Halogeny w układzie okresowym znajdują się na lewo od gazów szlachetnych. Tych pięć toksycznych pierwiastków niemetalicznych należy do grupy 7 układu okresowego. Należą do nich fluor, chlor, brom, jod i astat. Chociaż astatyna jest radioaktywna i zawiera tylko krótkotrwałe izotopy, zachowuje się jak jod i często jest klasyfikowana jako halogen. Ponieważ pierwiastki halogenowe mają siedem elektronów walencyjnych, potrzebują tylko jednego dodatkowego elektronu, aby utworzyć pełny oktet. Ta cecha sprawia, że są bardziej reaktywne niż inne grupy niemetali.
Charakterystyka ogólna
Halogeny tworzą cząsteczki dwuatomowe (typu X2, gdzie X oznacza atom halogenu) - stabilna forma istnienia halogenów w postaci wolnych pierwiastków. Wiązania tych dwuatomowych cząsteczek są niepolarne, kowalencyjne i pojedyncze. Właściwości chemiczne halogenów pozwalają im łatwo łączyć się z większością pierwiastków, dzięki czemu nigdy nie występują w naturze w postaci niezwiązanej. Fluor jest najbardziej aktywnym halogenem, a najmniej astatynem.
Wszystkie halogeny tworzą sole grupy I o podobnychnieruchomości. W tych związkach halogeny występują jako aniony halogenkowe o ładunku -1 (na przykład Cl-, Br-). Końcówka -id wskazuje na obecność anionów halogenkowych; np. Cl- nazywa się „chlorkiem”.
Ponadto właściwości chemiczne halogenów pozwalają im działać jako środki utleniające - utleniające metale. Większość reakcji chemicznych z udziałem halogenów to reakcje redoks w roztworze wodnym. Halogeny tworzą pojedyncze wiązania z węglem lub azotem w związkach organicznych, gdzie ich stopień utlenienia (CO) wynosi -1. Gdy atom halogenu jest zastąpiony kowalencyjnie związanym atomem wodoru w związku organicznym, przedrostek halo- może być użyty w ogólnym sensie, lub przedrostki fluoro-, chloro-, brom-, jod- dla określonych halogenów. Pierwiastki halogenowe można usieciować, tworząc cząsteczki dwuatomowe z polarnymi wiązaniami kowalencyjnymi.
Chlor (Cl2) był pierwszym halogenem odkrytym w 1774 roku, a następnie jod (I2), brom (Br 2), fluor (F2) i astat (w, ostatnio odkryty, w 1940 r.). Nazwa „halogen” pochodzi od greckich korzeni hal- („sól”) i –gen („tworzyć”). Razem te słowa oznaczają „tworzenie soli”, podkreślając fakt, że halogeny reagują z metalami, tworząc sole. Halite to nazwa soli kamiennej, naturalnego minerału składającego się z chlorku sodu (NaCl). I wreszcie halogeny wykorzystywane są w życiu codziennym – fluor znajduje się w paście do zębów, chlor dezynfekuje wodę pitną, a jod wspomaga produkcję hormonów.tarczyca.
Pierwiastki chemiczne
Fluor to pierwiastek o liczbie atomowej 9, oznaczany symbolem F. Pierwiastek fluoru odkryto po raz pierwszy w 1886 roku przez wyizolowanie go z kwasu fluorowodorowego. W stanie wolnym fluor występuje jako dwuatomowa cząsteczka (F2) i jest najbardziej rozpowszechnionym halogenem w skorupie ziemskiej. Fluor jest najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem w układzie okresowym. W temperaturze pokojowej jest bladożółtym gazem. Fluor ma również stosunkowo mały promień atomowy. Jego CO wynosi -1, z wyjątkiem pierwiastkowego stanu dwuatomowego, w którym jego stopień utlenienia wynosi zero. Fluor jest niezwykle reaktywny i oddziałuje bezpośrednio ze wszystkimi pierwiastkami z wyjątkiem helu (He), neonu (Ne) i argonu (Ar). W roztworze H2O kwas fluorowodorowy (HF) jest słabym kwasem. Chociaż fluor jest silnie elektroujemny, jego elektroujemność nie determinuje kwasowości; HF jest słabym kwasem ze względu na fakt, że jon fluoru jest zasadowy (pH> 7). Ponadto fluor wytwarza bardzo silne utleniacze. Na przykład fluor może reagować z gazem obojętnym ksenonem, tworząc silny środek utleniający, difluorek ksenonu (XeF2). Fluor ma wiele zastosowań.
