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| 鹵族元素 | |
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鹵族元素( halogen element )， 指周期系ⅦA族元素。包括氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)、石田(Ts)，簡稱鹵素。它們在自然界都以典型的鹽類存在 ，是成鹽元素。
鹵族元素的單質都是雙原子分子，它們的物理性質的改變都是很有規律的，隨着分子量的增大，鹵素分子間的色散力逐漸增強，顏色變深，它們的熔點、沸點、密度、原子體積也依次遞增(石田的熔點及沸點未知)。鹵素都有氧化性，氟單質的氧化性最強。
鹵族元素和金屬元素構成大量無機鹽，此外，在有機合成等領域也發揮着重要的作用。
基本信息
中文名 鹵族元素 [1]
外文名 halogen [2]
含義 周期系ⅦA族元素，有毒非金屬
包括 氟、氯、溴、碘、砹、鈿
簡稱 鹵素
命名
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。
鹵素元素
氟(F)
共價半徑/Å:
0.72電子構型: 1s2 2s2p5
單質:氟氣，淡黃色
水溶液(溶解度為20℃的數據):與水劇烈反應(即氫氟酸2F2+2H2O==4HF+O2)
銀鹽:AgF，白色，可溶於水
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。與水反應立即生成氫氟酸和氧氣並發生燃燒，同時能使容器破裂，量多時有爆炸的危險。氟、氟化氫(氫氟酸)對玻璃都有較強的腐蝕性。氟是非金屬性最強的元素(而且不具有d軌道)，只能呈-1價。
單質氟與鹽溶液的反應，都是先與水反應，生成的氫氟酸再與鹽的反應;通入鹼中可能導致爆炸。水溶液氫氟酸是一種中強酸。但卻是穩定性最強的氫鹵酸，因為氟原子含有較大的電子親和能。如果皮膚不慎粘到，將一直腐蝕到骨髓。化學性質活潑，能與幾乎所有元素髮生反應(除氦、氖等惰性氣體)。
氯(Cl)
英文名稱:Chlorine
原子序數:17
相對原子質量:35.4527
原子半徑/Å: 0.97
原子體積/cm3/mol: 22.7
共價半徑/Å: 0.99
電子構型: 1s2 2s2p6 3s2p5
離子半徑/Å: 1.81
單質:氯氣:黃綠色
水溶液(溶解度為20℃的數據):氯水:黃綠色，溶解度0.09mol/L
CCl4溶液:黃綠色
苯溶液:黃綠色
銀鹽:AgCl:白色，難溶於水其他:CuCl2固體(無結晶水):棕黃色 ;CuCl2溶液:藍色(形成絡合物呈墨綠色);FeCl3溶液:黃色FeCl2溶液:淺綠色 氯氣常溫下為黃綠色氣體，可溶於水，1體積水能溶解2體積氯氣。
有毒，與水部分發生反應，生成鹽酸(HCl)與次氯酸(HClO)，次氯酸(HClO)不穩定，分解放出氧氣，並生成鹽酸，次氯酸氧化性很強，可用於漂白。氯的水溶液稱為氯水，不穩定，受光照會分解成HCl與氧氣。
液態氯氣稱為液氯。HCl溶液是一種強酸。氯有多種可變化合價。氯氣對肺部有強烈刺激。氯可與大多數元素反應。氯氣具有強氧化性 氯氣與變價金屬反應時，生成最高金屬氯化物 。
通常所說的元素隨其價態升高氧化性增強，但氯的含氧酸氧化性大小為HClO>HClO2>HClO3>HClO4。
溴(Br)
英文名稱:Bromine
原子序數:35
相對原子質量:79.904
原子半徑/Å: 1.12
原子體積/cm3/mol: 23.5
共價半徑/Å: 1.14
電子構型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p5
離子半徑/Å: 1.96
相關顏色:
單質:液溴:深紅棕色
水溶液(溶解度為20℃的數據):溴水:橙色，溶解度0.21mol/L(由於濃度不同在題中可能會出現如下顏色:黃色，棕紅(紅棕)色)
CCl4溶液:橙紅色
苯溶液:橙紅色
酒精溶液:橙紅色
銀鹽:AgBr:淡黃色，難溶於水
其他:BaBr2溶液:無色;CuBr2固體:黑色結晶或結晶性粉末;MgBr2溶液:無色
液溴，在常溫下為深紅棕色液體，可溶於水，100克水能溶解約3克溴。揮發性極強，有毒，蒸氣強烈刺激眼睛、粘膜等。水溶液稱為溴水。溴單質需要存儲容器的封口帶有水封，防止蒸氣逸出危害人體。
