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卤素

元素类型

鹵素是指在元素週期表中同屬第17族（舊稱ⅦA族）的六个元素：氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砈（At）、缺字图片（Ts），其中砈和缺字图片具有極高的放射性，且缺字图片屬於人造元素。

鹵素
氫（非金屬）
氦（惰性氣體）
鋰（鹼金屬）
鈹（鹼土金屬）
硼（類金屬）
碳（非金屬）
氮（非金屬）
氧（非金屬）
氟（鹵素）
氖（惰性氣體）
鈉（鹼金屬）
鎂（鹼土金屬）
鋁（貧金屬）
矽（類金屬）
磷（非金屬）
硫（非金屬）
氯（鹵素）
氬（惰性氣體）
鉀（鹼金屬）
鈣（鹼土金屬）
鈧（過渡金屬）
鈦（過渡金屬）
釩（過渡金屬）
鉻（過渡金屬）
錳（過渡金屬）
鐵（過渡金屬）
鈷（過渡金屬）
鎳（過渡金屬）
銅（過渡金屬）
鋅（過渡金屬）
鎵（貧金屬）
鍺（類金屬）
砷（類金屬）
硒（非金屬）
溴（鹵素）
氪（惰性氣體）
銣（鹼金屬）
鍶（鹼土金屬）
釔（過渡金屬）
鋯（過渡金屬）
鈮（過渡金屬）
鉬（過渡金屬）
鎝（過渡金屬）
釕（過渡金屬）
銠（過渡金屬）
鈀（過渡金屬）
銀（過渡金屬）
鎘（過渡金屬）
銦（貧金屬）
錫（貧金屬）
銻（類金屬）
碲（類金屬）
碘（鹵素）
氙（惰性氣體）
銫（鹼金屬）
鋇（鹼土金屬）
鑭（鑭系元素）
鈰（鑭系元素）
鐠（鑭系元素）
釹（鑭系元素）
鉕（鑭系元素）
釤（鑭系元素）
銪（鑭系元素）
釓（鑭系元素）
鋱（鑭系元素）
鏑（鑭系元素）
鈥（鑭系元素）
鉺（鑭系元素）
銩（鑭系元素）
鐿（鑭系元素）
鎦（鑭系元素）
鉿（過渡金屬）
鉭（過渡金屬）
鎢（過渡金屬）
錸（過渡金屬）
鋨（過渡金屬）
銥（過渡金屬）
鉑（過渡金屬）
金（過渡金屬）
汞（過渡金屬）
鉈（貧金屬）
鉛（貧金屬）
鉍（貧金屬）
釙（貧金屬）
砈（類金屬）
氡（惰性氣體）
鍅（鹼金屬）
鐳（鹼土金屬）
錒（錒系元素）
釷（錒系元素）
鏷（錒系元素）
鈾（錒系元素）
錼（錒系元素）
鈽（錒系元素）
鋂（錒系元素）
鋦（錒系元素）
鉳（錒系元素）
鉲（錒系元素）
鑀（錒系元素）
鐨（錒系元素）
鍆（錒系元素）
鍩（錒系元素）
鐒（錒系元素）
鑪（過渡金屬）
𨧀（過渡金屬）
𨭎（過渡金屬）
𨨏（過渡金屬）
𨭆（過渡金屬）
䥑（預測為過渡金屬）
鐽（預測為過渡金屬）
錀（預測為過渡金屬）
鎶（過渡金屬）
鉨（預測為貧金屬）
鈇（貧金屬）
鏌（預測為貧金屬）
鉝（預測為貧金屬）
鿬（預測為鹵素）
鿫（預測為惰性氣體）
氧族 ←    → 稀有氣體
IUPAC族編號 17
以元素的命名 氟族元素
俗稱 鹵素
CAS族編號
(US, pattern A-B-A)
 VIIA
舊IUPAC族編號
(Europe, pattern A-B)
 VIIB
↓ 週期
2
Image: 氟
氟 (F)
9 鹵素
3
Image: 氯
氯 (Cl)
17 鹵素
4
Image: 溴
溴 (Br)
35 鹵素
5
Image: 碘
碘 (I)
53 鹵素
6 砈 (At)
85 類金屬
7 鿬 (Ts)
117 鹵素
圖例
原始核素（英语：primordial element）
放射性元素
原子序顏色：

