Halogener

Grupp 17(VIIA)
Period
2
9 Fluor
F18,9984
2s 2 2p 5
3
17 Klor
Cl35,45
3s 2 3p 5
fyra
35 Brom
Br79,904
3d 10 4s 2 4p 5
5
53 jod
jag126,9045
4d 10 5s 2 5p 5
6
85 Astat
(210)
4f 14 5d 10 6s 2 6p 5
7
117 Tennessee
Ts(294)
5f 14 6d 10 7s 2 7p 5

Halogener (från grekiskan ἁλός  - "salt" och γένος  - "födelse, ursprung"; ibland används det föråldrade namnet halogener ) - kemiska grundämnen i den 17:e gruppen av det periodiska systemet för kemiska grundämnen av D. I. Mendeleev (enligt den föråldrade klassificeringen  - element i huvudundergrupp VII-grupper) [1] .

Reagerar med nästan alla enkla ämnen, förutom vissa icke-metaller . Alla halogener är energetiska oxidationsmedel , därför förekommer de i naturen endast i form av föreningar . Med en ökning av serienumret minskar den kemiska aktiviteten av halogener, den kemiska aktiviteten av halogenidjoner F - , Cl - , Br - , I - , At - minskar.

Halogener inkluderar fluor F, klor Cl, brom Br, jod I, astatin At och (formellt) det konstgjorda grundämnet tennessine Ts.

Fluor F Klor Cl Brom Br Jod I

Alla halogener är icke- metaller och är starka oxidationsmedel . Det finns 7 elektroner i den yttre energinivån . När man interagerar med metaller uppstår en jonbindning och salter bildas. Halogener (förutom fluor), när de interagerar med mer elektronegativa element, kan också uppvisa reducerande egenskaper upp till det högsta oxidationstillståndet på +7.

I kemiska formler betecknas halogener, såväl som pseudohalogener , ibland [2] [3] . IUPAC rekommenderar dock att man använder beteckningen [4] för båda grupperna .

Etymologi

Termen "halogener" i förhållande till hela gruppen av grundämnen (på den tiden var fluor, klor, brom och jod kända) föreslogs 1841 av den svenske kemisten J. Berzelius . Ursprungligen föreslogs ordet "halogen" (bokstavligen översatt från grekiska - "salt") 1811 av den tyske vetenskapsmannen I. Schweigger som ett namn på det nyligen upptäckta kloret, men namnet som G. Davy föreslog var fixerat i kemi [ 5] .

Atomstruktur och oxidationstillstånd

Den elektroniska konfigurationen av det yttre elektronskalet av halogenatomer ns 2 np 5 : fluor - 2 s 2 2 p 5 , klor - 3 s 2 3 p 5 , brom - 4 s 2 4 p 5 , jod - 5 s 2 5 p 5 , astatin - 6 s 2 6 p 5 .

Med 7 elektroner på det yttre elektronskalet, fäster atomerna av alla halogener lätt den 1 elektron som saknas innan skalets komplettering och i deras föreningar visar oxidationstillståndet −1 . Klor, brom, jod och astatin i föreningar med mer elektronegativa element uppvisar positiva oxidationstillstånd: +1, +3, +5, +7 . Fluor kännetecknas av ett konstant oxidationstillstånd −1 .

Prevalensen av grundämnen och produktionen av enkla substanser

Som nämnts ovan är halogener mycket reaktiva, så de förekommer vanligtvis i naturen i form av föreningar .

Deras överflöd i jordskorpan minskar när atomradien ökar från fluor till jod. Mängden astatin i jordskorpan mäts i gram, och tennessine saknas i naturen. Fluor, klor, brom och jod produceras i industriell skala, med produktionsvolymer av klor som är betydligt högre än de övriga tre stabila halogenerna.

I naturen förekommer dessa grundämnen huvudsakligen som halogenider (med undantag av jod, som också förekommer som natrium- eller kaliumjodat i alkalimetallnitratavlagringar ) . Eftersom många klorider , bromider och jodider är lösliga i vatten, finns dessa anjoner i havet och naturliga saltlösningar . Den huvudsakliga källan till fluor är kalciumfluorid , som är mycket svagt lösligt och finns i sedimentära bergarter (som fluorit CaF 2 ).

