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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(gòu)型: 1s 2sp
其他：K/Na + 單一鹵素的均為白色，液體透明無色
氟氣常溫下為淡黃色的氣體，有劇毒。與水反應(yīng)立即生成氫氟酸和氧氣并發(fā)生燃燒，同時能使容器破裂，量多時有爆炸的危險。氟、氟化氫（氫氟酸）對玻璃都有較強(qiáng)的腐蝕性。氟是非金屬性最強(qiáng)的元素（而且不具有d軌道），只能呈-1價。單質(zhì)氟與鹽溶液的反應(yīng)，都是先與水反應(yīng)，生成的氫氟酸再與鹽的反應(yīng)；通入堿中可能導(dǎo)致爆炸。水溶液氫氟酸是一種中強(qiáng)酸。但卻是穩(wěn)定性最強(qiáng)的氫鹵酸，因?yàn)榉雍休^大的電子親和能。如果皮膚不慎粘到，將一直腐蝕到骨髓?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑，能與幾乎所有元素發(fā)生反應(yīng)（除氦、氖等惰性氣體）。
氯（Cl）
鹵族元素
原子序數(shù)：17
相對原子質(zhì)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(gòu)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(zhì)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(gòu)型： 1s 2sp 3spd 4sp
離子半徑/?：1.96
相關(guān)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(shù)：53
相對原子質(zhì)量：126.90447
原子半徑/?：1.32
原子體積/cm/mol：25.74
電子構(gòu)型：1s 2sp 3spd 4spd 5sp
離子半徑/?：2.2
共價半徑/?：1.33
相關(guān)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(lán)色。有時需要加水封存。氫碘酸為無放射性的最強(qiáng)氫鹵酸，也是無放射性的最強(qiáng)無氧酸。但腐蝕性是所有無放射氫鹵酸中最弱的，因?yàn)榈庠拥陌霃捷^大，電子親和能與電負(fù)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?yàn)榉?、氯、溴的毒性、腐蝕性均比碘強(qiáng)，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(bǔ)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(zhì)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(gòu)型： 1s 2sp 3spd 4spdf 5spd 6sp
離子半徑/?：1.33
鈿（Ts）
英文名：Tennessine
原子序數(shù)：117
原子質(zhì)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(gòu)型：[氡]5f6d7s7p
電子排布：2/8/18/32/32/18/7（預(yù)測）
第一電離能：742.9kJ/mol（預(yù)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(shí)驗(yàn)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(xiàn)論文已經(jīng)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(jīng)被發(fā)現(xiàn)。這種超重元素通常是具有非常強(qiáng)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(rèn)為甚至更重的元素也可能占據(jù)一個可以讓超重原子堅(jiān)持了一段時間“穩(wěn)定島”。新的工作進(jìn)一步支撐了一觀點(diǎn)。對新元素的進(jìn)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(yù)測超重元素‘穩(wěn)定島’的存在提供了試驗(yàn)驗(yàn)證”。由俄羅斯杜布納的聯(lián)合核研究所的尤里領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報告稱用含有97個質(zhì)子和152個中子的锫-249轟擊鈣Ca-48——一種有20個質(zhì)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(zhì)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(yīng)用化學(xué)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(zhǔn)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(fù)責(zé)人說，研究小組已經(jīng)成功完成了驗(yàn)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(nèi)被命名，并歸入元素周期表。據(jù)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(zhì)子和28個中子組成的鈣48原子，轟擊含有97個質(zhì)子和152個中子的锫249原子，生成了6個擁有117個質(zhì)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(xué)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(shí)驗(yàn)室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和俄羅斯布納（Dubha）聯(lián)合核研究所的科學(xué)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(zhì)
原子結(jié)構(gòu)特征
最外層電子數(shù)相同，均為7個電子，由于電子層數(shù)不同，原子半徑不同，從F～I(xiàn)原子半徑依次增大，因此原子核對最外層的電子的吸引能力依次減弱，從外界獲得電子的能力依次減弱，單質(zhì)的氧化性減弱。
相似性
鹵素的化學(xué)性質(zhì)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(jié)構(gòu)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(qiáng)，因此氟是單質(zhì)中氧化性最強(qiáng)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(jié)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(zhì)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(zhì)氧化性：F2>Cl2>Br2>I2
陰離子還原性：F
鹵素單質(zhì)的毒性，從F開始依次降低。
