卤素

命名

由于卤素可以和很多金属形成盐类因此英文卤素溴氯" style="float: right;" picsrc="6f470395ef34251b7bf480c0" data-layout="right" width="200" height="142" url="http://f.hiphotos.baidu.com/baike/s%3D220/sign=dc9491ee5266d0167a19992aa72bd498/b21bb051f8198618d335fda74aed2e738bd4e6a7.jpg" compressw="200" compressh="142" useredit="1" />halogen来源于希腊语halos盐和gennan形成两个词在中文里卤的原意是盐碱地的意思

卤素元素

F" class="anchor-2">氟F

共价半径/Å: 0.72

电子构型: 1s2 2s2p5

1. 单质氟气淡黄绿色

2. 水溶液溶解度为20℃的数据与水剧烈反应(即氢氟酸2F2+2H2O==4HF+O2

3. 银盐AgF白色可溶于水

4. 其他K/Na+单一卤素的均为白色液体透明无色

氟气常温下为淡黄绿色的气体有剧毒与水反应立即生成氢氟酸和氧气并发生燃烧同时能使容器破裂量多时有爆炸的危险氟氟化氢氢氟酸对玻璃都有较强的腐蚀性氟是氧化性最强的元素而且不具有d轨道只能呈1价单质氟与盐溶液的反应都是先与水反应生成的氢氟酸再与盐的反应通入碱中可能导致爆炸水溶液氢氟酸是一种弱酸但却是稳定性最强的氢卤酸因为氟原子含有较大的电子亲和能如果皮肤不慎粘到将一直腐蚀到骨髓化学性质活泼能与几乎所有元素发生反应除氦氖等惰性气体

Cl" class="anchor-2">氯Cl

氯

英文名称Chlorine

原子序数17

相对原子质量35.4527

原子半径/Å: 0.97

原子体积/cm3/mol: 22.7

共价半径/Å: 0.99

电子构型: 1s2 2s2p6 3s2p5

离子半径/Å: 1.81

1. 单质氯气黄绿色

2. 水溶液溶解度为20℃的数据氯水黄绿色溶解度0.09mol/L

3. CCl4溶液黄绿色

4. 苯溶液黄绿色

5. 银盐AgCl白色难溶于水

6. 其他CuCl2固体无结晶水棕黄色 CuCl2溶液蓝色FeCl3溶液黄色FeCl2溶液浅绿色

氯气常温下为黄绿色气体可溶于水1体积水能溶解2体积氯气有毒与水部分发生反应生成盐酸HCl与次氯酸HClO)次氯酸HClO)不稳定分解放出氧气并生成盐酸次氯酸氧化性很强可用于漂白氯的水溶液称为氯水不稳定受光照会分解成HCl与氧气液态氯气称为液氯HCl溶液是一种强酸氯有多种可变化合价氯气对肺部有强烈刺激氯可与大多数元素反应氯气具有强氧化性 氯气与变价金属反应时生成最高金属氯化物

通常所说的元素随其价态升高氧化性增强氯的含氧酸氧化性大小为HClO4

Br" class="anchor-2">溴Br

英文名称Bromine

溴

原子序数35

相对原子质量79.904

原子半径/Å: 1.12

原子体积/cm3/mol: 23.5

共价半径/Å: 1.14

电子构型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p5

离子半径/Å: 1.96

相关颜色

1. 单质液溴深红棕色

2. 水溶液溶解度为20℃的数据溴水橙色溶解度0.21mol/L由于浓度不同在题中可能会出现如下颜色黄色棕红红棕色

3. CCl4溶液橙红色

4. 苯溶液橙红色

5. 酒精溶液橙红色

6. 银盐AgBr淡黄色难溶于水

7. 其他BaBr2溶液无色CuBr2固体黑色结晶或结晶性粉末MgBr2溶液无色

液溴在常温下为深红棕色液体可溶于水100克水能溶解约3克溴挥发性极强有毒蒸气强烈刺激眼睛粘膜等水溶液称为溴水溴单质需要存储容器的封口带有水封防止蒸气逸出危害人体有氧化性有多种可变化合价常温下与水微弱反应生成氢溴酸和次溴酸加热可使反应加快氢溴酸是一种强酸酸性强于氢氯酸溴一般用于有机合成等方面还可用于一些物质的萃取如碘

