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鹵族元素
周期系ⅦA族元素
基本信息
| 中文名 | 鹵族元素 |
| 外文名 | Halogen |
| 含義 | 周期系ⅦA族元素，有毒非金屬 |
| 別名 | 鹵素 |
| 包括 | 氟、氯、溴、碘、砹、石田 |
命名
由于鹵素可以和很多金屬形成鹽類，因此英文鹵素
（halogen）來源于希臘語halos（鹽）和gennan（形成）兩個詞。在中文里，鹵的原意是鹽堿地的意思。
鹵族元素
鹵素元素
氟（F）
共價半徑/?：
0.72電子構型: 1s 2sp
其他：K/Na + 單一鹵素的均為白色，液體透明無色
氯（Cl）
鹵族元素
原子序數：17
相對原子質量：35.4527
原子半徑/?：0.97
原子體積/cm/mol： 22.7
共價半徑/?：0.99
電子構型： 1s 2sp 3sp
離子半徑/?：1.81
- CCl4溶液：黃綠色
- 苯溶液：黃綠色
- 銀鹽：AgCl：白色，難溶于水
溴（Br）
英文名稱：Bromine
鹵族元素
相對原子質量：79.904
原子半徑/?：1.12
原子體積/cm/mol： 23.5
共價半徑/?：1.14
電子構型： 1s 2sp 3spd 4sp
離子半徑/?：1.96
相關顏色：
- CCl4溶液：橙紅色
- 苯溶液：橙紅色
- 酒精溶液：橙紅色
碘（I）
原子序數：53
相對原子質量：126.90447
原子半徑/?：1.32
原子體積/cm/mol：25.74
電子構型：1s 2sp 3spd 4spd 5sp
離子半徑/?：2.2
共價半徑/?：1.33
相關顏色：
- CCl4溶液：紫色
- 苯溶液：紫色
- 酒精溶液：褐色
碘在常溫下為紫黑色固體，具有毒性，易溶于汽油、乙醇、苯等溶劑，微溶于水，加碘化物可增加碘的溶解度并加快溶解速度。100g水在常溫下可溶解約0.02g碘。低毒，氧化性弱，有多種可變化合價。有升華性，加熱即升華，蒸汽呈紫紅色，但無空氣時為深藍色。有時需要加水封存。氫碘酸為無放射性的最強氫鹵酸，也是無放射性的最強無氧酸。但腐蝕性是所有無放射氫鹵酸中最弱的，因為碘原子的半徑較大，電子親和能與電負性較小，易于損失氫離子。有還原性。碘是所有鹵族元素中最安全的，因為氟、氯、溴的毒性、腐蝕性均比碘強，而砹雖毒性比碘弱，但有放射性。但是，碘對人體并不安全，尤其是碘蒸氣，會刺激粘膜。即使要補碘，也要用無毒的碘酸鹽（如碘酸鉀KIO?）。所以所有的鹵族元素對人體都不安全。
砹（At）
英文名稱：Astatine
鹵族元素
相對原子質量：209.9871
原子半徑/?： 0.57
原子體積/cm/mol：17.1
共價半徑/?：0.72
電子構型： 1s 2sp 3spd 4spdf 5spd 6sp
離子半徑/?：1.33
鈿（Ts）
英文名：Tennessine
原子序數：117
原子質量：294
原子半徑：未知
原子體積：未知
共價半徑：156-157pm（推算）
電子構型：[氡]5f6d7s7p
電子排布：2/8/18/32/32/18/7（預測）
第一電離能：742.9kJ/mol（預測）
2010年，總部位于俄羅斯首都莫斯科郊外的杜布納聯(lián)合核研究所成功合成了117號新元素——在實驗室人工創(chuàng)造的最新的超重元素。一篇描述了這個新發(fā)現論文已經被《物理評論快報》接受發(fā)表。新元素目前尚未被命名，放入元素周期表的116號元素和118號元素之間的位置，這兩者都已經被發(fā)現。這種超重元素通常是具有非常強的放射性，并且?guī)缀趿⒓磿l(fā)生衰變。但是，許多研究人員認為甚至更重的元素也可能占據一個可以讓超重原子堅持了一段時間“穩(wěn)定島”。新的工作進一步支撐了一觀點。對新元素的進行放射性衰變分析后，尤里的研究小組在新的論文中寫道：“為預測超重元素‘穩(wěn)定島’的存在提供了試驗驗證”。由俄羅斯杜布納的聯(lián)合核研究所的尤里領導的研究小組報告稱用含有97個質子和152個中子的锫-249轟擊鈣Ca-48——一種有20個質子和28個中子組成的Ca-40的同位素。撞擊會生成兩種擁有117個質子的同位素，其中一種核素有176個中子，而另一種核素有177個中子。