另外，鹵素的化學(xué)性質(zhì)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(xiàn)象 | 產(chǎn)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(diǎn)燃 | ——————— | 較穩(wěn)定 | H2（g）+Cl2（g）=2HCl（g）（點(diǎn)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(yīng) | 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(yīng)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(xiàn)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(xué)特性
通常來說，液體鹵素分子的沸點(diǎn)均要高于它們所對應(yīng)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(fù)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(zhì)量較大，所以C-X連接的偶極子矩（Dipole Moment）和鍵能（Bonding Energy）遠(yuǎn)大于C-H，這些導(dǎo)致了C-X的連接力（Bonding strength）遠(yuǎn)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(gòu)型均為nsnp，它們獲取一個電子以達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的趨勢極強(qiáng)烈。所以化學(xué)性質(zhì)很活潑，自然狀態(tài)下不能以單質(zhì)存在，一般化合價為-1價，即鹵離子（X-）的形式。
鹵素單質(zhì)都有氧化性，氧化性從氟到碘依次降低。碘單質(zhì)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(zhì)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(yīng)（歸中）很容易進(jìn)行：
5X（aq）+XO3（aq）+6H（aq）——→3X2（g）+3H2O（l）
這一反應(yīng)是制取溴和碘單質(zhì)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?yàn)樗鼈冊谒卸家噪x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(xué)中典型的強(qiáng)酸，它們的pKa均為負(fù)數(shù)，酸性從HCl到HI依次增強(qiáng)。
鹵素可以顯示多種價態(tài)，正價態(tài)一般都體現(xiàn)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(qiáng)。
鹵素的含氧酸多數(shù)只存在于溶液中，而少數(shù)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(zhì)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(xiàn)正氧化態(tài)，氧化態(tài)為奇數(shù)。這是由于鹵素的價電子數(shù)是奇數(shù)，周圍以奇數(shù)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(jī)化學(xué)反應(yīng)
在有機(jī)化學(xué)中，鹵族元素經(jīng)常作為決定有機(jī)化合物化學(xué)性質(zhì)的官能團(tuán)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(zhì)都是雙原子分子，都有很強(qiáng)的揮發(fā)性，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)隨原子序數(shù)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(xué)式如：
Nu + R-X =R-Nu + X
"Nu-"在這里代表親核負(fù)離子，離子的親核性越強(qiáng)，則產(chǎn)率和化學(xué)反應(yīng)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(yīng)的酸(即HX)為強(qiáng)酸，那么產(chǎn)率和反應(yīng)的速度將非常可觀，如果若X-所對應(yīng)的酸為弱酸，則產(chǎn)率和反應(yīng)的速度均會下降。
鹵素的制成：
不需要催化劑的情況下，產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)率相當(dāng)可觀。
注意此反應(yīng)為平衡反應(yīng)，故產(chǎn)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(chǎn)品中幾乎不存在，前四種元素在產(chǎn)品中特別是在聚合物材料中以有機(jī)化合物形式存在。應(yīng)用于產(chǎn)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(zhì)： CFCs 、 HCFCs 、 HFCs 等。
危害：在塑料等聚合物產(chǎn)品中添加鹵素（氟，氯，溴，碘）用以提高燃點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是：燃點(diǎn)比普通聚合物材料高，燃點(diǎn)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(diǎn)是釋放出的氯氣濃度高時，引起的能見度下降會導(dǎo)致無法識別逃生路徑，同時氯氣具有很強(qiáng)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(jié)合時，會生成腐蝕性有害氣體（鹵化氫），對一些設(shè)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(chǎn)品中使用鹵素阻燃劑等。
然而對于無鹵化的要求，不同的產(chǎn)品有不同的限量標(biāo)準(zhǔn)：
如無鹵化電線電纜其中鹵素指標(biāo)為：所有鹵素的值 ≦50PPM
(根據(jù)法規(guī) PREN 14582) ：燃燒后產(chǎn)生鹵化氫氣體的含量<100PPM
(根據(jù)法規(guī) EN 5067-2-1) ：燃燒后產(chǎn)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(jù)法規(guī) EN-5 0267-2-2)：產(chǎn)品在密閉容器中燃燒后透過一束光線其透光率 ≧60%
(根據(jù)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(zhì)還原性 | 逐漸減小 | |||
氫化物的酸性 | 逐漸增強(qiáng) | |||
活性 | 逐漸減弱 | |||
國際法規(guī)
IEC 61249-2-21
印刷電路版材料和其他互聯(lián)結(jié)構(gòu)-2-21部分：包被和非包被增強(qiáng)基材，阻燃劑（垂直燃燒試驗(yàn)）銅包被的無鹵素環(huán)氧編織E型玻璃纖維增強(qiáng)層壓板（規(guī)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(xié)會標(biāo)準(zhǔn) 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(zhì)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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