Галогены представляют собой элементы VII группы периодической системы: фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I) и астат (At). Они характеризуются высокой химической активностью и разнообразием агрегатных состояний при комнатной температуре: фтор и хлор — газы, бром — жидкость, йод и астат — твердые вещества. Цвет галогенов варьируется от светло-желтого (фтор) до темно-фиолетового (йод), что связано с особенностями их молекулярной структуры и взаимодействия с видимым светом. Все галогены существуют в виде двуатомных молекул X₂, что определяется их способностью образовывать одинарные ковалентные связи между атомами.
Плотность и температура плавления галогенов увеличиваются с ростом атомного номера, что объясняется усилением межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса. Например, температура плавления фтора составляет −220 °C, тогда как у йода она достигает 114 °C. Электропроводность чистых галогенов крайне низкая, поскольку они представляют собой неполярные молекулы.
Галогены обладают выраженной электроотрицательностью, уменьшающейся сверху вниз по группе: F > Cl > Br > I > At. Наиболее активным является фтор, способный взаимодействовать с почти всеми элементами, включая благородные газы и воду. Взаимодействие с металлами приводит к образованию солей — галогенидов. Примеры реакций:
2Na + Cl2 → 2NaCl
Ca + F2 → CaF2
С неметаллами галогены образуют ковалентные соединения. Например, взаимодействие с водородом приводит к образованию галогеноводородов:
$$ H_2 + Cl_2 \xrightarrow{свет} 2HCl $$
Галогены обладают способностью к окислению: фтор является сильнейшим окислителем среди элементов, хлор и бром умеренно сильными, йод проявляет слабую окислительную активность. Сила окислителя падает сверху вниз по группе. Они также образуют межгалогенные соединения, например ClF₃ и BrF₅, обладающие специфическими химическими свойствами.
Фтор реагирует с водой, образуя кислоты и кислород:
2F2 + 2H2O → 4HF + O2
Хлор частично растворим в воде, образуя смесь HCl и HClO, что определяет его дезинфицирующие свойства. Бром и йод менее растворимы, причем йод растворяется в воде с образованием слабой йодной кислоты (HIO₃) или при взаимодействии с KI — йодид-иона (I⁻).
Атомы галогенов имеют семь электронов на внешнем энергетическом уровне (ns²np⁵), что обуславливает их высокую химическую активность и тенденцию к завершению октаэдра путем присоединения одного электрона. В соединениях с металлами образуют ионные связи, тогда как с неметаллами преобладает ковалентная полярная связь. Полярность молекул галогенов и их производных играет ключевую роль в растворимости и реакционной способности.
Хлор и йод имеют важное биологическое значение: хлор участвует в поддержании кислотно-щелочного баланса и осмотического давления в организме, йод необходим для синтеза тиреоидных гормонов. Фтор используется в зубных пастах для профилактики кариеса. Галогены применяются в производстве дезинфицирующих средств, полимеров (например, ПВХ), красителей, фотохимических и пестицидных соединений. Высокая химическая активность делает их также важными окислителями в промышленности.
Эти тенденции отражают закономерности изменения межатомных взаимодействий и энергетических уровней, что имеет фундаментальное значение для понимания химических реакций и практического применения галогенов.