卤素

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索
9 F
F,9.jpg
17 Cl
Cl,17.jpg
35 Br
Br,35.jpg
53 I
I,53.jpg
85 At
117 Uus
Uus

卤素元素周期表上的第ⅦA族元素IUPAC新规定:17族),包括(F)、(Cl)、(Br)、(I)、(At)和Uus

卤素的命名[编辑]

由于卤素可以和很多金属形成盐类,因此英文卤素(halogen)来源于希腊语halos(盐)和gennan(形成)两个词。在中文裡,的原意是盐碱地的意思。

卤素的分布[编辑]

卤素在自然界中以化合态广泛存在。

卤素 分布状况[1]
以萤石、冰晶石、氟磷灰石三种矿物存在(地壳质量分数:0.065%)
岩浆岩、沉积岩、海水、盐湖 (地壳质量分数:0.031%;海水含量:20g/L)
岩石、海水、矿井水 (地壳质量分数:0.00016%;海水含量:0.065g/L)
海水(含量:5×10-8%)、智利硝石(含量:0.02%-1%)

卤素的物理、化学特性[编辑]

通常来说,液体卤素分子的沸点均要高于它们所对应的烃链。这主要是由于卤素分子比烷链更加电极化,而分子的电极化增加了分子之间的连接力(正电极与负电极的相互吸引),这使我们需要对液体提供更多的能量才能使其蒸发

位于元素周期表右方的卤族元素是典型的非金属。卤素的电子构型均为ns2np5,它们获取一个电子以达到稳定结构的趋势极强烈。所以化学性质很活泼,自然状态下不能以单质存在,一般化合价为-1价,即卤离子(X)的形式。

卤素 分子 結構 模型 d(X−X) / pm
(氣態)
d(X−X) / pm
(固態)
F2
Difluorine-2D-dimensions.png
Fluorine-3D-vdW.png
143
149
Cl2
Dichlorine-2D-dimensions.png
Chlorine-3D-vdW.png
199
198
Br2
Dibromine-2D-dimensions.png
Bromine-3D-vdW.png
228
227
I2
Diiodine-2D-dimensions.png
Iodine-3D-vdW.png
266
272

卤素的无机化学反应[编辑]

的存在范围最广,按照Uus的顺序减少。卤素单质都是双原子分子,都有很强的挥发性,熔点沸点原子序的增大而增加。常温下,气体液体固体

卤素的氧化性[编辑]

卤素单质都有氧化性,氧化性从氟到砈依次降低。碘单质氧化性比较弱,三价铁离子可以把碘离子氧化为碘。 卤素能与部分金属、非金属单质直接化合。 卤素与水也能发生氧化还原反应,方程式为:

  • 2X2 + 4H2O → 4H+ + 4X- + O2

氟与水反应剧烈,氯在光照下缓慢与水发生该反应,碘不发生这个反应。

卤素的歧化反应[编辑]

卤素单质在碱中容易歧化,方程式为:

  • X2 + 2OH-(冷) → X- + XO- + H2O
  • 3X2 + 6OH(热) → 5X + XO3 + 3H2O

但在酸性条件下,其逆反应很容易进行:

  • 5X + XO3 + 6H+ → 3X2 + 3H2O

这一反应是制取溴和碘单质流程中的最后一步。

卤素的氢化物[编辑]

卤素的氢化物叫卤化氢,为共价化合物;而其溶液叫氢卤酸,因为它们在水中都以离子形式存在,且都是氢氟酸(pKa=3.20)一般看成是弱酸。氢氯酸(即盐酸)、氢溴酸氢碘酸都是典型的强酸,酸性从HCl到HI依次增强,它们的pKa均为负数。

卤素的含氧酸[编辑]

卤素(除氟外,氟只有-1价)可以显示多种价态,正价态一般都体现在它们的含氧酸根中:

卤素的含氧酸均有氧化性,同一种元素中,次卤酸的氧化性最强。

卤素的含氧酸多数只存在于溶液中,而少数盐是以固态存在的,如碘酸盐高碘酸盐。HXO(X=F、Cl、Br)、HIO3和HXO4(X=Cl、Br、I)分子在气相中十分稳定,可用质谱和其他方法研究。卤素存在的含氧酸见下表[2]

