Почему галогены значительно лучше растворяются в таких растворителях, как четырёххлористый углерод и толуол, чем в воде, а галогеноводороды — наоборот?

Причина различий в растворимости галогенов и галогеноводородов в воде и неполярных органических растворителях связана с их полярностью и природой межмолекулярных взаимодействий. Разберём это подробнее.

1. Растворимость галогенов (Cl₂, Br₂, I₂)

Галогены в молекулярной форме — это диатомные неполярные молекулы. Их молекулы не имеют значительных дипольных моментов, поэтому они плохо взаимодействуют с полярной водой через водородные связи.

• В воде: молекулы воды образуют водородные связи между собой. Неполярные галогены не могут эффективно участвовать в таких взаимодействиях, поэтому их растворимость в воде крайне низкая.

• В неполярных растворителях (например, четырёххлористый углерод CCl₄, толуол C₆H₅CH₃): молекулы растворителя тоже неполярные, и между ними и галогенами действуют слабые ван-дер-ваальсовы силы (дисперсионные взаимодействия). Поскольку природа взаимодействий совпадает, галогены хорошо растворяются в этих растворителях.

Иными словами, «подобное растворяется в подобном»: неполярные вещества растворяются в неполярных растворителях.

2. Растворимость галогеноводородов (HF, HCl, HBr, HI)

Галогеноводороды — это полярные молекулы, а HF даже сильно полярна и способна образовывать водородные связи.

• В воде: полярные H–X молекулы хорошо взаимодействуют с полярными молекулами воды. В случае HF и HCl появляются водородные связи и сильные диполь-дипольные взаимодействия. Это делает растворимость галогеноводородов в воде высокой.

• В неполярных растворителях: молекулы CCl₄ или толуола неполярные, и они не могут стабилизировать диполи галогеноводородов. Поэтому галогеноводороды практически не растворяются в таких растворителях.

3. Вывод

• Галогены: неполярные → растворяются в неполярных органических растворителях.

• Галогеноводороды: полярные → растворяются в полярной воде.

Главный фактор — сопоставимость полярности растворителя и растворяемого вещества и возможность образования межмолекулярных взаимодействий (водородных связей или диполь-дипольных взаимодействий).

Если объяснить коротко: неполярные вещества любят неполярное, полярные — полярное, а вода — это очень полярная среда, а CCl₄ и толуол — почти полностью неполярные.