2012年，俄羅斯科研小組再次成功合成117號元素，從而為117號元素正式加入元素周期表掃清了障礙。雖然2010年就首次成功合成了117號元素，然而國際理論與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)要求杜布納聯(lián)合核研究所再次合成該元素，之后他們才能正式批準將它加入元素周期表。杜布納聯(lián)合核研究所的一名高級負責人說，研究小組已經成功完成了驗證工作，并向IUPAC正式提交117號元素的登記申請；如果順利，117號元素將會在一年內被命名，并歸入元素周期表。據悉，杜布納聯(lián)合核研究所使用粒子回旋加速器，用由20個質子和28個中子組成的鈣48原子，轟擊含有97個質子和152個中子的锫249原子，生成了6個擁有117個質子的新原子，其中的5個原子有176個中子，另一個原子有177個中子。
國際化學協(xié)會(IUPAC) 最終確定117號元素由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和俄羅斯布納（Dubha）聯(lián)合核研究所的科學家共同合成。117號元素命名為以“田納西州”英文地名拼寫為開頭tennessine的（縮寫Ts），而中文漢字為新造元素字（石田）。
元素性質
原子結構特征
相似性
鹵素的化學性質都很相似，它們的最外電子層上都有7個電子，有取得一個電子形成穩(wěn)定的八隅體結構的鹵離子的傾向，因此鹵素都有氧化性，原子半徑越小，氧化性越強，因此氟是單質中氧化性最強者。除F外，鹵素的氧化態(tài)為+1、+3、+5、+7，與典型的金屬形成離子化合物，其他鹵化物則為共價化合物。鹵素與氫結合成鹵化氫，溶于水生成氫鹵酸。
2F2（g）+2H2O（l）=4HF（aq）+O2（g）
鹵素之間形成的化合物稱為互鹵化物，如ClF?（三氟化氯）、ICl(氯碘化合物）。鹵素還能形成多種價態(tài)的含氧酸，如HClO、HClO?、HClO?、HClO?。鹵素單質都很穩(wěn)定，除了I?以外，鹵素分子在高溫時都很難分解。鹵素及其化合物的用途非常廣泛。例如，我們每天都要食用的食鹽，主要就是由氯元素與鈉元素組成的氯化物，并且還含有有少量的MgCl?。
遞變性
單質氧化性：F2>Cl2>Br2>I2
陰離子還原性：F
鹵素單質的毒性，從F開始依次降低。
另外，鹵素的化學性質都較活潑，因此鹵素只以化合態(tài)存在于自然界中。
條件 | 特殊現象 | 產物穩(wěn)定性 | ||
F2 | 暗處 | 劇烈化合并發(fā)生爆炸 | 很穩(wěn)定 | H2（g）+F2（g）= 2HF（g） |
Cl2 | 光照或點燃 | ——————— | 較穩(wěn)定 | H2（g）+Cl2（g）=2HCl（g）（點燃或光照） |
Br2 | 加熱 | ——————— | 穩(wěn)定性差 | H2（g）+Br2（g）= 2HBr（g）（加熱） |
I2 | 不斷加熱 | 緩慢反應 | 不穩(wěn)定 | H2（g）+I2（g）=2HI（g）（不斷加熱） |
①劇烈程度：逐漸減弱 ②生成HX的穩(wěn)定性：與氫反應的條件不同，生成的氣體氫化物的穩(wěn)定性不同， HF>HCl>HBr>HI。
無氧酸的酸性不同：HI>HBr>HCl>HF。
氯氣難溶于飽和氯化鈉溶液，而碘易溶于碘化鉀溶液（生成I3）