Chlor to pierwiastek o liczbie atomowej 17 i symbolu chemicznym Cl. Odkryty w 1774 r. przez wyizolowanie go z kwasu solnego. W stanie pierwiastkowym tworzy dwuatomową cząsteczkę Cl2. Chlor ma kilka CO: -1, +1, 3, 5 i7. W temperaturze pokojowej jest jasnozielonym gazem. Ponieważ wiązanie utworzone między dwoma atomami chloru jest słabe, cząsteczka Cl2 ma bardzo wysoką zdolność wchodzenia w związki. Chlor reaguje z metalami, tworząc sole zwane chlorkami. Jony chloru są najczęściej występującymi jonami w wodzie morskiej. Chlor ma również dwa izotopy: 35Cl i 37Cl. Chlorek sodu jest najbardziej powszechnym spośród wszystkich chlorków.
Brom to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 35 i symbolu Br. Po raz pierwszy odkryto go w 1826 roku. W swojej postaci pierwiastkowej brom jest dwuatomową cząsteczką Br2. W temperaturze pokojowej jest czerwonawo-brązową cieczą. Jego CO wynosi -1, +1, 3, 4 i 5. Brom jest bardziej aktywny niż jod, ale mniej aktywny niż chlor. Ponadto brom ma dwa izotopy: 79Br i 81Br. Brom występuje w postaci soli bromkowych rozpuszczonych w wodzie morskiej. W ostatnich latach produkcja bromku na świecie znacznie wzrosła ze względu na jego dostępność i długą żywotność. Podobnie jak inne halogeny, brom jest środkiem utleniającym i jest wysoce toksyczny.
Jod to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 53 i symbolu I. Jod ma stopnie utlenienia: -1, +1, +5 i +7. Istnieje jako dwuatomowa cząsteczka, I2. W temperaturze pokojowej jest fioletowym ciałem stałym. Jod ma jeden stabilny izotop, 127I. Po raz pierwszy odkryto w 1811z wodorostami i kwasem siarkowym. Obecnie jony jodu można izolować w wodzie morskiej. Chociaż jod nie jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, jego rozpuszczalność można zwiększyć stosując oddzielne jodki. Jod odgrywa ważną rolę w organizmie, uczestnicząc w produkcji hormonów tarczycy.
Astatyna to pierwiastek radioaktywny o liczbie atomowej 85 i symbolu At. Jego możliwe stopnie utlenienia to -1, +1, 3, 5 i 7. Jedyny halogen, który nie jest cząsteczką dwuatomową. W normalnych warunkach jest to czarne, metaliczne ciało stałe. Astat jest bardzo rzadkim pierwiastkiem, więc niewiele o nim wiadomo. Ponadto astatyna ma bardzo krótki okres półtrwania, nie dłuższy niż kilka godzin. Otrzymany w 1940 roku w wyniku syntezy. Uważa się, że astatyna jest podobna do jodu. Posiada właściwości metaliczne.
Poniższa tabela przedstawia strukturę atomów halogenu, strukturę zewnętrznej warstwy elektronów.
| Halogen | Konfiguracja elektronowa |
| Fluor | 1s2 2s2 2p5 |
| Chlor | 3s2 3p5 |
| Brom | 3d10 4s2 4p5 |
| Jod | 4d10 5s2 5p5 |
| Astatyn | 4f14 5d106s2 6p5 |
Podobna budowa zewnętrznej warstwy elektronów przesądza o podobnych właściwościach fizycznych i chemicznych halogenów. Jednak porównując te elementy, obserwuje się również różnice.
Właściwości okresowe w grupie halogenowej
Właściwości fizyczne prostych substancji halogeny zmieniają się wraz ze wzrostem liczby pierwiastków. Dla lepszego zrozumienia i większej przejrzystości oferujemy kilka tabel.