Det huvudsakliga sättet att få fram enkla ämnen är oxidation av halogenider . Höga positiva standardelektrodpotentialer E o (F 2 /F - ) = +2,87 V och E o (Cl 2 /Cl - ) = +1,36 V visar att F- och Cl - joner endast kan oxideras med starka oxidationsmedel . Inom industrin används endast elektrolytisk oxidation . När man erhåller fluor kan en vattenlösning inte användas , eftersom vatten oxideras med en mycket lägre potential (+1,32 V) och det resulterande fluoret skulle snabbt reagera med vatten. Fluor erhölls först 1886 av den franske kemisten Henri Moissan under elektrolysen av en lösning av kaliumhydrofluorid KHF 2 i vattenfri fluorvätesyra HF .

Inom industrin erhålls klor huvudsakligen genom elektrolys av en vattenlösning av natriumklorid i speciella elektrolysatorer . I detta fall sker följande reaktioner :

anod halvreaktion : katod halvreaktion : _

Vattenoxidation vid anoden undertrycks genom att använda ett elektrodmaterial som har en högre överpotential med avseende på O2 än Cl2 ( ett sådant material är i synnerhet RuO2 ) .

I moderna elektrolysatorer är katod- och anodutrymmen åtskilda av ett polymert jonbytarmembran . Membranet tillåter Na + -katjoner att passera från anoden till katodutrymmet. Övergången av katjoner upprätthåller elektrisk neutralitet i båda delarna av cellen, eftersom negativa joner under elektrolys avlägsnas från anoden (omvandling av 2Cl - till Cl 2 ) och ackumuleras vid katoden (bildning av OH - ). Att flytta OH - i motsatt riktning skulle också kunna bibehålla elektrisk neutralitet , men OH-jonen - skulle reagera med Cl 2 och omintetgöra hela resultatet.

Brom produceras genom kemisk oxidation av bromidjonen som finns i havsvatten. En liknande process används också för att få jod från naturliga saltlösningar rika på I- . I båda fallen används klor som ett oxidationsmedel , som har starkare oxiderande egenskaper , och de resulterande Br 2 och I 2 avlägsnas från lösningen med en luftström .

Fysikaliska egenskaper hos halogener

Ämne Aggregeringstillstånd

under normala förhållanden

Färg Lukt
Fluor F 2 Gas som inte blir flytande vid normal temperatur Ljusgul Hårt, irriterande
Klor CI 2 En gas som kondenserar vid normal temperatur under tryck gulgrön Skarp, kvävande
Brom Br 2 Tung flyktig vätska Brunaktig brun Skarp, offensiv
Jod I 2 Fast Mörkgrå med metallisk glans Skärande
Astatin vid 2 Fast Blåsvart med metallglans Förmodligen skarp
enkel substans Smältpunkt, °C Kokpunkt, °C
F2 _ −220 −188
Cl2 _ −101 −34
Br2 _ −7 58
jag 2 113,5 184.885
Vid 2 244 309 [6]


Sublimering eller kokpunkt ( о С) för halogener vid olika tryck [8]
Smält ( ca C) -100,7 -7.3 112,9
lg(P[Pa]) mmHg. Cl2 _ Br2 _ jag 2
2,12490302 ett -118 -48,7 38,7
2,82387302 5 -106,7 -32.8 62,2
3,12490302 tio -101,6 -25 73,2
3,42593302 tjugo -93,3 -16.8 84,7
3,72696301 40 -84,5 -åtta 97,5
3,90305427 60 -79 -0,6 105,4
4,12490302 100 -71,7 9.3 116,5
4,42593302 200 -60,2 24.3 137,3
4,72696301 400 -47,3 41 159,8
5,00571661 760 -33.8 58,2 183
lg(P[Pa]) atm Cl2 _ Br2 _ jag 2
5,00571661 ett -33.8 58,2 183
5,30674661 2 -16.9 78,8
5,70468662 5 10.3 110,3
6,00571661 tio 35,6 139,8
6,30674661 tjugo 65 174
6,48283787 trettio 84,8 197
6,6077766 40 101,6 215
6,70468662 femtio 115,2 230
6,78386786 60 127,1 243,5
sublimeringstemperaturer anges med fet stil

Halogener har en karakteristisk stickande lukt.

