鹵素

鹵素是元素周期表上的第ⅦA族元素(IUPAC新規定:17族)。鹵素分子擁有國際統一的命名和命名方式。

鹵素的命名

鹵素是元素周期表上的第ⅦA族元素(IUPAC新規定:17族)。
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,滷的原意是鹽鹼地的意思。
鹵素分子擁有國際統一的命名和命名方式,比如根據國際通用的IUPAC原則
CH3
|
CH2
|
CH3-C-Cl
|
CH3-CH2-CH-(CH2)6-CH3
可命名為:(Chloro-1,methyl-1,propyl)-2,decane

鹵素的物理、化學特性

通常來說,液體鹵素分子的沸點均要高於它們所對應的烴鏈(alcane)。這主要是由於鹵素分子比烴鏈更加電極化,而分子的電極化增加了分子之間的連線力(正電極與負電極的相互吸引),這使我們需要對液體提供更多的能量才能使其蒸發
鹵素的物理特性和化學特性明顯區分與於它對應的烴鏈的主要原因,在於鹵素原子(如F,Cl,Br,I)與原子的連線,即C-X的連線,明顯不同於烴鏈C-H連線。
* 由於鹵素原子通常具有較大的負電性,所以C-X連線比C-H連線更加電極化,但仍然是共價鍵
* 由於鹵素原子相較於碳原子,通常體積和質量較大,所以C-X連線的偶極子矩(Dipole Moment)和鍵能量(Bonding Energy)遠大於C-H,這些導致了C-X的連線力(Bonding strength)遠小於C-H連線。
* 鹵素原子脆弱的p軌道(Orbital)與碳原子穩定的sp3軌道相連線,這也大大降低了C-X連線的穩定性。
位於元素周期表右方的鹵族元素是典型的非金屬。鹵素的電子構型均為ns2np5,它們獲取一個電子以達到穩定結構的趨勢極強烈。所以化學性質很活潑,自然狀態下不能以單質存在,一般化合價為-1價,即鹵離子(X-)的形式。
鹵素單質都有氧化性,氧化性從氟到碘依次降低。碘單質氧化性比較弱,三價離子可以把碘離子氧化為
鹵素單質在鹼中容易歧化,方程式為:
3X2 + 6OH- = 5X- + XO3- + 3H2O
但在性條件下,其逆反應很容易進行:
5X- + XO3- + 6H+ = 3X2 + 3H2O
這一反應是製取溴和碘單質流程中的最後一步。
鹵素的氫化物叫鹵化氫,為共價化合物;而其溶液叫氫鹵酸,因為它們在水中都以離子形式存在,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中典型的強酸,它們的pKa均為負數,酸性從HCl到HI依次增強。
鹵素可以顯示多種價態,正價態一般都體現在它們的含氧酸根中:
+1: HXO(次鹵酸)
+3: HXO2(亞鹵酸)
+5: HXO3(鹵酸)
+7: HXO4(高鹵酸)
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。
鹵素的氧化物都是酸酐。像二氧化氯(ClO2)這樣的偶氧化態氧化物是混酐。
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正氧化態,氧化態為奇數。這是由於鹵素的價電子數是奇數,周圍以奇數個其它鹵原子與之成鍵比較穩定(如IF7)。互鹵化物都能水解。

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。
的存在範圍最廣,按照、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性取代反應(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,那么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)-CH3
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=CH2 + HBr----> CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
催化劑:H2O2
產率90%以上。
* 從製作鹵素澤必須要通過催化劑,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。

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