Halogen

ChemicalEdit

The halogens show trends in chemical bond energy moving from top to bottom of the periodic table column with fluorine deviating slightly. It follows a trend in having the highest bond energy in compounds with other atoms, but it has very weak bonds within the diatomic F2 molecule. This means that further down group 17 in the periodic table, the reactivity of elements decreases because of the increasing size of the atoms.

Halogens are highly reactive, and as such can be harmful or lethal to biological organisms in sufficient quantities. This high reactivity is due to the high electronegativity of the atoms due to their high effective nuclear charge. Because the halogens have seven valence electrons in their outermost energy level, they can gain an electron by reacting with atoms of other elements to satisfy the octet rule. Fluorine is the most reactive of all elements; it is the only element more electronegative than oxygen, it attacks otherwise-inert materials such as glass, and it forms compounds with the usually inert noble gases. It is a corrosive and highly toxic gas. La reattività del fluoro è tale che, se usato o conservato in vetreria da laboratorio, può reagire con il vetro in presenza di piccole quantità di acqua per formare tetrafluoruro di silicio (SiF4). Così, il fluoro deve essere maneggiato con sostanze come il Teflon (che è esso stesso un composto organofluoro), vetro estremamente secco, o metalli come il rame o l’acciaio, che formano uno strato protettivo di fluoro sulla loro superficie.

L’alta reattività del fluoro permette alcuni dei più forti legami possibili, specialmente al carbonio. Per esempio, il Teflon è fluoro legato al carbonio ed è estremamente resistente agli attacchi termici e chimici e ha un alto punto di fusione.

MolecoleModifica

Molecole diatomiche degli alogeniModifica

Gli alogeni formano molecole diatomiche omonucleari (non provato per l’astato).A causa delle forze intermolecolari relativamente deboli, cloro e fluoro fanno parte del gruppo conosciuto come “gas elementari”.

halogen	molecule	structure	model	d(X−X) / pm (gas phase)	d(X−X) / pm (solid phase)
fluorine	F2
chlorine	Cl2
bromine	Br2
iodine	I2

The elements become less reactive and have higher melting points as the atomic number increases. The higher melting points are caused by stronger London dispersion forces resulting from more electrons.

CompoundsEdit

Hydrogen halidesEdit

All of the halogens have been observed to react with hydrogen to form hydrogen halides. Per il fluoro, il cloro e il bromo, questa reazione è nella forma di:

H2 + X2 → 2HX

Tuttavia, lo ioduro di idrogeno e l’astaturo di idrogeno possono dividersi nuovamente nei loro elementi costitutivi.

Le reazioni idrogeno-alogeno diventano gradualmente meno reattive verso gli alogeni più pesanti. Una reazione fluoro-idrogeno è esplosiva anche quando è buio e freddo. Una reazione cloro-idrogeno è anche esplosiva, ma solo in presenza di luce e calore. Una reazione bromo-idrogeno è ancora meno esplosiva; è esplosiva solo se esposta alle fiamme. Lo iodio e l’astato reagiscono solo parzialmente con l’idrogeno, formando equilibri.

Tutti gli alogeni formano composti binari con l’idrogeno conosciuti come gli alogenuri di idrogeno: fluoruro di idrogeno (HF), cloruro di idrogeno (HCl), bromuro di idrogeno (HBr), ioduro di idrogeno (HI), e astato di idrogeno (HAt). Tutti questi composti formano acidi quando vengono mescolati con l’acqua. Il fluoruro di idrogeno è l’unico alogenuro di idrogeno che forma legami idrogeno. L’acido cloridrico, l’acido bromidrico, l’acido idroiodico e l’acido idroastatico sono tutti acidi forti, ma l’acido fluoridrico è un acido debole.

