標籤:元素周期律

鹵族元素指周期系ⅦA族元素。包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At),簡稱鹵素。它們在自然界都以典型的鹽類存在 ,是成鹽元素。鹵族元素的單質都是雙原子分子,它們的物理性質的改變都是很有規律的,隨著分子量的增大,鹵素分子間的色散力逐漸增強,顏色變深,它們的熔點、沸點、密度、原子體積也依次遞增。鹵素都有氧化性,氟單質的氧化性最強。鹵族元素和金屬元素構成大量無機鹽,此外,在有機合成等領域也發揮著重要的作用。

1鹵素命名

由於鹵素可以和很多金屬形成鹽類,因此英文鹵素(halogen)來源於希臘語halos(鹽)和gennan(形成)兩個詞。在中文裡,鹵的原意是鹽鹼地的意思。
碘、溴、氯

  碘、溴、氯

2鹵族元素(Halogen)

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,溶於水生成氫鹵酸。鹵素之間形成的化合物稱為互鹵化物,如ClF₃(三氟化氯).ICl(氯碘化合物)。鹵素還能形成多種價態的含氧酸,如HClO、HClO₂.HClO₃.HClO₄。鹵素單質都很穩定,除了I₂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,並且還含有有少量的MgCl₂。
鹵素單質的毒性,從F開始依次降低。
從F到At,其氫化物的酸性依次增強,但氫化物的穩定性呈遞減趨勢。
氧化性:F₂> Cl₂> Br₂> I₂> At₂(一些單質是否有氧化性要看具體化學反應)
其對應的鹵離子還原性依次增強。即:F-<Cl-<Br-<I-
另外,鹵素的化學性質都較活潑,因此鹵素只以化合態存在於自然界中。
鹵族元素顏色及狀態的記憶歌謠:氟氣(F)淡黃綠色,氯氣(Cl₂)黃綠色。溴(Br₂)液深紅棕色,碘(I₂)是紫黑固體,砹(At)是黑色固體。

3單質

氟

  氟

氯(Cl)
氯

  氯

英文名稱:Chlorine
原子序數:17
相對原子質量:35.4527
原子半徑/&Aring;: 0.97
原子體積/cm3/mol: 22.7
共價半徑/&Aring;: 0.99
電子構型: 1s2 2s2p6 3s2p5
離子半徑/&Aring;: 1.81
氯氣常溫下為黃綠色氣體,可溶於水,1體積水能溶解2體積氯氣。有毒,與水部分發生反應,生成鹽酸(HCl)與次氯酸(HClO),次氯酸(HClO)不穩定,分解放出氧氣,並生成鹽酸,次氯酸氧化性很強,可用於漂白。氯的水溶液稱為氯水,不穩定,受光照會分解成HCl與氧氣。液態氯氣稱為液氯。HCl是一種強酸。氯有多種可變化合價。氯氣對肺部有強烈刺激。氯可與大多數元素反應。氯氣具有強氧化性 氯氣與變價金屬反應時,生成最高金屬氯化物 。
溴

  溴

碘(I)
碘

  碘

英文名稱:Iodine
原子序數:53
相對原子質量126.90447
原子半徑/&Aring;:1.32
原子體積/cm3/mol:25.74
電子構型:1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10 5s2p5
離子半徑/&Aring;:2.2
共價半徑/&Aring;:1.33
碘在常溫下為紫黑色固體,具有毒性,易溶於汽油、乙醇、苯等溶劑,微溶於水,加碘化物可增加碘的溶解度並加快溶解速度。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,易於損失氫離子。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,碘對人體並不安全,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KIO₃)。所以所有的鹵族元素對人體都不安全。
砹的半衰期:8.3小時

  砹的半衰期:8.3小時

Uus
是一種尚未被發現的化學元素,它的暫訂化學符號是Uus,原子序數是117,屬於鹵素之一,為一種預料元素。
已知的性質
名稱 符號, 序數 Uus、Uus、117
系列 鹵素
族,周期 元素分區 17族(鹵族)(第ⅦA族),7, p
顏色和外表 未知;可能是金屬態;
銀白色或灰色
原子量 [291] 原子量單位
價電子排布 可能為[氡]5f146d107s27p5
電子在每能級的排布 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
原子序數:117
相對原子質量:[291]
核內中子數:173
核內質子數:117
核外電子數:117
核電荷數:117
所屬周期:7
顏色和狀態:金屬
名稱, 符號, 序數
Uus、Uus、117
系列
鹵素
族,周期, 元素分區
15(VIIA)族,7, p
顏色和外表
未知;可能是金屬態;
銀白色或灰色
原子量
291 原子量單位(g·mol?1)
價電子排布
5f146d107s27p5
電子在每能級的排布
2, 8, 18, 32, 32, 18, 7
物質狀態
可能是固態

4化學性質

相似性:

條件
特殊現象
產物穩定性
化學方程式
F2
暗處
劇烈化合併發生爆炸
很穩定
H2(g)+F2(g)= 2HF(g)
Cl2
光照或點燃
———————
較穩定
H2(g)+Cl2(g)=(點燃或光照)2HCl(g)
Br2
加熱
———————
穩定性差
H2(g)+Br2(g)= (加熱)2HBr(g)
I2
不斷加熱
緩慢反應
不穩定
H2(g)+I2(g)=(不斷加熱)2HI(g)
結論:隨著核電荷數的增加,鹵素單質與H2反應變化:F2、Cl2、Br2、I2
①劇烈程度:逐漸減弱 ②生成HX的穩定性:逐漸減弱
2F2(g)+2H2O(l)=4HF(aq)+O2(g)
X2(g)+H2O(l)=HX(aq)+HXO(aq) X=表示Cl Br I
穩定性:HF>HCL>HBr>HI
酸性:HF<HCL<HBr<HI
單質氧化性:F2>CL2>Br2>I2
陰離子還原性: Fˉ<Clˉ
Fˉ只有還原性, 其餘既有氧化性又有還原性。