Kemiska egenskaper hos halogener

Alla halogener uppvisar en hög oxiderande aktivitet, som minskar vid övergång från fluor till tennessine. Fluor är den mest aktiva av halogenerna, det reagerar med alla metaller utan undantag, många av dem antänds spontant i en atmosfär av fluor och frigör en stor mängd värme, till exempel:

Utan uppvärmning reagerar fluor också med många icke-metaller (H 2 , S, C, Si, P); alla reaktioner är mycket exoterma och kan fortsätta med en explosion, till exempel:

Vid uppvärmning oxiderar fluor alla andra halogener enligt schemat

Dessutom, i HalF-föreningar är oxidationstillstånden för klor, brom, jod och astatin +1.

Slutligen, när det bestrålas, reagerar fluor även med tunga inerta (ädel) gaser :

Interaktionen av fluor med komplexa ämnen fortskrider också mycket kraftigt. Så det oxiderar vatten, medan reaktionen är explosiv:

Fritt klor är också mycket reaktivt, även om dess aktivitet är mindre än fluors. Det reagerar direkt med alla enkla ämnen utom syre, kväve och ädelgaser:

Av särskilt intresse är reaktionen med väte. Så, vid rumstemperatur, utan belysning, reagerar klor praktiskt taget inte med väte, medan när den värms upp eller belyses (till exempel i direkt solljus), fortsätter denna reaktion med en explosion enligt följande kedjemekanism :

Excitationen av denna reaktion sker under inverkan av fotoner , som orsakar dissociationen av Cl 2 -molekyler till atomer - i detta fall sker en kedja av successiva reaktioner, i var och en av vilka en partikel uppträder, vilket initierar början av nästa steg.

Reaktionen mellan H 2 och Cl 2 fungerade som ett av de första studieobjekten för kedjefotokemiska reaktioner. Det största bidraget till utvecklingen av idéer om kedjereaktioner gjordes av den ryske vetenskapsmannen, Nobelpristagaren ( 1956 ) N. N. Semyonov .

Klor reagerar med många komplexa ämnen, såsom substitution och addition med kolväten:

Klor kan ersätta brom eller jod från deras föreningar med väte eller metaller vid upphettning:

och reagerar också reversibelt med vatten och bildar en jämviktsblandning av ämnen som kallas klorvatten :

Klor kan reagera (oproportionerligt) med alkalier på samma sätt:

Den kemiska aktiviteten hos brom är mindre än hos fluor och klor, men ändå ganska stor på grund av att brom vanligtvis används i flytande tillstånd, och därför är dess initiala koncentrationer, allt annat lika, större än klor. Det går in i samma reaktioner som klor. Eftersom brom är ett mildare reagens används det i stor utsträckning inom organisk kemi. Brom, liksom klor, löser sig i vatten och bildar, delvis med det, det så kallade "bromvattnet".

Jods löslighet i vatten är 0,3395 gram per liter vid 25 grader Celsius [9] , vilket är mindre än broms. En vattenlösning av jod kallas "jodvatten" [10] . Jod kan lösas i jodidlösningar med bildning av komplexa anjoner:

Den resulterande lösningen kallas Lugols lösning .

Jod skiljer sig väsentligt i kemisk aktivitet från andra halogener. Det reagerar inte med de flesta icke-metaller, och reagerar långsamt med metaller endast när det värms upp. Interaktionen mellan jod och väte sker endast med stark uppvärmning, reaktionen är endoterm och reversibel:

Således minskar den kemiska aktiviteten av halogener konsekvent från fluor till astatin. Varje halogen i F - At-serien kan ersätta nästa från sina föreningar med väte eller metaller, det vill säga varje halogen i form av ett enkelt ämne kan oxidera halogenidjonen av någon av de efterföljande halogenerna [11] .