有氧化性，有多種可變化合價，常溫下與水微弱反應，生成氫溴酸和次溴酸。加熱可使反應加快。氫溴酸是一種強酸，酸性強於氫氯酸。溴一般用於有機合成等方面。還可用於一些物質的萃取(如碘)
碘(I)
英文名稱:Iodine
原子序數:53
相對原子質量126.90447
原子半徑/Å:1.32
原子體積/cm3/mol:25.74
電子構型:1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10 5s2p5
離子半徑/Å:2.2
共價半徑/Å:1.33
相關顏色:
單質:碘單質:紫黑色;碘蒸氣;紫色水溶液(溶解度為20℃的數據):碘水:棕黃色，溶解度0.0013mol/L(由於濃度不同，在題中可能會出現如下顏色:棕黃色，紫(紅)色，褐色)
CCl4溶液:紫色
苯溶液:紫色
酒精溶液:褐色 銀 鹽:AgI:黃色，難溶於水
碘在常溫下為紫黑色固體，具有毒性，易溶於汽油、乙醇、苯等溶劑，微溶於水，加碘化物可增加碘的溶解度並加快溶解速度。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，但無空氣時為深藍色。有時需要加水封存。氫碘酸為無放射性的最強氫鹵酸，也是無放射性的最強無氧酸。但腐蝕性是所有無放射氫鹵酸中最弱的，因為碘原子的半徑較大，電子親和能與電負性較小，易於損失氫離子。
有還原性。 碘是所有鹵族元素中最安全的，因為氟、氯、溴的毒性、腐蝕性均比碘強，而砹雖毒性比碘弱，但有放射性。但是，碘對人體並不安全，尤其是碘蒸氣，會刺激粘膜。即使要補碘，也要用無毒的碘酸鹽(如碘酸鉀KIO₃)。所以所有的鹵族元素對人體都不安全。
砹(At)
英文名稱:Astatine
原子序數:85
相對原子質量:209.9871
原子半徑/Å: 0.57
原子體積/cm3/mol: 17.1
共價半徑/Å: 0.72
電子構型: 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2p6d10f14 5s2p6d10 6s2p5
離子半徑/Å:1.33
砹(At)極不穩定。砹210是半衰期最長的同位素，其半衰期也只有8.1小時。地殼中砹含量只有10億億億分之一，主要是鐳、錒、釷自動分裂的產物。砹是放射性元素。其量少、不穩定、難於聚集，其 "廬山真面目"誰都沒見過(金屬性應該更強。
顏色應比碘還要深，可能呈黑色固體)。但科學家卻合成砹的同位素20種。砹的金屬性質比碘還明顯一些，可以與銀化合形成極難還原的AgAt。砹與氫化合產生的氫砹酸(HAt)是最強的、最不穩定的氫鹵酸，但腐蝕性是所有氫鹵酸中最弱的。
石田(Ts)
(117號元素)
英文名:Tennessine
原子序數:117
原子質量:294
原子半徑:未知
原子體積:未知
共價半徑:156-157pm(推算)
電子構型:[氡]5f6d7s7p
電子排布:2/8/18/32/32/18/7(預測)
第一電離能:742.9kJ/mol(預測)
2010年，總部位於俄羅斯首都莫斯科郊外的杜布納聯合核研究所成功合成了117號新元素--在實驗室人工創造的最新的超重元素。一篇描述了這個新發現論文已經被《物理評論快報》接受發表。
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，這兩者都已經被發現。這種超重元素通常是具有非常強的放射性，並且幾乎立即會發生衰變。但是，許多研究人員認為甚至更重的元素也可能占據一個可以讓超重原子堅持了一段時間"穩定島"。
新的工作進一步支撐了一觀點。對新元素的進行放射性衰變分析後，尤里的研究小組在新的論文中寫道:"為預測超重元素'穩定島'的存在提供了試驗驗證"。
由俄羅斯杜布納的聯合核研究所的尤里領導的研究小組報告稱用含有97個質子和152個中子的錇-249轟擊鈣Ca-48--一種有20個質子和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，然而國際理論與應用化學聯合會(IUPAC)要求杜布納聯合核研究所再次合成該元素，之後他們才能正式批准將它加入元素周期表。
杜布納聯合核研究所的一名高級負責人說，研究小組已經成功完成了驗證工作，並向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被命名，並歸入元素周期表。