Tutti gli alogenuri di idrogeno sono irritanti. Il fluoruro di idrogeno e il cloruro di idrogeno sono altamente acidi. Il fluoruro di idrogeno è usato come prodotto chimico industriale, ed è altamente tossico, causando edema polmonare e danneggiando le cellule. Anche il cloruro di idrogeno è un prodotto chimico pericoloso. Respirare gas con più di cinquanta parti per milione di cloruro di idrogeno può causare la morte negli esseri umani. Il bromuro di idrogeno è ancora più tossico e irritante del cloruro di idrogeno. Respirare un gas con più di trenta parti per milione di bromuro di idrogeno può essere letale per gli esseri umani. Lo ioduro di idrogeno, come altri alogenuri di idrogeno, è tossico.

Alogenuri metalliciModifica

Tutti gli alogeni sono noti per reagire con il sodio per formare fluoruro di sodio, cloruro di sodio, bromuro di sodio, ioduro di sodio e astaturo di sodio. La reazione del sodio riscaldato con gli alogeni produce fiamme arancione brillante. La reazione del sodio con il cloro è nella forma di:

2Na + Cl2 → 2NaCl

Il ferro reagisce con fluoro, cloro e bromo per formare alogenuri di ferro (III). Queste reazioni sono nella forma di:

2Fe + 3X2 → 2FeX3

Tuttavia, quando il ferro reagisce con lo iodio, forma solo ioduro di ferro(II).

Fe+I2→FeI2

Il ferro può reagire rapidamente con il fluoro per formare il composto bianco ferro(III) fluoruro anche a temperature fredde. Quando il cloro entra in contatto con un ferro riscaldato, reagiscono per formare il cloruro di ferro (III) nero. Tuttavia, se le condizioni di reazione sono umide, questa reazione risulterà invece in un prodotto rosso-marrone. Il ferro può anche reagire con il bromo per formare bromuro di ferro (III). Questo composto è rosso-marrone in condizioni asciutte. La reazione del ferro con il bromo è meno reattiva di quella con il fluoro o il cloro. Un ferro caldo può anche reagire con lo iodio, ma forma lo ioduro di ferro(II). Questo composto può essere grigio, ma la reazione è sempre contaminata da un eccesso di iodio, quindi non si sa con certezza. La reazione del ferro con lo iodio è meno vigorosa della sua reazione con gli alogeni più leggeri.

Composti interalogeniModifica

I composti interalogeni sono nella forma di XYn dove X e Y sono alogeni e n è uno, tre, cinque o sette. I composti interalogeni contengono al massimo due alogeni diversi. Interalogeni grandi, come ClF3 possono essere prodotti da una reazione di un alogeno puro con un interalogeno più piccolo come ClF. Tutti gli interalogeni tranne IF7 possono essere prodotti combinando direttamente gli alogeni puri in varie condizioni.

Gli interalogeni sono tipicamente più reattivi di tutte le molecole alogene biatomiche tranne F2 perché i legami interalogeni sono più deboli. Tuttavia, le proprietà chimiche degli interalogeni sono ancora approssimativamente le stesse di quelle degli alogeni biatomici. Molti interalogeni consistono in uno o più atomi di fluoro che si legano ad un alogeno più pesante. Il cloro può legarsi con fino a 3 atomi di fluoro, il bromo può legarsi con fino a cinque atomi di fluoro, e lo iodio può legarsi con fino a sette atomi di fluoro. La maggior parte dei composti interalogeni sono gas covalenti. Tuttavia, alcuni interalogeni sono liquidi, come BrF3, e molti interalogeni contenenti iodio sono solidi.

Composti organoalogenatiModifica

Molti composti organici sintetici come i polimeri plastici, e alcuni naturali, contengono atomi di alogeno; questi sono noti come composti alogenati o alogenuri organici. Il cloro è di gran lunga il più abbondante degli alogeni nell’acqua di mare, e l’unico necessario in quantità relativamente grandi (come ioni cloruro) per gli esseri umani. Per esempio, gli ioni di cloruro giocano un ruolo chiave nella funzione cerebrale mediando l’azione del trasmettitore inibitorio GABA e sono anche usati dal corpo per produrre acido gastrico. Lo iodio è necessario in tracce per la produzione di ormoni tiroidei come la tiroxina. Gli organoalogeni sono anche sintetizzati attraverso la reazione di astrazione nucleofila.