I" class="anchor-2">碘I

英文名称Iodine

原子序数53

相对原子质量126.90447

原子半径/Å:1.32

原子体积/cm3/mol:25.74

电子构型:1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10 5s2p5

离子半径/Å:2.2

共价半径/Å:1.33

相关颜色

1. 单质碘单质紫黑色碘蒸气紫色

2. 水溶液溶解度为20℃的数据碘水棕黄色溶解度0.0013mol/L由于浓度不同在题中可能会出现如下颜色棕黄色紫红色褐色

3. CCl4溶液紫色

4. 苯溶液紫色

5. 酒精溶液褐色

6. 银盐AgI黄色难溶于水

碘在常温下为紫黑色固体具有毒性易溶于汽油乙醇苯等溶剂微溶于水加碘化物可增加碘的溶解度并加快溶解速度100g水在常温下可溶解约0.02g碘低毒氧化性弱有多种可变化合价有升华性加热即升华蒸汽呈紫红色但无空气时为深蓝色有时需要加水封存氢碘酸为无放射性的最强氢卤酸也是无放射性的最强无氧酸但腐蚀性是所有无放射氢卤酸中最弱的因为碘原子的半径较大电子亲和能与电负性较小易于损失氢离子有还原性 碘是所有卤族元素中最安全的因为氟氯溴的毒性腐蚀性均比碘强而砹虽毒性比碘弱但有放射性但是碘对人体并不安全尤其是碘蒸气会刺激粘膜即使要补碘也要用无毒的碘酸盐如碘酸钾KIO?所以所有的卤族元素对人体都不安全

At" class="anchor-2">砹At

英文名称Astatine

砹的半衰期:8.3小时

原子序数85

相对原子质量209.9871

原子半径/Å: 0.57

原子体积/cm3/mol: 17.1

共价半径/Å: 0.72

电子构型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d10 6s2p5

离子半径/Å:1.33

砹At极不稳定砹210是半衰期最长的同位素其半衰期也只有8.3小时地壳中砹含量只有10亿亿亿分之一主要是镭锕钍自动分裂的产物砹是放射性元素其量少不稳定难于聚集其 庐山真面目谁都没见过金属性应该更强颜色应比碘还要深可能呈黑色固体但科学家却合成砹的同位素20种砹的金属性质比碘还明显一些可以与银化合形成极难还原的AgAt砹与氢化合产生的氢砹酸HAt是最强的最不稳定的氢卤酸但腐蚀性是所有氢卤酸中最弱的

Uus

117号元素

2010年总部位于俄罗斯首都莫斯科郊外的杜布纳联合核研究所成功合成了117号新元素在实验室人工创造的最新的超重元素一篇描述了这个新发现论文已经被物理评论快报接受发表新元素目前尚未被命名放入元素周期表的116号元素和118号元素之间的位置这两者都已经被发现这种超重元素通常是具有非常强的放射性并且几乎立即会发生衰变但是许多研究人员认为甚至更重的元素也可能占据一个可以让超重原子坚持了一段时间稳定岛新的工作进一步支撑了一观点对新元素的进行放射性衰变分析后尤里的研究小组在新的论文中写道为预测超重元素稳定岛的存在提供了试验验证由俄罗斯杜布纳的联合核研究所的尤里领导的研究小组报告称用含有97个质子和152个中子的锫249轰击钙Ca48一种有20个质子和28个中子组成的Ca40的同位素撞击会生成两种拥有117个质子的同位素其中一种核素有176个中子而另一种核素有177个中子

2012年俄罗斯科研小组再次成功合成117号元素从而为117号元素正式加入元素周期表扫清了障碍虽然2010年就首次成功合成了117号元素然而国际理论与应用化学联合会(IUPAC)要求杜布纳联合核研究所再次合成该元素之后他们才能正式批准将它加入元素周期表杜布纳联合核研究所的一名高级负责人说研究小组已经成功完成了验证工作并向IUPAC正式提交117号元素的登记申请如果顺利117号元素将会在一年内被命名并归入元素周期表据悉杜布纳联合核研究所使用粒子回旋加速器用由20个质子和28个中子组成的钙48原子轰击含有97个质子和152个中子的锫249原子生成了6个拥有117个质子的新原子其中的5个原子有176个中子另一个原子有177个中子