注意：萃取和分液的概念
·在溴水中加入四氯化碳振蕩靜置有何現象？（分層，下層橙紅色上層無色）
鹵離子的鑒別
氯離子：得白色沉淀 Ag（aq）+ Cl（aq）——→AgCl（s）
溴離子：得淡黃色沉淀 Ag（aq）+ Br（aq）——→AgBr（s）
碘離子：得黃色沉淀 Ag（aq）+ I（aq）——→AgI（s）
鹵素的物理、化學特性
通常來說，液體鹵素分子的沸點均要高于它們所對應的烴鏈(alcane)。這主要是由于鹵素分子比烴鏈更易電極化，而分子的電極化增加了分子之間的連接力（正電極與負電極的相互吸引），這使我們需要對液體提供更多的能量才能使其蒸發(fā)。
* 由于鹵素原子相較于碳原子，通常體積和質量較大，所以C-X連接的偶極子矩（Dipole Moment）和鍵能（Bonding Energy）遠大于C-H，這些導致了C-X的連接力（Bonding strength）遠小于C-H連接。
* 鹵素原子脆弱的p軌道（Orbital）與碳原子穩(wěn)定的sp軌道相連接，這也大大降低了C-X連接的穩(wěn)定性。
位于元素周期表右方的鹵族元素是典型的非金屬。鹵素的電子構型均為nsnp，它們獲取一個電子以達到穩(wěn)定結構的趨勢極強烈。所以化學性質很活潑，自然狀態(tài)下不能以單質存在，一般化合價為-1價，即鹵離子（X-）的形式。
鹵素單質都有氧化性，氧化性從氟到碘依次降低。碘單質氧化性比較弱，三價鐵離子可以把碘離子氧化為碘。
鹵素單質在堿中容易歧化，方程式為：
3X（g）+6OH（aq）——→5X（aq）+ XO3（aq）+3H2O（l）
但在酸性條件下，其逆反應（歸中）很容易進行：
5X（aq）+XO3（aq）+6H（aq）——→3X2（g）+3H2O（l）
這一反應是制取溴和碘單質流程中的最后一步。
鹵素的氫化物叫鹵化氫，為共價化合物；而其溶液叫氫鹵酸，因為它們在水中都以離子形式存在，且都是酸。氫氟酸一般看成是弱酸，pKa=3.20。氫氯酸（即鹽酸）、氫溴酸、氫碘酸都是化學中典型的強酸，它們的pKa均為負數，酸性從HCl到HI依次增強。
鹵素可以顯示多種價態(tài)，正價態(tài)一般都體現在它們的含氧酸根中：
鹵素的含氧酸均有氧化性，同一種元素中，次鹵酸的氧化性最強。
鹵素的含氧酸多數只存在于溶液中，而少數鹽是以固態(tài)存在的，如碘酸鹽和高碘酸鹽。HXO(X=F、Cl、Br)、HIO3和HXO4(X=Cl、Br、I)分子在氣相中十分穩(wěn)定，可用質譜和其他方法研究。鹵素存在的含氧酸見下表。
展開表格
只由兩種不同的鹵素形成的化合物叫做互鹵化物，其中顯電正性的一種元素呈現正氧化態(tài)，氧化態(tài)為奇數。這是由于鹵素的價電子數是奇數，周圍以奇數個其它鹵原子與之成鍵比較穩(wěn)定(如IF7)?；u化物都能水解。
鹵素的有機化學反應
在有機化學中，鹵族元素經常作為決定有機化合物化學性質的官能團存在。
氯的存在范圍最廣，按照氟、溴、碘的順序減少，砹是人工合成的元素。鹵素單質都是雙原子分子，都有很強的揮發(fā)性，熔點和沸點隨原子序數的增大而增加。常溫下，氟、氯是氣體、溴是液體，碘是固體。
通常的化學式如：
Nu + R-X =R-Nu + X
"Nu-"在這里代表親核負離子，離子的親核性越強，則產率和化學反應的速度越可觀。
"X"在這里代表鹵素原子，如F、Cl、Br、I，若X所對應的酸(即HX)為強酸，那么產率和反應的速度將非?？捎^，如果若X-所對應的酸為弱酸，則產率和反應的速度均會下降。
鹵素的制成：
不需要催化劑的情況下，產率90%以上。
* 如果希望將Br加在烴鏈第一個碳原子上，可以使用Karasch的方式：
CH3-CH2-CH=CH?+ HBr ——→ CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
催化劑：H2O?