5物理性質

鹵素相關顏色
元素
單質
水溶液(溶解度為20℃的數據)
CCl4
酒精
銀鹽
其他
F
氟氣:淡黃綠色
與水劇烈反應
\\
\\
\\
AgF;白色,可溶於水
K+/Na+單一鹵素的均為白色,液體透明無色
Cl
氯氣:黃綠色
氯水:黃綠色,溶解度0.09mol/L
黃綠色
黃綠色

AgCl:白色,難溶於水
CuCl2固體(無結晶水):棕黃色 溶液:藍色
FeCl3溶液:黃色
FeCl2溶液:淺綠色
Br
液溴:深紅棕色
溴水:橙色,溶解度0.21mol/L(由於濃度不同在題中可能會出現如下顏色:黃色,棕紅(紅棕)色)
橙紅色
橙紅色
橙紅色
AgBr:淡黃色,難溶於水
BaBr2溶液:無色
CuBr2固體:黑色結晶或結晶性粉末
MgBr2溶液:無色
I
碘單質:紫黑色
碘蒸氣;紫色
碘水:棕黃色,溶解度0.0013mol/L(由於濃度不同,在題中可能會出現如下顏色:棕黃色,紫(紅)色,褐色)
紫色
紫色
褐色
AgI:黃色,難溶於水,
\\

6元素性質

遞變性
氫化物沸點有所不同:HF>HI>HBr>HCl,原因是HF有氫鍵沸點最高,其他隨分子量變大分子間作用力增大,沸點升高
與氫反應的條件不同,生成的氣體氫化物的穩定性不同, HF>HCl>HBr>HI,
無氧酸的酸性不同,HI>HBr>HCl>HF.。
與水反應的程度不同,從F2 ~I2逐漸減弱。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)
·在碘水中加入煤油振蕩靜置有何現象?(分層,上層紫紅色,下層無色)
鹵離子的鑒別:加入HNO3酸化的硝酸銀溶液,
氯離子:得白色沉澱 Ag+(aq)+ Cl-(aq)——→AgCl(s)
溴離子:得淡黃色沉澱 Ag+(aq)+ Br-(aq)——→AgBr(s)
碘離子:得黃色沉澱 Ag+(aq)+ I-(aq)——→AgI(s)
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。
氯的存在範圍最廣,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。
鹵素最常見的有機化學反應為親核取代反應(nucleophilic substitution)。
通常的化學式如:
Nu:- + R-X ;=R-Nu + X-
"Nu:-"在這裡代表親核負離子,離子的親核性越強,則產率和化學反應的速度越可觀。
"X"在這裡代表鹵素原子,如F,Cl,Br,I,若X-所對應的酸(即HX)為強酸,那麼產率和反應的速度將非常可觀,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。
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。鹵素的有機化學反應
鹵素的製成
* 從一個未飽和烴鏈製作鹵素為最簡單的方式,通過加成反應,如:
CH3-CH2-CH=CH2 + HBr——→CH3-CH2-CH(Br)-CH?
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。
* 從苯製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。
* 從酒精製作鹵素,必須通過好的親核體,強酸作為催化劑以提高產率和速度:
CH3-CH2-CH2-CH2-OH + HBr ——→CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
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。目前應用於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;用於做冷凍劑、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,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),對一些設備及建築物造成腐蝕。
PBB , PBDE , TBBPA 等溴化阻燃劑是目前使用較多的阻燃劑,主要應用在電子電器行業,包括:電路板、電腦、燃料電池、電視機和印表機等等。
這些含鹵阻燃劑材料在燃燒時產生二惡英,且在環境中能存在多年,甚至終身累積於生物體,無法排出。
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。
目前對於無鹵化的要求,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 PREN 14582) ;燃燒后產生鹵化氫氣體的含量<100PPM
(根據法規 EN 5067-2-1) ;燃燒后產生的鹵化氫氣體溶於水后的 PH 值大於等於4.3( 弱酸性 )
(根據法規 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 EN-50268-2) 。
元素名稱
狀態
氣體
氣體
液體
固體
顏色
黃綠色
黃綠色
棕紅色
紫黑色
酸性
逐漸減小
氫化物的酸性
逐漸增強
活性
逐漸減弱



國際法規

IEC 61249-2-21
印刷電路版材料和其他互聯結構-2-21部分:包被和非包被增強基材,阻燃劑(垂直燃燒試驗)銅包被的無鹵素環氧編織E型玻璃纖維增強層壓板(規定電路板的所有材料的鹵素)
·氯限值≤900ppm
·溴限值≤900ppm
·溴+氯含量≤1500ppm
國際印刷電路協會標準 IPC4101B
·氯限值≤900ppm
·溴限值≤900ppm
·溴+氯含量≤1500ppm
日本印刷電路板協會(JPCA-ES-01-1999)
·氯限值≤900ppm
·溴限值≤900ppm

7參見

·氮族元素(Pnictogen
·氧族元素(Chalcogen
·稀有氣體(Noble gas
·碳族元素(Carbon group)
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