已知的性质

名称 符号, 序数 UusUus117

系列 卤素

族周期 元素分区 17族卤族第ⅦA族7, p

颜色和外表 未知可能是金属态

银白色或灰色

原子量 原子量单位

价电子排布 可能为[氡]5f146d107s27p5

电子在每能级的排布 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7

原子序数117

相对原子质量

核内中子数173

核内质子数117

核外电子数117

核电荷数117

所属周期7

颜色和状态金属

名称 符号 序数	UusUus117
系列	卤素
族周期 元素分区	15(VIIA)族7, p
颜色和外表	未知可能是金属态 银白色或灰色
原子量	291 原子量单位(g·mol?1)
价电子排布	5f146d107s27p5
电子在每能级的排布	2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
物质状态	可能是固态

元素性质

原子结构特征

最外层电子数相同均为7个电子由于电子层数不同原子半径不同从F～I原子半径依次增大因此原子核对最外层的电子的吸引能力依次减弱从外界获得电子的能力依次减弱单质的氧化性减弱

相似性

卤素的化学性质都很相似它们的最外电子层上都有7个电子有取得一个电子形成稳定的八隅体结构的卤离子的倾向因此卤素都有氧化性原子半径越小氧化性越强因此氟是单质中氧化性最强者除F外卤素的氧化态为+1+3+5+7与典型的金属形成离子化合物其他卤化物则为共价化合物卤素与氢结合成卤化氢溶于水生成氢卤酸

2F2g+2H2Ol=4HFaq+O2g

X2g+H2Ol=HXaq+HXOaq X=表示Cl Br I

卤素之间形成的化合物称为互卤化物如ClF?三氟化氯ICl(氯碘化合物卤素还能形成多种价态的含氧酸如HClOHClO?HClO?HClO?卤素单质都很稳定除了I?以外卤素分子在高温时都很难分解卤素及其化合物的用途非常广泛例如我们每天都要食用的食盐主要就是由氯元素与钠元素组成的氯化物并且还含有有少量的MgCl?

递变性

单质的物理递变性从F2到I2颜色由浅变深状态由气态液态到固态熔沸点逐渐升高密度逐渐增大溶解性逐渐减小

单质氧化性F2>CL2>Br2>I2

阴离子还原性F^----

Fˉ只有还原性 其余既有氧化性又有还原性

卤素单质的毒性从F开始依次降低

另外卤素的化学性质都较活泼因此卤素只以化合态存在于自然界中

氢化物沸点有所不同HF>HI>HBr>HCl,原因是HF有氢键沸点最高其他随分子量变大分子间作用力增大沸点升高

	条件	特殊现象	产物稳定性	化学方程式
F2	光照	剧烈化合并发生爆炸	很稳定	H2g+F2g= 2HFg
Cl2	光照或点燃		较稳定	H2g+Cl2g=点燃或光照2HClg
Br2	加热		稳定性差	H2g+Br2g= 加热2HBrg
I2	不断加热	缓慢反应	不稳定	H2g+I2g=不断加热2HIg

结论随着核电荷数的增加卤素单质与H2反应变化F2Cl2Br2I2

①剧烈程度逐渐减弱 ②生成HX的稳定性与氢反应的条件不同生成的气体氢化物的稳定性不同 HF>HCl>HBr>HI

无氧酸的酸性不同HI>HBr>HCl>HF

注意萃取和分液的概念

·在溴水中加入四氯化碳振荡静置有何现象分层下层橙红色上层无色

·在碘水中加入煤油振荡静置有何现象分层上层紫红色下层无色

卤离子的鉴别

加入HNO3酸化的硝酸银溶液

氯离子得白色沉淀 Ag+aq+ Cl-aq→AgCls

溴离子得淡黄色沉淀 Ag+aq+ Br-aq→AgBrs

碘离子得黄色沉淀 Ag+aq+ I-aq→AgIs

卤素的物理化学特性

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(alcane)这主要是由于卤素分子比烃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

卤素的物理特性和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和键能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

