪŋ ˈeɪdʒənt/ 还原剂 huán yuán jì
ammonia/æˈməʊnɪə/ 氨 ān
11.2

Chemical properties of the halogens and hydrogen halides · ⁨Propriedades químicas dos halogênios e dos haleto de hidrogênio⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English
  1. describe the relative reactivity of the elements as oxidising agents
  2. describe the reactions of the elements with hydrogen and explain their relative reactivity in these reactions
  3. describe the relative thermal stabilities of the hydrogen halides and explain these in terms of bond strengths
Português
  1. descrever a reatividade relativa dos elementos como agentes oxidantes
  2. descrever as reações dos elementos com hidrogênio e explicar sua reatividade relativa nessas reações
  3. descrever a reatividade relativa das estabilidades térmicas dos haletos de hidrogênio e explicá-las em termos de forças das ligações

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fonte: Programa Cambridge International⁩

English

Halogens as oxidising agents

Each halogen reacts by gaining one electron to form a $1-$ ion, so it acts as an oxidising agent 氧化剂. This power decreases down the group, because the larger atoms attract an extra electron less strongly. A more reactive halogen can push out a less reactive one from its salt:

$$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

Reactions with hydrogen

Each halogen reacts with hydrogen to form a hydrogen halide 卤化氢:

$$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

The reaction gets less vigorous down the group: chlorine reacts explosively in light, bromine needs heat, and iodine reacts slowly and only partly.

Thermal stability of the hydrogen halides

The thermal stability 热稳定性 of the hydrogen halides decreases down the group. The H–X bond gets weaker as the halogen atom gets larger, so HI breaks apart on gentle heating while HCl is very stable.

Português

Halogênios como agentes oxidantes

Cada halogênio reage ganhando um elétron para formar um íon $1-$, atuando assim como um agente oxidante 氧化剂. Esse poder diminui descendo no grupo, porque os átomos maiores atraem um elétron extra com menos intensidade. Um halogênio mais reativo pode deslocar um menos reativo de seu sal:

Cloro adicionado a brometo de potássio incolor torna a solução laranja à medida que o bromo é deslocado
O cloro desloca o bromo: a solução fica laranja
$$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$

Reações com hidrogênio

Cada halogênio reage com hidrogênio para formar um haleto de hidrogênio 卤化氢:

$$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$

A reação fica menos vigorosa descendo no grupo: o cloro reage explosivamente na luz, o bromo precisa de calor e o iodo reage lentamente e apenas parcialmente.

Estabilidade térmica dos haletos de hidrogênio

A estabilidade térmica 热稳定性 dos haletos de hidrogênio diminui descendo no grupo. A ligação H–X enfraquece à medida que o átomo de halogênio aumenta, então o HI se decompõe com aquecimento suave, enquanto o HCl é muito estável.

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Laboratório: halogênios e haleto de hidrogênio

Classifique a química dos halogênios por força oxidante e redutora.

11.3

Reactions of the halide ions · ⁨Reações dos íons haleto⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English
  1. describe the relative reactivity of halide ions as reducing agents
  2. describe and explain the reactions of halide ions with: (a) aqueous silver ions followed by aqueous ammonia (the formation and formula of the $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ complex is not required) (b) concentrated sulfuric acid, to include balanced chemical equations
Português
  1. descrever a reatividade relativa dos íons haleto como agentes redutores
  2. descrever e explicar as reações dos íons haleto com: (a) íons prata aquosos seguidos de amônia aquosa (a formação e a fórmula do complexo $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ não são necessárias) (b) ácido sulfúrico concentrado, incluindo equações químicas balanceadas

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fonte: Programa Cambridge International⁩

English

Halide ions as reducing agents

A halide ion 卤离子 (such as $\text{Cl}^-$) can give away an electron, acting as a reducing agent 还原剂. This power increases down the group, because a larger ion holds its outer electron less tightly.