固體、 液體、 氣體

鹵素是一類化學性質非常活潑的元素，能夠和許多金属形成盐类。其熔点和沸点随原子序的增大而增加。标准状况下，氟和氯是气体，溴是液体，碘、砈、缺字图片[1]是固体。在常压常温下，卤素族是唯一有固态，液态和气态元素的族。

卤素的命名编辑

由于卤素可以和很多金属形成盐类，例如氟化鈣、氯化鈉、溴化銀、碘化鉀等，因此英文卤素（halogen）来源于希腊語halos（盐）和gennan（形成）两个词。在中文裡，卤的原意是盐碱地的意思。所有已发现的卤素英文名称都以ine做结尾。

卤素的分布编辑

卤素在自然界中以化合态广泛存在。以氯的存在范围最广，其餘鹵素按照氟、溴、碘、砈、 的顺序减少（砈在自然界中痕量存在， 不存在於自然界中）。

卤素 分布状况[2]
氟 以萤石、冰晶石、氟磷灰石三种矿物存在（地壳质量分数：0.065%）
氯 火成岩、沉积岩、海水、盐湖（地壳质量分数：0.031%；海水含量：20g/L）
溴 岩石、海水、矿井水（地壳质量分数：0.00016%；海水含量：0.065g/L）
碘 海水（含量：5×10-8%）、智利硝石（含量：0.02%-1%）
砈 在某些含放射性同位素的地方，由其他元素放射性衰变產生（含量：少于1g）[3]
  透過粒子加速器人工合成（含量：0g）

卤素的性質编辑

物理性質编辑

名称

元素符号

原子半径（nm）

主要化合价

状态(标况)

单质密度（克/立方厘米）

单质熔点（℃）

单质沸点（℃）

氟 F 0.071 -1 气体 0.0017 -219.62 -188.12
氯 Cl 0.099 -1，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7 氣体 0.0032 -201.5 -34.04
溴 Br 0.114 -1，+1，+3，+4，+5，+7 液体 3.1028 -7.3 58.8
碘 I 0.133 -1，+1，+3，+5，+7 固体 4.933 113.7 184.3
砈 At 0.150 -1，+1，+3，+5，+7 固体 6.2–6.5(推測)[4] 302 337
  Ts 0.156–0.157(推算)[5] -1，+1，+3，+5(推測)[1] 固体(推測)[1][5] 7.1–7.3(推測)[5] 300–500(推測)[1] 550(推測)[1]

化學性質编辑

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。

卤素的单质都是双原子分子，都有很强的挥发性。鹵素的电子构型均为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，在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。

Z 元素 核電外子構型 電子排布[注解 1]
9 氟 2, 7 [He] 2s2 2p5
17 氯 2, 8, 7 [Ne] 3s2 3p5
35 溴 2, 8, 18, 7 [Ar] 3d10 4s2 4p5
53 碘 2, 8, 18, 18, 7 [Kr] 4d10 5s2 5p5
85 砈 2, 8, 18, 32, 18, 7 [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p5
117   2, 8, 18, 32, 32, 18, 7（預測） [Rn] 5f14 6d10 7s2 7p5（預測）[1]
卤素 分子 結構 模型 d（X−X） / pm
（氣態）		 d（X−X） / pm
（固態）
氟
F2
 