氟的含氧酸 氯的含氧酸 溴的含氧酸 碘的含氧酸
HXO HFO HClO HBrO HIO
HXO2 HClO2 HBrO2 HIO2
HXO3 HClO3 HBrO3 HIO3
HXO4 HClO4 HBrO4 HIO4
其他 H7I5O14
其他 H5IO6

卤素的其他无机化学性质[编辑]

卤素的氧化物都是酸酐。像二氧化氯(ClO2)这样的偶氧化态氧化物是混酐。

只由两种不同的卤素形成的化合物叫做互卤化物,其中显电正性的一种元素呈现正氧化态,氧化态为奇数。这是由于卤素的价电子数是奇数,周围以奇数个其它卤原子与之成键比较稳定(如IF7)。互卤化物都能水解。


卤素的化学性质比较表
F2 Cl2 Br2 I2
和Fe反应 FeF3 FeCl3 FeBr3 FeI2
和NaOH反应 NaF + OF2 NaCl + NaClO
加热反应则生成NaCl + NaClO3
NaBr + NaBrO
加热反应则生成NaBr + NaBrO3
NaI + NaIO3
和S反应 SF6
也会产生SF4
S2Cl2
在催化剂的作用下产生SCl2
低温下和低价硫的氯化物作用产生SCl4
S2Br2 不反应

卤素的有机化学反应[编辑]

有机化学中,卤族元素经常作为决定有机化合物化学性质的官能团存在。常用 X 表示。如 R-X 是含鹵素原子的烴類。

卤素的物理特性化学特性明显区分与于它对应的烃链的主要原因,在于卤素原子(如F、Cl、Br、I)与原子的连接,即C-X的连接,明显不同于烃链C-H连接。

  • 由于卤素原子通常具有较大的负电性,所以C-X连接比C-H连接更加电极化,但仍然是共价键
  • 由于卤素原子相较于碳原子,通常体积和质量较大,所以C-X连接的偶极子矩(Dipole Moment)和连接能量(Bonding Energy)远大于C-H,这些导致了C-X的连接力(Bonding strength)远小于C-H连接。
  • 卤素原子脆弱的p轨道(Orbital)与碳原子稳定的sp3轨道相连接,这也大大降低了C-X连接的稳定性。

卤素最常见的有机化学反应为亲核性取代反应(nucleophilic substitution)。

通常的化学式如:

Nu: + R-X → R-Nu + X

“Nu:”在这里代表亲核负离子,离子的亲核性越强,则产率和化学反应的速度越可观。

“X”在这里代表卤素原子,如F、Cl、Br、I,若X所对应的酸(即HX)为强酸,那么产率和反应的速度将非常可观,如果若X所对应的酸为弱酸,则产率和反应的速度均会下降。

有機卤化物的制成[编辑]

通过加成反应[编辑]

可通过加成反应,在一个未饱和烃链加入卤素,此为最简单的方式,如:

CH3-CH2-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH(Br)−CH3

不需要催化剂的情况下,产率90%以上。

Karasch方式[编辑]

如果希望将Br加在烃链第一个碳原子上,可以使用Karasch的方式:

CH3-CH2-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O

催化剂:HO-OH

产率90%以上。

合成[编辑]

合成卤化物则必须要通过催化剂,如:

Benzene halogen.PNG

催化剂:FeX3或者AlX3 (X代表氟、氯、溴、碘)

产率较高。

合成[编辑]

合成卤化物,必须用好的亲核试剂强酸作为催化剂以提高产率和速度: CH3-CH2-CH2-CH2-OH + Br ←→ CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O

催化剂:H+

注意此反应为双向反应,故产率速度有限。

参考资料[编辑]

  1. ^ 北京师范大学、华中师范大学、南京师范大学无机化学教研室. 无机化学(第四版). 北京: 高等教育出版社.第454页.
  2. ^ 《无机化学》丛书.第六卷.2.6.4 卤素含氧酸及其盐.P290-291

参看[编辑]

左方一族: 卤素
第17族(ⅦA)
右方一族:
氧族元素 稀有气体