Reaction with aqueous silver ions

Add aqueous silver nitrate, then aqueous ammonia 氨, to identify the halide from the colour of the silver halide precipitate 沉淀:

Halide Precipitate with $\text{Ag}^+$ Solubility in ammonia
$\text{Cl}^-$ white dissolves in dilute ammonia
$\text{Br}^-$ cream dissolves only in concentrated ammonia
$\text{I}^-$ yellow insoluble in ammonia

Reaction with concentrated sulfuric acid

All the halides first give the hydrogen halide. The lower halides are then oxidised by the acid, because they are stronger reducing agents:

$$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
  • chloride gives only $\text{HCl}$ (no redox).
  • bromide also gives some brown $\text{Br}_2$ and $\text{SO}_2$.
  • iodide gives $\text{I}_2$ and the smelly gases $\text{H}_2\text{S}$ and $\text{SO}_2$, because $\text{I}^-$ is the strongest reducing agent.
Português

Íons haleto como agentes redutores

Um íon haleto 卤离子 (como $\text{Cl}^-$) pode ceder um elétron, atuando como um agente redutor 还原剂. Esse poder aumenta descendo no grupo, porque um íon maior segura seu elétron externo com menos firmeza.

Duas colunas descendo no grupo: os halogênios com uma seta para baixo indicando queda do poder oxidante, os íons haleto com uma seta para cima indicando aumento do poder redutor
Duas tendências opostas: o poder oxidante dos halogênios cai descendo no grupo, enquanto o poder redutor dos íons haleto sobe

Reação com íons prata aquosos

Adicione nitrato de prata aquoso, seguido de amônia 氨 aquosa, para identificar o haleto pela cor do precipitado 沉淀 de haleto de prata:

Haleto Precipitado com $\text{Ag}^+$ Solubilidade em amônia
$\text{Cl}^-$ branco dissolve em amônia diluída
$\text{Br}^-$ creme dissolve apenas em amônia concentrada
$\text{I}^-$ amarelo insolúvel em amônia
Três tubos de ensaio com precipitados de haletos de prata: cloreto de prata branco, brometo de prata creme e iodeto de prata amarelo
Precipitados de haletos de prata: AgCl é branco, AgBr creme e AgI amarelo — e sua solubilidade em amônia confirma qual haleto está presente
Três tubos de ensaio reais em um suporte de madeira, rotulados AgCl, AgBr e AgI, contendo um precipitado branco, um creme pálido e um amarelo pálido da esquerda para a direita
O teste de haletos de prata: AgCl é branco, AgBr creme e AgI amarelo

Reação com ácido sulfúrico concentrado

Todos os haletos primeiro produzem o haleto de hidrogênio. Os haletos inferiores são então oxidados pelo ácido, pois são agentes redutores mais fortes:

$$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
  • cloreto dá apenas $\text{HCl}$ (sem redox).
  • brometo também dá algum $\text{Br}_2$ marrom e $\text{SO}_2$.
  • iodeto dá $\text{I}_2$ e os gases cheirosos $\text{H}_2\text{S}$ e $\text{SO}_2$, porque $\text{I}^-$ é o agente redutor mais forte.
Três linhas: cloreto dá apenas HCl, brometo também dá bromo e dióxido de enxofre, iodeto dá iodo, sulfeto de hidrogênio e dióxido de enxofre, com uma seta mostrando que o poder redutor aumenta descendo no grupo
Com ácido sulfúrico concentrado, o cloreto dá apenas HCl, mas o brometo e o iodeto (agentes redutores mais fortes) também são oxidados ao halogênio
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Laboratório: teste de íons haleto

Relacione evidências de íons haleto ao íon presente.

Vocabulary · ⁨Vocabulário⁩ Train · ⁨Treinar⁩
English · ⁨Inglês⁩ Chinese · ⁨Chinês⁩ Pinyin
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 沉淀 chén diàn
oxidation number/ˌɒksɪˈdeɪʃn ˈnʌmbə/ 氧化数 yǎng huà shù
disproportionation/ˌdɪsprəˈpɔːʃəneɪʃn/ 歧化 qí huà
water purification/ˈwɔːtə ˌpjʊərɪfɪˈkeɪʃn/ 水净化 shuǐ jìng huà
bacteria/bækˈtɪərɪə/ 细菌 xì jūn
11.4

Reactions of chlorine · ⁨Reações do cloro⁩

Syllabus · ⁨Programa⁩
English
  1. describe and interpret, in terms of changes in oxidation number, the reaction of chlorine with cold and with hot aqueous sodium hydroxide and recognise these as disproportionation reactions
  2. explain, including by use of an equation, the use of chlorine in water purification to include the production of the active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ which kill bacteria
Português
  1. descrever e interpretar, em termos de mudanças no número de oxidação, a reação do cloro com hidróxido de sódio aquoso frio e quente, reconhecendo-as como reações de disproportionação
  2. explicar, incluindo o uso de uma equação, o uso do cloro na purificação de água, incluindo a produção da espécie ativa $\text{HOCl}$ e $\text{ClO}^-$ que mata bactérias

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Fonte: Programa Cambridge International⁩

English

With sodium hydroxide

With cold, dilute sodium hydroxide, chlorine reacts to form chloride and chlorate(I):

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

With hot, concentrated sodium hydroxide, it forms chloride and chlorate(V):

$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

In both, the oxidation number 氧化数 of chlorine goes both up and down (from $0$), so both are disproportionation 歧化 reactions.