Temperatura topnienia i wrzenia grupy rośnie wraz ze wzrostem wielkości cząsteczki (F <Cl
Tabela 1. Halogeny. Właściwości fizyczne: temperatury topnienia i wrzenia
| Halogen | Topnienie T (˚C) | Temperatura wrzenia (˚C) |
| Fluor | -220 | -188 |
| Chlor | -101 | -35 |
| Brom | -7.2 | 58.8 |
| Jod | 114 | 184 |
| Astatyn | 302 | 337 |
Wzrost promienia atomowego
Wielkość jądra wzrasta (F < Cl < Br < I < At), wraz ze wzrostem liczby protonów i neutronów. Ponadto z każdym okresem dodawane są coraz większe poziomy energii. Powoduje to większy orbital, a tym samym wzrost promienia atomu.
Tabela 2. Halogeny. Właściwości fizyczne: promienie atomowe
| Halogen | Promień kowalencyjny (pm) | Ionic (X-) promień (pm) |
| Fluor | 71 | 133 |
| Chlor | 99 | 181 |
| Brom | 114 | 196 |
| Jod | 133 | 220 |
| Astatyn | 150 |
Spada energia jonizacji
Jeżeli zewnętrzne elektrony walencyjne nie znajdują się w pobliżu jądra, usunięcie ich z niego nie będzie wymagało dużo energii. Tak więc energia wymagana do wypchnięcia zewnętrznego elektronu nie jest tak wysoka na dole grupy pierwiastków, ponieważ jest więcej poziomów energii. Dodatkowo wysoka energia jonizacji sprawia, że element wykazuje właściwości niemetaliczne. Wyświetlacz jodu i astatu wykazuje właściwości metaliczne, ponieważ energia jonizacji jest zmniejszona (At < I < Br < Cl < F).
Tabela 3. Halogeny. Właściwości fizyczne: energia jonizacji
| Halogen | Energia jonizacji (kJ/mol) |
| fluor | 1681 |
| chlor | 1251 |
| brom | 1140 |
| jod | 1008 |
| astatyna | 890±40 |
Spada elektroujemność
Liczba elektronów walencyjnych w atomie wzrasta wraz ze wzrostem poziomu energii na coraz niższych poziomach. Elektrony są coraz dalej od jądra; Tak więc jądro i elektrony nie są do siebie przyciągane. Obserwuje się wzrost ekranowania. Dlatego elektroujemność maleje wraz ze wzrostem okresu (At < I < Br < Cl < F).
Tabela 4. Halogeny. Właściwości fizyczne: elektroujemność
| Halogen | Elektronegatywność |
| fluor | 4.0 |
| chlor | 3.0 |
| brom | 2.8 |
| jod | 2.5 |
| astatyna | 2.2 |
Spada powinowactwo elektronowe
W miarę wzrostu rozmiaru atomu wraz z okresem, powinowactwo elektronowe ma tendencję do zmniejszania się (B < I < Br < F < Cl). Wyjątkiem jest fluor, którego powinowactwo jest mniejsze niż chloru. Można to wytłumaczyć mniejszym rozmiarem fluoru w porównaniu z chlorem.
Tabela 5. Powinowactwo elektronowe halogenów
| Halogen | Powinowactwo elektronowe (kJ/mol) |
| fluor | -328.0 |
| chlor | -349.0 |
| brom | -324.6 |
| jod | -295.2 |
| astatyna | -270.1 |
Reaktywność elementów spada
Reaktywność halogenów zmniejsza się wraz ze wzrostem okresu (przy <I
Chemia nieorganiczna. Wodór + halogeny
Halogenek powstaje, gdy halogen reaguje z innym, mniej elektroujemnym pierwiastkiem, tworząc związek binarny. Wodór reaguje z halogenami, tworząc halogenki HX:
- fluorowodór HF;
- chlorowodór HCl;
- bromowodór HBr;
- hydrojod HI.
Halogenowce łatwo rozpuszczają się w wodzie, tworząc kwasy halogenowodorowe (fluorowodorowy, chlorowodorowy, bromowodorowy, jodowodorowy). Właściwości tych kwasów podano poniżej.
Kwasy powstają w wyniku następującej reakcji: HX (aq) + H2O (l) → Х- (aq) + H 3O+ (aq).
Wszystkie halogenki wodoru tworzą mocne kwasy z wyjątkiem HF.
Kwasowość kwasów halogenowodorowych wzrasta: HF <HCl <HBr <HI.