Composti polialogenatiModifica

I composti polialogenati sono composti creati industrialmente sostituiti con più alogeni. Molti di loro sono molto tossici e bioaccumulano negli esseri umani, e hanno un campo di applicazione molto ampio. Includono PCB, PBDE e composti perfluorurati (PFC), oltre a numerosi altri composti.

ReazioniModifica

Reazioni con l’acquaModifica

Il fluoro reagisce vigorosamente con l’acqua per produrre ossigeno (O2) e fluoruro di idrogeno (HF):

2 F2(g) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 HF(aq)

Il cloro ha una solubilità massima di circa 7,1 g Cl2 per kg di acqua a temperatura ambiente (21 °C). Il cloro dissolto reagisce per formare acido cloridrico (HCl) e acido ipocloroso, una soluzione che può essere usata come disinfettante o candeggina:

Cl2(g) + H2O(l) → HCl(aq) + HClO(aq)

Il bromo ha una solubilità di 3.41 g per 100 g di acqua, ma reagisce lentamente per formare bromuro di idrogeno (HBr) e acido ipobromoso (HBrO):

Br2(g) + H2O(l) → HBr(aq) + HBrO(aq)

Lo iodio, tuttavia, è minimamente solubile in acqua (0.03 g/100 g di acqua a 20 °C) e non reagisce con essa. Tuttavia, lo iodio formerà una soluzione acquosa in presenza di ione ioduro, come per esempio per aggiunta di ioduro di potassio (KI), perché si forma lo ione triioduro.

Fisico e atomicoModifica

La tabella sottostante è un riassunto delle principali proprietà fisiche e atomiche degli alogeni. I dati contrassegnati da punti interrogativi sono incerti o sono stime parzialmente basate su tendenze periodiche piuttosto che su osservazioni.

IsotopesEdit

Il fluoro ha un isotopo stabile e presente in natura, il fluoro-19. Tuttavia, ci sono tracce in natura dell’isotopo radioattivo fluoro-23, che si verifica attraverso il decadimento a grappolo del protoattinio-231. Un totale di diciotto isotopi del fluoro sono stati scoperti, con masse atomiche che vanno da 14 a 31. Il cloro ha due isotopi stabili e presenti in natura, il cloro-35 e il cloro-37. Tuttavia, ci sono tracce in natura dell’isotopo cloro-36, che si verifica tramite spallazione dell’argon-36. Un totale di 24 isotopi del cloro sono stati scoperti, con masse atomiche che vanno da 28 a 51.

Ci sono due isotopi stabili e presenti in natura del bromo, bromo-79 e bromo-81. Un totale di 33 isotopi del bromo sono stati scoperti, con masse atomiche che vanno da 66 a 98. Esiste un isotopo stabile e presente in natura dello iodio, lo iodio-127. Tuttavia, ci sono tracce in natura dell’isotopo radioattivo iodio-129, che si verifica tramite spallazione e dal decadimento radioattivo dell’uranio nei minerali. Diversi altri isotopi radioattivi dello iodio sono stati creati naturalmente attraverso il decadimento dell’uranio. Un totale di 38 isotopi di iodio sono stati scoperti, con masse atomiche che vanno da 108 a 145.

Non ci sono isotopi stabili di astato. Tuttavia, ci sono quattro isotopi radioattivi naturali dell’astatina prodotti attraverso il decadimento radioattivo di uranio, nettunio e plutonio. Questi isotopi sono astatino-215, astatino-217, astatino-218 e astatino-219. Un totale di 31 isotopi di astatina sono stati scoperti, con masse atomiche che vanno da 191 a 227.

La tennessina ha solo due radioisotopi sintetici conosciuti, la tennessina-293 e la tennessina-294.