 
143
149
氯
Cl2
 
 
199
198
溴
Br2
 
 
228
227
碘
I2
 
 
266
272

卤素的无机化学反应编辑

卤素的氧化性编辑

卤素单质都有氧化性，氧化性从氟到砹依次降低。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 + 2H2O → 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，且都是酸。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。至於氢砹酸則具備氫鹵酸中最強的酸性，但它極易分解為氫與砹單質。[6]

卤素的氧化物编辑

卤素的氧化物见下表：

卤素 X2O X2O2 X2O3 XO2 X2O5 X2O6 X2O7
X=F F2O F2O2
X=Cl Cl2O ClO Cl2O3 ClO2 Cl2O5 Cl2O6 Cl2O7
X=Br Br2O Br2O3 BrO2 Br2O5
X=I I2O5

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。

以氯为例：

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，如碘酸盐和高碘酸盐。HXO（X=Cl、Br、I）、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[7]290-291。

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

在有机化学中，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。

卤素的物理特性和化学特性明显区分于与它对应的烃链的主要原因，在于卤素原子（如F、Cl、Br、I）与碳原子的连接，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。

由苯合成编辑

由苯合成卤化物则必须要通过催化剂，如：

 

催化剂：FeX3或者AlX3（X代表氟、氯、溴、碘）

产率较高。

由醇合成编辑

由醇合成卤化物，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，故产率和速度有限。

鹵素的應用编辑

全世界对氟的最大的应用是在核燃料循环中生产六氟化鈾，每年消耗近7000吨氟。首先二氧化铀与氢氟酸反应生成四氟化铀，然后四氟化铀被氟气氟化生成六氟化鈾[8]，可通过气体扩散法或者气体离心法对铀进行浓缩[9][10]。每年大约有6000吨氟用于生产惰性电介质六氟化硫，该物质可以用于高压变压器与断路器，这样就不必在充油设备中使用危险的多氯联苯了[11]。电子产品中会使用一些氟化合物：在化学气相沉积中会使用六氟化钨或六氟化铼，在等离子蚀刻中会使用聚四氟乙烯[12][13][14][10]。此外氟也可用於牙齒護理、製藥及在血液中攜帶氧氣等。

氯可以作为一种較便宜的消毒劑，一般的自来水及游泳池就常采用它来消毒。但由於氯氣的水溶性較差、毒性較大、會放出特殊氣味，且容易产生有致癌風險的三鹵甲烷等有机氯化合物，故中國、美國等國常改用二氧化氯（ClO2）、氯胺或臭氧等代替氯氣作為水的消毒劑。除了用於消毒，氯氣也是一种重要的化工原料，用於制造盐酸和漂白粉、制造氯代烃。也可以用于制造多种农药、制造氯仿等有机溶剂。此外氯氣還广泛用于造纸、纺织、有机合成、金属冶炼等行业，也有作為化學武器的紀錄。

許多種的有機溴化物在工業上有其應用，其中一部份是由溴製備而來，另一部份則是由溴化氫製備而來。溴化合物在工業上可用於阻燃劑、汽油添加劑、鑽井液和化工原料等，用途十分廣泛。

碘化物的主要用途包括做為催化劑、動物食物添加品、穩定劑、染劑、著色劑、顏料、藥品、清潔衛生（碘酒）、照片與鹵素燈泡等；其他小眾用途為除霧、種雲，和在分析化學中的多種用途。此外其放射性同位素碘-131可用於醫學造影及放射治療。

儘管砈的同位素皆非常不穩定，但砈-211具有核醫學應用。[15]剛製成的砈-211需要馬上使用，因為在7.2小時之後，其總量就會減半。砹-211會釋放α粒子，或經電子捕獲衰變成釋放α粒子的釙-211，所以可用於α粒子靶向治療。[15]

由於 只能利用粒子加速器人工合成，且製備極為困難，製備出的量又極少，半衰期又極短，因此沒有任何商業用途，僅用於學術研究。

生物學作用及防護编辑

氟并非人或者其它哺乳动物必须的元素。少量的氟可能对增加骨强度有益，但是该理论尚未确立。由于日常环境中有很多微量氟的来源，氟缺乏的可能性仅能通过人工饮食来实现[16][17]。至於吸入大量的氟氣對人體來說是劇毒的，會刺激眼、皮膚、呼吸道粘膜。