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

卤素单质都有氧化性氧化性从氟到碘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

卤素单质在碱中容易歧化方程式为

3X?g+6OH-aq→5X-aq+ XO3-aq+3H2Ol

但在酸性条件下其逆反应很容易进行

5X-aq+XO3-aq+6H+aq→3X?g+3H2Ol

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一般看成是弱酸pKa=3.20氢氯酸即盐酸氢溴酸氢碘酸都是化学中典型的强酸它们的pKa均为负数酸性从HCl到HI依次增强

卤素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和高碘酸盐HXO(X=FClBr)HIO3和HXO4(X=ClBrI)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

	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

卤素的有机化学反应

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

氯的存在范围最广按照氟溴碘的顺序减少砹是人工合成的元素卤素单质都是双原子分子都有很强的挥发性熔点和沸点随原子序数的增大而增加常温下氟氯是气体溴是液体碘是固体

卤素最常见的有机化学反应为亲核取代反应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

卤素的制成

* 从一个未饱和烃链制作卤素为最简单的方式通过加成反应如

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

不需要催化剂的情况下产率90%以上

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

催化剂H2O?

产率90%以上

* 从苯制作卤素则必须要通过催化剂如

C6H6+ Br2→C6H5-Br

催化剂FeBr3或者AlCl3

产率相当可观

* 从酒精制作卤素必须通过好的亲核体强酸作为催化剂以提高产率和速度

CH3-CH2-CH2-CH2-OH + HBr →CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O

注意此反应为平衡反应故产率和速度有限

ⅦA 族元素包括氟 F 氯 (Cl) 溴 Br 碘 I 砹 At 合称卤素其中砹 At 为放射性元素在产品中几乎不存在前四种元素在产品中特别是在聚合物材料中以有机化合物形式存在应用于产品中的卤素化合物主要为阻燃剂 PBB PBDE TBBP-A PCB 六溴十二烷三溴苯酚短链氯化石蜡用于做冷冻剂隔热材料的臭氧破坏物质 CFCs HCFCs HFCs 等

危害在塑料等聚合物产品中添加卤素氟氯溴碘用以提高燃点其优点是燃点比普通聚合物材料高燃点大约在 300℃ 燃烧时会散发出卤化气体氟氯溴碘迅速吸收氧气从而使火熄灭但其缺点是释放出的氯气浓度高时引起的能见度下降会导致无法识别逃生路径同时氯气具有很强的毒性影响人的呼吸系统此外含卤聚合物燃烧释放出的卤素气在与水蒸汽结合时会生成腐蚀性有害气体卤化氢对一些设备及建筑物造成腐蚀

PBB PBDE TBBPA 等溴化阻燃剂是使用较多的阻燃剂主要应用在电子电器行业包括电路板电脑燃料电池电视机和打印机等等

这些含卤阻燃剂材料在燃烧时产生二恶英且在环境中能存在多年甚至终身累积于生物体无法排出

因此不少国际大公司在积极推动完全废止含卤素材料如禁止在产品中使用卤素阻燃剂等

然而对于无卤化的要求不同的产品有不同的限量标准

如无卤化电线电缆其中卤素指标为所有卤素的值 ≦50PPM

(根据法规 PREN 14582) ;燃烧后产生卤化氢气体的含量<100PPM

(根据法规 EN 5067-2-1) ;燃烧后产生的卤化氢气体溶于水后的 PH 值大于等于4.3( 弱酸性 )

(根据法规 EN-5 0267-2-2);产品在密闭容器中燃烧后透过一束光线其透光率 ≧60%

(根据法规 EN-50268-2)

元素名称	氟	氯	溴	碘
状态	气体	气体	液体	固体
颜色	黄绿色	黄绿色	棕红色	紫黑色
酸性	逐渐减小
氢化物的酸性	逐渐增强
活性	逐渐减弱

国际法规

IEC 61249-2-21

印刷电路版材料和其他互联结构-2-21部分包被和非包被增强基材阻燃剂垂直燃烧试验铜包被的无卤素环氧编织E型玻璃纤维增强层压板规定电路板的所有材料的卤素

·氯限值≤900ppm

·溴限值≤900ppm

·溴+氯含量≤1500ppm

国际印刷电路协会标准IPC4101B

·氯限值≤900ppm

·溴限值≤900ppm

·溴+氯含量≤1500ppm

日本印刷电路板协会JPCA-ES-01-1999

·氯限值≤900ppm

·溴限值≤900pp

·