Kwas fluorowodorowy może grawerować szkło i niektóre fluorki nieorganiczne przez długi czas.
Może wydawać się sprzeczne z intuicją, że HF jest najsłabszym kwasem halogenowodorowym, ponieważ fluor ma najwyższyelektroujemność. Jednak wiązanie H-F jest bardzo silne, co skutkuje bardzo słabym kwasem. Silne wiązanie jest określane przez krótką długość wiązania i wysoką energię dysocjacji. Ze wszystkich halogenków wodoru HF ma najkrótszą długość wiązania i największą energię dysocjacji wiązania.
Halogenowe kwasy tlenowe
Otokwasy halogenowe to kwasy zawierające atomy wodoru, tlenu i halogenu. Ich kwasowość można określić za pomocą analizy struktury. Poniżej wymieniono halogenowe kwasy tlenowe:
- Kwas podchlorawy HOCl.
- Kwas chlorowy HClO2.
- Kwas chlorowy HClO3.
- Kwas nadchlorowy HClO4.
- Kwas podchlorawy HOBr.
- Kwas bromowy HBrO3.
- Kwas bromowy HBrO4.
- Kwas hijodowy HOI.
- Kwas jodonowy HIO3.
- Kwas metajodowy HIO4, H5IO6.
W każdym z tych kwasów proton jest związany z atomem tlenu, więc porównywanie długości wiązań protonów jest tutaj bezużyteczne. Elektroujemność odgrywa tu dominującą rolę. Aktywność kwasu wzrasta wraz z liczbą atomów tlenu związanych z centralnym atomem.
Wygląd i stan materii
Główne właściwości fizyczne halogenów można podsumować w poniższej tabeli.
| Stan skupienia (w temperaturze pokojowej) | Halogen | Wygląd |
| trudne | jod | fioletowy |
| astatyna | czarny | |
| ciecz | brom | czerwono-brązowy |
| gazowy | fluor | jasna opalenizna |
| chlor | bladozielony |
Wyjaśnienie wyglądu
Kolor halogenów jest wynikiem pochłaniania światła widzialnego przez cząsteczki, co powoduje wzbudzenie elektronów. Fluor pochłania światło fioletowe i dlatego wydaje się jasnożółty. Z drugiej strony jod pochłania żółte światło i wydaje się fioletowy (żółty i fioletowy to kolory dopełniające). Kolor halogenów staje się ciemniejszy wraz ze wzrostem okresu.
W zamkniętych pojemnikach ciekły brom i stały jod są w równowadze ze swoimi oparami, co można zaobserwować jako barwny gaz.
Chociaż kolor astatynu jest nieznany, zakłada się, że zgodnie z zaobserwowanym wzorem musi on być ciemniejszy niż jod (tj. czarny).
Teraz, jeśli zostaniesz zapytany: „Opisz właściwości fizyczne halogenów”, będziesz miał coś do powiedzenia.
Stan utlenienia halogenów w związkach
Stan utleniania jest często używany zamiast „wartościowości halogenowej”. Z reguły stopień utlenienia wynosi -1. Ale jeśli halogen jest związany z tlenem lub innym halogenem, może przybrać inne stany:Tlen CO -2 ma pierwszeństwo. W przypadku dwóch różnych atomów halogenu połączonych ze sobą, bardziej elektroujemny atom przeważa i przyjmuje CO -1.
Na przykład w chlorku jodu (ICl) chlor ma CO -1, a jod +1. Chlor jest bardziej elektroujemny niż jod, więc jego CO wynosi -1.
W kwasie bromowym (HBrO4) tlen zawiera CO -8 (-2 x 4 atomy=-8). Wodór ma ogólny stopień utlenienia +1. Dodanie tych wartości daje CO -7. Ponieważ końcowy CO związku musi wynosić zero, CO bromu wynosi +7.
Trzecim wyjątkiem od reguły jest stopień utlenienia halogenu w postaci pierwiastkowej (X2), gdzie jego CO wynosi zero.
| Halogen | CO w związkach |
| fluor | -1 |
| chlor | -1, +1, +3, +5, +7 |
| brom | -1, +1, +3, +4, +5 |
| jod | -1, +1, +5, +7 |
| astatyna | -1, +1, +3, +5, +7 |
Dlaczego SD fluoru zawsze wynosi -1?