產率90%以上。
* 從苯制作鹵素則必須要通過催化劑，如：
C6H6+ Br2——→C6H5-Br
催化劑：FeBr3或者AlCl3
產率相當可觀。
注意此反應為平衡反應，故產率和速度有限。
ⅦA 族元素包括氟（ F ）、氯 (Cl) 、溴（ Br ）、碘（ I ）、砹（ At ），合稱鹵素。其中砹（ At ）為放射性元素，在產品中幾乎不存在，前四種元素在產品中特別是在聚合物材料中以有機化合物形式存在。應用于產品中的鹵素化合物主要為阻燃劑： PBB ， PBDE ， TBBP-A ， PCB ，六溴十二烷，三溴苯酚，短鏈氯化石蠟；用于做冷凍劑、隔熱材料的臭氧破壞物質： CFCs 、 HCFCs 、 HFCs 等。
危害：在塑料等聚合物產品中添加鹵素（氟，氯，溴，碘）用以提高燃點，其優(yōu)點是：燃點比普通聚合物材料高，燃點大約在 300℃ 。燃燒時，會散發(fā)出鹵化氣體（氟，氯，溴，碘），迅速吸收氧氣，從而使火熄滅。但其缺點是釋放出的氯氣濃度高時，引起的能見度下降會導致無法識別逃生路徑，同時氯氣具有很強的毒性，影響人的呼吸系統(tǒng)，此外，含鹵聚合物燃燒釋放出的鹵素氣在與水蒸汽結合時，會生成腐蝕性有害氣體（鹵化氫），對一些設備及建筑物造成腐蝕。
因此，不少國際大公司在積極推動完全廢止含鹵素材料，如禁止在產品中使用鹵素阻燃劑等。
然而對于無鹵化的要求，不同的產品有不同的限量標準：
如無鹵化電線電纜其中鹵素指標為：所有鹵素的值 ≦50PPM
(根據法規(guī) PREN 14582) ：燃燒后產生鹵化氫氣體的含量<100PPM
(根據法規(guī) EN 5067-2-1) ：燃燒后產生的鹵化氫氣體溶于水后的 PH 值大于等于4.3( 弱酸性 )
(根據法規(guī) EN-5 0267-2-2)：產品在密閉容器中燃燒后透過一束光線其透光率 ≧60%
(根據法規(guī) EN-50268-2) 。
元素名稱 | 氟 | 氯 | 溴 | 碘 |
狀態(tài) | 氣體 | 氣體 | 液體 | 固體 |
顏色 | 淡黃色 | 黃綠色 | 棕紅色 | 紫黑色 |
單質還原性 | 逐漸減小 | |||
氫化物的酸性 | 逐漸增強 | |||
活性 | 逐漸減弱 | |||
國際法規(guī)
IEC 61249-2-21
·氯限值≤900ppm
·溴限值≤900ppm
·溴+氯含量≤1500ppm
國際印刷電路協(xié)會標準 IPC4101B
·氯限值≤900ppm
·溴限值≤900ppm
·溴+氯含量≤1500ppm
日本印刷電路板協(xié)會（JPCA-ES-01-1999）
·氯限值≤900ppm
·溴限值≤900pp
鹵素單質在不同溶劑中的顏色
氯 | 溴 | 碘 | |
水 | 黃綠色 | 黃色至橙色 | 深黃色至褐色 |
苯 | 橙色至橙紅 | 淺紫色至紫色 | |
四氯化碳 | 紫色至深紫色 | ||
汽油 | 淺紫紅色至紫紅 | ||
酒精 | 棕色至深棕色 |
·
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尚可名片
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作者