和氟相似，大量的氯氣對人體來說也是劇毒的，可以損害人體全身器官及神經系統。但氯離子是人體必需的礦物質，在人體中為代謝作用很重要的物質，胃中鹽酸的生成和細胞幫浦的功能皆需要氯，飲食中主要的來源是餐桌上的氯化鈉，血液中過低或高濃度的氯為電解質失調的實例，在沒有其他異常的情況下很少發生低氯血症。

溴在人體中還未找到已知的功能，但有機溴化合物的確自然存在。海中的有機物是有機溴化合物的主要來源，例如海藻和骨螺等。溴對人體具有腐蝕性及劇毒，會刺激皮膚及呼吸道粘膜等，且會對神經系統及腸胃道等造成傷害。

碘是人體必需的元素，用以製造甲狀腺素以調控細胞代謝、神經性肌肉組織發展與成長（特別是在出生胎兒的腦部）[18]。碘缺乏症[19][1]是造成可避免性腦損害疾病最常見的因素，全世界估計有五千萬人深受影響。

砈和 沒有生物學功能。其極高的放射性可能引發輻射中毒，因此砈和 極可能有毒。但由於它們只會出現在受管制的輻射區域，因此絕大多數人不可能攝入砈和 。

注解编辑

  1. ^ 為了簡潔，用惰性氣體標記法表示核外電子排布：先寫出之前一個惰性氣體元素的符號，再繼續寫下該稀有氣體元素之外的電子排布。

参考文献编辑

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Haire, Richard G. Transactinides and the future elements. (编) Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd. Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. 2006: 1724, 1728. ISBN 1-4020-3555-1. 
  2. ^ 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.
  3. ^ Hollerman, Arnold. Inorganic Chemistry. Berlin: Academic Press. 2001: 423. ISBN 0123526515. 
  4. ^ Bonchev, Danail; Kamenska, Verginia. Predicting the properties of the 113–120 transactinide elements. The Journal of Physical Chemistry (ACS Publications). 1981, 85 (9): 1177–86. doi:10.1021/j150609a021. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Bonchev, Danail; Kamenska, Verginia. Predicting the Properties of the 113–120 Transactinide Elements. J. Phys. Chem. 1981, 85: 1177–1186. 
  6. ^ Fairbrother, Peter, "Re: Is hydroastitic acid possible?" 页面存档备份，存于互联网档案馆, accessed July 3, 2009.
  7. ^ 《无机化学》丛书。第六卷.2.6.4卤素含氧酸及其盐.P
  8. ^ Jaccaud et al. 2000, p. 392.
  9. ^ Jaccaud et al. 2000, p. 382.
  10. ^ 10.0 10.1 Villalba，Ayres & Schroder（2008）.
  11. ^ Aigueperse et al. 2000, p. 430.
  12. ^ Jaccaud et al. 2000, pp. 391–392.
  13. ^ El-Kareh 1994，第317页.
  14. ^ Arana et al. 2007.
  15. ^ 15.0 15.1 Vértes, Attila; Nagy, Sándor; Klencsár, Zoltán. Handbook of Nuclear Chemistry 4. Springer. 2003: 337. ISBN 978-1-4020-1316-4. 
  16. ^ Nielsen 2009.
  17. ^ Olivares & Uauy 2004.
  18. ^ Gropper SS, Groff JL, et al.（2005）Advanced Nutrition and Human Metabolism, 4th ed., pp. 468-473. Wardswirth, ISBN 978-0-534-55986-1
  19. ^ iodine deficiency disorder. [2018-11-12]. 

参见编辑

左方一族： 卤素
第17族（ⅦA） 		右方一族：
氧族元素 稀有气体
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