Elektroujemność wzrasta wraz z okresem. Dlatego fluor ma najwyższą elektroujemność spośród wszystkich pierwiastków, o czym świadczy jego pozycja w układzie okresowym. Jego konfiguracja elektroniczna to 1s2 2s2 2p5. Jeśli fluor zyskuje jeszcze jeden elektron, najbardziej zewnętrzne orbitale p są całkowicie wypełnione i tworzą pełny oktet. Ponieważ fluor mawysoka elektroujemność, może łatwo pobrać elektron z sąsiedniego atomu. Fluor w tym przypadku jest izoelektroniczny w stosunku do gazu obojętnego (z ośmioma elektronami walencyjnymi), wszystkie jego orbitale zewnętrzne są wypełnione. W tym stanie fluor jest znacznie bardziej stabilny.
Produkcja i stosowanie halogenów
W naturze halogeny są w stanie anionów, więc wolne halogeny uzyskuje się przez utlenianie przez elektrolizę lub za pomocą środków utleniających. Na przykład chlor jest wytwarzany przez hydrolizę roztworu soli. Zastosowanie halogenów i ich związków jest zróżnicowane.
- Fluor. Chociaż fluor jest wysoce reaktywny, jest używany w wielu zastosowaniach przemysłowych. Na przykład jest kluczowym składnikiem politetrafluoroetylenu (Teflon) i niektórych innych fluoropolimerów. Chlorofluorowęglowodory to organiczne substancje chemiczne, które były wcześniej stosowane jako czynniki chłodnicze i propelenty w aerozolach. Zaprzestano ich stosowania ze względu na ich możliwy wpływ na środowisko. Zostały one zastąpione wodorochlorofluorowęglowodorami. Do pasty do zębów (SnF2) i wody pitnej (NaF) dodaje się fluor, aby zapobiec próchnicy. Ten halogen znajduje się w glinie używanej do produkcji niektórych rodzajów ceramiki (LiF), używanej w energetyce jądrowej (UF6), do produkcji antybiotyku fluorochinolonowego, aluminium (Na 3 AlF6), do izolacji wysokiego napięcia (SF6).
- Chlor znalazł również wiele zastosowań. Służy do dezynfekcji wody pitnej i basenów. Podchloryn sodu (NaClO)jest głównym składnikiem wybielaczy. Kwas solny znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle i laboratoriach. Chlor jest obecny w polichlorku winylu (PVC) i innych polimerach stosowanych do izolacji przewodów, rur i elektroniki. Ponadto chlor okazał się przydatny w przemyśle farmaceutycznym. Leki zawierające chlor stosuje się w leczeniu infekcji, alergii i cukrzycy. Neutralna forma chlorowodorku jest składnikiem wielu leków. Chlor jest również używany do sterylizacji sprzętu szpitalnego i dezynfekcji. W rolnictwie chlor jest składnikiem wielu komercyjnych pestycydów: DDT (dichlorodifenylotrichloroetan) był używany jako insektycyd rolniczy, ale jego stosowanie zostało przerwane.
- Brom, ze względu na swoją niepalność, służy do tłumienia spalania. Znajduje się również w bromku metylu, pestycydzie używanym do konserwacji upraw i zwalczania bakterii. Jednak nadmierne stosowanie bromku metylu zostało wycofane ze względu na jego wpływ na warstwę ozonową. Brom jest używany do produkcji benzyny, klisz fotograficznych, gaśnic, leków do leczenia zapalenia płuc i choroby Alzheimera.
- Jod odgrywa ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu tarczycy. Jeśli organizm nie otrzymuje wystarczającej ilości jodu, powiększa się tarczyca. Aby zapobiec powstawaniu wola, halogen ten dodaje się do soli kuchennej. Jod jest również stosowany jako środek antyseptyczny. Jod znajduje się w roztworach używanych doczyszczenie otwartych ran, a także w sprayach dezynfekujących. Ponadto jodek srebra jest niezbędny w fotografii.
- Astatyna to radioaktywny halogen ziem rzadkich, więc nie jest jeszcze nigdzie używany. Uważa się jednak, że pierwiastek ten może pomóc jodowi w regulacji hormonów tarczycy.