Astatin är ännu mindre reaktivt än jod. Men det reagerar också med metaller (till exempel med litium):

Under dissociation bildas inte bara anjoner utan även katjoner At + : HAt dissocierar till:

Användningen av halogener och deras föreningar

Den naturliga föreningen av fluor - kryolit Na 3 AlF 6  - används vid framställning av aluminium. Fluorföreningar används som tillsatser i tandkrämer för att förebygga karies.

Klor används i stor utsträckning för att producera saltsyra, i organisk syntes vid tillverkning av plaster och syntetiska fibrer, gummi, färgämnen, lösningsmedel etc. Många klorhaltiga föreningar används för att bekämpa skadedjur inom jordbruket. Klor och dess föreningar används för blekning av linne och bomullstyger, papper, desinficering av dricksvatten. Det är sant att användningen av klor för vattendesinfektion är långt ifrån säker, för dessa ändamål är det bättre att använda ozon .

Enkla substanser och föreningar av brom och jod används inom läkemedels- och kemisk industri.

Halogentoxicitet

På grund av den höga reaktiviteten (detta är särskilt uttalat i fluor ) är alla halogener giftiga ämnen med starkt uttalade kvävande och vävnadsskadande effekter.

Fluorångor och aerosoler är av stor fara, eftersom de, till skillnad från andra halogener, har en ganska svag lukt och känns bara i höga koncentrationer.

Anteckningar

  1. Grundämnenas periodiska system  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . IUPAC. — PDF. Hämtad 25 oktober 2013. Arkiverad från originalet 22 augusti 2015.
  2. Ursula Bunzli-Trepp. Systematisk nomenklatur för organisk, metallorganisk och koordinationskemi. - EPFL Press, 2007. - S. 215. - 636 sid. — ISBN 9781420046151 .
  3. Shabarov Yu. S. Del 1. Icke-cykliska föreningar // Organisk kemi. - 2:a uppl. , korr. - M .: Kemi, 1996. - S. 115. - 496 sid. — ISBN 5-7245-1057-X .
  4. Jonathan Brecher. Grafiska representationsstandarder för kemiska strukturdiagram (IUPAC Recommendations 2008)  (engelska)  // Pure and Applied Chemistry. — 2008-01-01. — Vol. 80 , iss. 2 . - s. 277-410 . — ISSN 0033-4545 1365-3075, 0033-4545 . - doi : 10.1351/pac200880020277 . Arkiverad från originalet den 10 maj 2022.
  5. Snelders, HAM JSC Schweiger: His Romanticism and His Crystal Electrical Theory of  Matter //  Isis : journal. - 1971. - Vol. 62 , nr. 3 . - S. 328 . - doi : 10.1086/350763 . — .
  6. Berdonosov S.S. Astatine // Chemical Encyclopedia  : i 5 volymer / Kap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 211. - 623 sid. — 100 000 exemplar.  - ISBN 5-85270-008-8 .
  7. Desmos .
  8. Kort referensbok över fysikaliska och kemiska kvantiteter Ravdel, L .: Chemistry, 1974 - 200 sidor \\ sid 67 tab. 24 . Hämtad 23 maj 2022. Arkiverad från originalet 7 mars 2022.
  9. Stasinevich D.S. Jod // Brief Chemical Encyclopedia / Ed. ed. I. L. Knunyants . - M . : Soviet Encyclopedia, 1963. - T. 2. Zh-malonisk eter .
  10. Yu.V. _ _ - 18:e upplagan. - M . : Education , 1987. - S. 197-199. — 240 s. — 1 630 000 exemplar.
  11. Kuzmenko N. E., Eremin V. V., Popkov V. A. Kemins början. Modern kurs för sökande till universitet: lärobok / Kuzmenko, N. E .. - 16. - M . : Exam, 2013. - P. 343-347. — 831 sid. - ISBN 978-5-377-06154-0 .

Litteratur