據悉，杜布納聯合核研究所使用粒子回旋加速器，用由20個質子和28個中子組成的鈣48原子，轟擊含有97個質子和152個中子的錇249原子，生成了6個擁有117個質子的新原子，其中的5個原子有176個中子，另一個原子有177個中子。
國際化學協會(IUPAC) 最終確定117號元素由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室和俄羅斯布納(Dubha)聯合核研究所的科學家共同合成。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
原子結構特徵
最外層電子數相同，均為7個電子，由於電子層數不同，原子半徑不同，從F~I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，單質的氧化性減弱。
相似性
鹵素的化學性質都很相似，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定的八隅體結構的鹵離子的傾向，因此鹵素都有氧化性，原子半徑越小，氧化性越強，因此氟是單質中氧化性最強者。
除F外，鹵素的氧化態為+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。鹵素與氫結合成鹵化氫，溶於水生成氫鹵酸。
2F2(g)+2H2O(l)=4HF(aq)+O2(g)
X2(g)+H2O(l)⇌HX(aq)+HXO(aq) X=表示Cl Br I
鹵素之間形成的化合物稱為互鹵化物，如ClF₃(三氟化氯)、ICl(氯碘化合物)。鹵素還能形成多種價態的含氧酸，如HClO、HClO₂、HClO₃、HClO₄。鹵素單質都很穩定，除了I₂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，並且還含有有少量的MgCl₂。
遞變性
單質的物理遞變性:從F2到I2，顏色由淺變深;狀態由氣態、液態到固態;熔沸點逐漸升高;密度逐漸增大;溶解性逐漸減小。
單質氧化性:F2>CL2>Br2>I2
陰離子還原性:F<Cl<BrHI>HBr>HCl,原因是HF有氫鍵沸點最高，其他隨分子量變大分子間作用力增大，沸點升高
條件
特殊現象
產物穩定性
化學方程式
F2
暗處
劇烈化合併發生爆炸 很穩定
H2(g)+F2(g)= 2HF(g)
Cl2
光照或點燃
較穩定
H2(g)+Cl2(g)=(點燃或光照)2HCl(g)
Br2
加熱
穩定性差
H2(g)+Br2(g)= (加熱)2HBr(g)
I2
不斷加熱
緩慢反應 不穩定
H2(g)+I2(g)=(不斷加熱)2HI(g)
結論:隨着核電荷數的增加，鹵素單質與H2反應變化:F2、Cl2、Br2、I2
①劇烈程度:逐漸減弱 ②生成HX的穩定性:與氫反應的條件不同，生成的氣體氫化物的穩定性不同， HF>HCl>HBr>HI。
無氧酸的酸性不同:HI>HBr>HCl>HF。
氯氣難溶於飽和氯化鈉溶液，而碘易溶於碘化鉀溶液(生成I3)
注意:萃取和分液的概念
·在溴水中加入四氯化碳振盪靜置有何現象?(分層，下層橙紅色上層無色)
·在碘水中加入煤油振盪靜置有何現象?(分層，上層紫紅色，下層無色)
鹵離子的鑑別
加入HNO3酸化的硝酸銀溶液，
氯離子:得白色沉澱 Ag+(aq)+ Cl-(aq)--→AgCl(s)
溴離子:得淡黃色沉澱 Ag+(aq)+ Br-(aq)--→AgBr(s)
碘離子:得黃色沉澱 Ag+(aq)+ I-(aq)--→AgI(s)[4]
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)與碳原子的連接，即C-X的連接，明顯不同於烴鏈C-H連接。
由於鹵素原子通常具有較大的負電性，所以C-X連接比C-H連接更加電極化，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連接的偶極子矩(Dipole Moment)和鍵能(Bonding Energy)遠大於C-H，這些導致了C-X的連接力(Bonding strength)遠小於C-H連接。
鹵素原子脆弱的p軌道(Orbital)與碳原子穩定的sp3軌道相連接，這也大大降低了C-X連接的穩定性。
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，三價鐵離子可以把碘離子氧化為碘。
