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鹵素是指在元素週期表中同屬第17(舊稱ⅦA族)的六个元素(F)、(Cl)、(Br)、(I)、(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
(F)
9 鹵素
3
Image: 氯
(Cl)
17 鹵素
4
Image: 溴
(Br)
35 鹵素
5
Image: 碘
(I)
53 鹵素
6 (At)
85 類金屬
7 (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。其熔点沸点原子序的增大而增加。标准状况下,气体液体缺字图片固体

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,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。以的存在范围最广,其餘鹵素按照 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[1]
萤石冰晶石氟磷灰石三种矿物存在(地壳质量分数:0.065%)
火成岩沉积岩海水盐湖(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%)
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:約28g)
  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/立方厘米

单质熔点

单质沸点(℃)

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

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 2, 7 [He] 2s2 2p5
17 2, 8, 7 [Ne] 3s2 3p5
35 2, 8, 18, 7 [Ar] 3d10 4s2 4p5
53 2, 8, 18, 18, 7 [Kr] 4d10 5s2 5p5
85 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)[4]
卤素 分子 結構 模型 d(X−X) / pm
(氣態)
d(X−X) / pm
(固態)
F2
 
 
143
149
Cl2
 
 
199
198
Br2
 
 
228
227
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。[5]

卤素的氧化物编辑

卤素的氧化物见下表:

卤素 X2O X2O3 XO2 X2O5 X2O6 X2O7
X=F F2O
X=Cl Cl2O 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:

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=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[6]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

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:

 

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。

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[7],可通过气体扩散法或者气体离心法对铀进行浓缩[8][9]。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[10]。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六氟化铼,在等离子蚀刻中会使用聚四氟乙烯[11][12][13][9]。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有机氯化合物,故中國、美國等國常改用二氧化氯(ClO2)、氯胺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,用於制造盐酸漂白粉、制造氯代烃。也可以用于制造多种农药、制造氯仿有机溶剂。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。[14]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-211,所以可用於α粒子靶向治療[14]

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[15][16]。至於吸入大量的氟氣對人體來說是劇毒的,會刺激皮膚呼吸道粘膜

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,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,例如海藻骨螺等。溴對人體具有腐蝕性及劇毒,會刺激皮膚呼吸道粘膜等,且會對神經系統及胃道等造成傷害。

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)[17]。碘缺乏症[18][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. ^ 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. ^ 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. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Bonchev, Danail; Kamenska, Verginia. Predicting the Properties of the 113–120 Transactinide Elements. J. Phys. Chem. 1981, 85: 1177–1186. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 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. 
  5. ^ 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.
  6. ^ 《无机化学》丛书。第六卷.2.6.4卤素含氧酸及其盐.P
  7. ^ Jaccaud et al. 2000, p. 392.
  8. ^ Jaccaud et al. 2000, p. 382.
  9. ^ 9.0 9.1 Villalba,Ayres & Schroder(2008).
  10. ^ Aigueperse et al. 2000, p. 430.
  11. ^ Jaccaud et al. 2000, pp. 391–392.
  12. ^ El-Kareh 1994,第317页.
  13. ^ Arana et al. 2007.
  14. ^ 14.0 14.1 Vértes, Attila; Nagy, Sándor; Klencsár, Zoltán. Handbook of Nuclear Chemistry 4. Springer. 2003: 337. ISBN 978-1-4020-1316-4. 
  15. ^ Nielsen 2009.
  16. ^ Olivares & Uauy 2004.
  17. ^ Gropper SS, Groff JL, et al.(2005)Advanced Nutrition and Human Metabolism, 4th ed., pp. 468-473. Wardswirth, ISBN 978-0-534-55986-1
  18. ^ 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