Chlorine in water purification

A little chlorine is added to water for water purification 水净化. It reacts with water:

$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

The active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ kill bacteria 细菌, making the water safe to drink.

Worked example. Solid $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ and $\text{NaI}$ are each warmed with concentrated $\text{H}_2\text{SO}_4$. Predict the products. Reducing power increases down the group, so how far each halide reduces the sulfuric acid differs. $\text{Cl}^{-}$ is too weak to reduce it at all, so you get only steamy $\text{HCl}$ - an acid-base reaction. $\text{Br}^{-}$ reduces it a little: $\text{HBr}$ plus brown $\text{Br}_2$ and $\text{SO}_2$. $\text{I}^{-}$ is the strongest reducing agent: $\text{HI}$ plus $\text{I}_2$, and it drives the sulfur all the way down to $\text{H}_2\text{S}$, with its bad-egg smell. Every halide gives the hydrogen halide first; the extra products appear only where the halide is a strong enough reducing agent to attack the sulfur.

Português
Contêineres de cloro líquido para piscinas
O cloro é adicionado à água da piscina para matar micróbios.

Com hidróxido de sódio

Com hidróxido de sódio frio e diluído, o cloro reage formando cloreto e clorato(I):

$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$

Com hidróxido de sódio quente e concentrado, forma cloreto e clorato(V):

$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$

Em ambos, o número de oxidação 氧化数 do cloro sob e desce (de $0$), portanto, ambas são reações de disproportionamento 歧化.

Cloro na purificação da água

Uma pequena quantidade de cloro é adicionada à água para purificação da água 水净化. Ele reage com a água:

$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$

As espécies ativas $\text{HOCl}$ e $\text{ClO}^-$ matam bactérias 细菌, tornando a água segura para beber.

Exemplo resolvido. Os sólidos $\text{NaCl}$, $\text{NaBr}$ e $\text{NaI}$ são aquecidos separadamente com $\text{H}_2\text{SO}_4$ concentrado. Preveja os produtos. O poder redutor aumenta ao longo do grupo, portanto, o quanto cada haleto reduz o ácido sulfúrico varia. $\text{Cl}^{-}$ é fraco demais para reduzi-lo em absoluto, então você obtém apenas $\text{HCl}$ fumegante — uma reação ácido-base. $\text{Br}^{-}$ reduz um pouco: forma-se $\text{HBr}$ além de $\text{Br}_2$ marrom e $\text{SO}_2$. $\text{I}^{-}$ é o agente redutor mais forte: produz-se $\text{HI}$ e $\text{I}_2$, e ele leva o enxofre até o estado de oxidação $\text{H}_2\text{S}$, que tem cheiro de ovo podre. Todo haleto produz primeiro o haleto de hidrogênio; os produtos adicionais aparecem somente quando o haleto é um agente redutor forte o suficiente para atacar o enxofre.

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Rotação de reação do cloro

Siga o cloro desde o tratamento de água até reações redox.

11.4

Exam tips · ⁨Dicas de prova⁩

English
  • Halogens get less reactive down the group (harder to gain an electron); oxidising power decreases.
  • Displacement: a more reactive halogen displaces a less reactive halide — state the colour change.
  • Test halide ions with $\text{AgNO}_3$: white ($\text{Cl}^-$), cream ($\text{Br}^-$), yellow ($\text{I}^-$), then confirm with dilute/concentrated ammonia.
  • Chlorine with water and with cold $\text{NaOH}$ are disproportionation — show the oxidation-number changes.
Português
  • Halogênios ficam menos reativos descendo no grupo (mais difícil ganhar um elétron); o poder oxidante diminui.
  • Deslocamento: um halogênio mais reativo desloca um haleto menos reativo — indique a mudança de cor.
  • Teste íons haleto com $\text{AgNO}_3$: branco ($\text{Cl}^-$), creme ($\text{Br}^-$), amarelo ($\text{I}^-$), depois confirme com amônia diluída/concentrada.
  • Cloro com água e com $\text{NaOH}$ frio são disproporcionamento — mostre as mudanças no número de oxidação.

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