卤族元素的元素性质

Answer 1

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。
2F2（g）+2H2O（l）=4HF（aq）+O2（g）
X2（g）+H2O（l）⇌HX（aq）+HXO（aq） X=表示Cl Br I
卤素之间形成的化合物称为互卤化物，如ClF₃（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HClO、HClO₂、HClO₃、HClO₄。卤素单质都很稳定，除了I₂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MgCl₂。
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-<Cl-<Br-<I-
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 暗处 剧烈化合并发生爆炸很稳定 H2（g）+F2（g）= 2HF（g） Cl2 光照或点燃 ———————较稳定 H2（g）+Cl2（g）=（点燃或光照）2HCl（g） Br2 加热 ———————稳定性差 H2（g）+Br2（g）= （加热）2HBr（g） I2 不断加热 缓慢反应不稳定 H2（g）+I2（g）=（不断加热）2HI（g） 结论：随着核电荷数的增加，卤素单质与H2反应变化：F2、Cl2、Br2、I2
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。
氯气难溶于饱和氯化钠溶液，而碘易溶于碘化钾溶液（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）——→AgCl（s）
溴离子：得淡黄色沉淀 Ag+（aq）+ Br-（aq）——→AgBr（s）
碘离子：得黄色沉淀 Ag+（aq）+ I-（aq）——→AgI（s）
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易电极化，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）+3H2O（l）
但在酸性条件下，其逆反应（归中）很容易进行：
5X-（aq）+XO3-（aq）+6H+（aq）——→3X2（g）+3H2O（l）
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=F、Cl、Br)、HIO3和HXO4(X=Cl、Br、I)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 淡黄色 黄绿色 棕红色 紫黑色 单质还原性 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
卤素单质在不同溶剂中的颜色 　氯溴碘水黄绿色黄色至橙色深黄色至褐色苯橙色至橙红浅紫色至紫色四氯化碳紫色至深紫色汽油浅紫红色至紫红酒精棕色至深棕色·