鹵素單質在鹼中容易歧化，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(歸中)很容易進行:
5X-(aq)+XO3-(aq)+6H+(aq)--→3X2(g)+3H2O(l)
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:
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。
鹵素的含氧酸多數隻存在於溶液中，而少數鹽是以固態存在的，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定，可用質譜和其他方法研究。鹵素存在的含氧酸見下表。
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
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。
氯的存在範圍最廣，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，那麼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。
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)-CH?
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=CH?+ HBr --→ CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
催化劑:H2O?
產率90%以上。
苯製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。
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，在產品中幾乎不存在，前四種元素在產品中特別是在聚合物材料中以有機化合物形式存在。
應用於產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;用於做冷凍劑、隔熱材料的臭氧破壞物質: CFCs 、 HCFCs 、 HFCs 等。
危害:在塑料等聚合物產品中添加鹵素(氟，氯，溴，碘)用以提高燃點，其優點是:燃點比普通聚合物材料高，燃點大約在 300℃ 。燃燒時，會散發出鹵化氣體(氟，氯，溴，碘)，迅速吸收氧氣，從而使火熄滅。
但其缺點是釋放出的氯氣濃度高時，引起的能見度下降會導致無法識別逃生路徑，同時氯氣具有很強的毒性，影響人的呼吸系統，此外，含鹵聚合物燃燒釋放出的鹵素氣在與水蒸汽結合時，會生成腐蝕性有害氣體(鹵化氫)，對一些設備及建築物造成腐蝕。
PBB ， PBDE ， TBBPA 等溴化阻燃劑是使用較多的阻燃劑，主要應用在電子電器行業，包括:電路板、電腦、燃料電池、電視機和打印機等等。
這些含鹵阻燃劑材料在燃燒時產生二惡英，且在環境中能存在多年，甚至終身累積於生物體，無法排出。
因此，不少國際大公司在積極推動完全廢止含鹵素材料，如禁止在產品中使用鹵素阻燃劑等。
然而對於無鹵化的要求，不同的產品有不同的限量標準:
如無鹵化電線電纜其中鹵素指標為:所有鹵素的值 ≦50PPM
(根據法規 PREN 14582) ;燃燒後產生鹵化氫氣體的含量<100PPM
(根據法規 EN 5067-2-1) ;燃燒後產生的鹵化氫氣體溶於水後的 PH 值大於等於4.3( 弱酸性 )
(根據法規 EN-5 0267-2-2);產品在密閉容器中燃燒後透過一束光線其透光率 ≧60%
(根據法規 EN-50268-2) 。
印刷電路版材料和其他互聯結構-2-21部分:包被和非包被增強基材，阻燃劑(垂直燃燒試驗)銅包被的無鹵素環氧編織E型玻璃纖維增強層壓板(規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
國際印刷電路協會標準 IPC4101B
氯限值≤900ppm
溴限值≤900ppm
溴+氯含量≤1500ppm
日本印刷電路板協會(JPCA-ES-01-1999)
氯限值≤900ppm
溴限值≤900pp
鹵素單質在不同溶劑中的顏色
參考來源