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. Reaktywność fluoru jest taka, że jeśli jest on używany lub przechowywany w szklanych naczyniach laboratoryjnych, może reagować ze szkłem w obecności niewielkiej ilości wody, tworząc tetrafluorek krzemu (SiF4). Dlatego z fluorem należy obchodzić się za pomocą substancji takich jak teflon (który sam jest związkiem organofluorowym), bardzo suche szkło lub metale takie jak miedź lub stal, które tworzą na swojej powierzchni ochronną warstwę fluoru.

Wysoka reaktywność fluoru umożliwia tworzenie jednych z najsilniejszych możliwych wiązań, zwłaszcza z węglem. Na przykład teflon jest połączony fluorem z węglem i jest niezwykle odporny na ataki termiczne i chemiczne oraz ma wysoką temperaturę topnienia.

CząsteczkiEdit

Diatomowe cząsteczki halogenówEdit

Halogeny tworzą homonuklearne cząsteczki dwuatomowe (nie udowodniono w przypadku astatu).Ze względu na stosunkowo słabe siły międzycząsteczkowe, chlor i fluor należą do grupy znanej jako „gazy elementarne”.

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. W przypadku fluoru, chloru i bromu reakcja ta ma postać:

H2 + X2 → 2HX

Jednakże jodek wodoru i astatowodór mogą rozszczepić się z powrotem na swoje elementy składowe.

Reakcje wodoru z halogenkami stają się stopniowo mniej reaktywne w kierunku cięższych halogenów. Reakcja fluoru z wodorem jest wybuchowa nawet wtedy, gdy jest ciemno i zimno. Reakcja chloru z wodorem jest również wybuchowa, ale tylko w obecności światła i ciepła. Reakcja bromu z wodorem jest jeszcze mniej wybuchowa; jest ona wybuchowa tylko w obecności płomieni. Jod i astat tylko częściowo reagują z wodorem, tworząc równowagę.

Wszystkie chlorowce tworzą z wodorem związki binarne znane jako halogenki wodoru: fluorowodór (HF), chlorowodór (HCl), bromowodór (HBr), jodowodór (HI) i astatowodór (HAt). Wszystkie te związki po zmieszaniu z wodą tworzą kwasy. Fluorowodór jest jedynym halogenkiem wodoru, który tworzy wiązania wodorowe. Kwas chlorowodorowy, kwas bromowodorowy, kwas diwodorowy i kwas hydroastatyczny są mocnymi kwasami, ale kwas fluorowodorowy jest słabym kwasem.

Wszystkie halogenki wodoru są drażniące. Fluorowodór i chlorowodór są silnie kwaśne. Fluorowodór jest używany jako chemikalia przemysłowe i jest wysoce toksyczny, powodując obrzęk płuc i uszkadzając komórki. Chlorowodór jest również niebezpieczną substancją chemiczną. Wdychanie gazu zawierającego więcej niż pięćdziesiąt części na milion chlorowodoru może spowodować śmierć u ludzi. Bromowodór jest jeszcze bardziej toksyczny i drażniący niż chlorowodór. Wdychanie gazu zawierającego ponad trzydzieści części na milion bromowodoru może być śmiertelne dla człowieka. Jodowodór, podobnie jak inne halogenki wodoru, jest toksyczny.

Halogenki metaliEdit

Wszystkie chlorowce są znane z reakcji z sodem, tworząc fluorek sodu, chlorek sodu, bromek sodu, jodek sodu i astatid sodu. Ogrzewana reakcja sodu z halogenami wytwarza jasnopomarańczowe płomienie. Reakcja sodu z chlorem przebiega w postaci:

2Na + Cl2 → 2NaCl

Żelazo reaguje z fluorem, chlorem i bromem tworząc halogenki żelaza(III). Reakcje te przebiegają w postaci:

2Fe + 3X2 → 2FeX3

Jednakże, gdy żelazo reaguje z jodem, tworzy tylko jodek żelaza(II).

Fe+I2→FeI2

Wata żelazowa może szybko reagować z fluorem tworząc biały związek fluorek żelaza(III) nawet w niskich temperaturach. Gdy chlor wejdzie w kontakt z rozgrzanym żelazem, reagują tworząc czarny chlorek żelaza(III). Jednakże, jeśli warunki reakcji są wilgotne, reakcja ta spowoduje powstanie czerwonobrązowego produktu. Żelazo może również reagować z bromem, tworząc bromek żelaza(III). Związek ten w warunkach suchych ma barwę czerwonobrązową. Reakcja żelaza z bromem jest mniej reaktywna niż jego reakcja z fluorem lub chlorem. Rozgrzane żelazo może również reagować z jodem, ale tworzy on jodek żelaza(II). Związek ten może być szary, ale reakcja jest zawsze zanieczyszczona nadmiarem jodu, więc nie wiadomo tego na pewno. Reakcja żelaza z jodem jest mniej żywiołowa niż jego reakcja z lżejszymi fluorowcami.

Związki międzyhalogenoweEdit

Związki interhalogenowe mają postać XYn, gdzie X i Y są fluorowcami, a n wynosi jeden, trzy, pięć lub siedem. Związki interhalogenowe zawierają co najwyżej dwa różne chlorowce. Duże interhalogeny, takie jak ClF3, mogą być wytwarzane w reakcji czystego halogenu z mniejszym interhalogenem, takim jak ClF. Wszystkie interhalogeny z wyjątkiem IF7 mogą być wytwarzane przez bezpośrednie połączenie czystych chlorowców w różnych warunkach.

Interhalogeny są zazwyczaj bardziej reaktywne niż wszystkie dwuatomowe cząsteczki halogenu z wyjątkiem F2, ponieważ wiązania międzyhalogenowe są słabsze. Jednak właściwości chemiczne interhalogenów są nadal w przybliżeniu takie same jak właściwości halogenów dwuatomowych. Wiele interhalogenów składa się z jednego lub więcej atomów fluoru połączonych z cięższym halogenem. Chlor może łączyć się z maksymalnie 3 atomami fluoru, brom z maksymalnie 5 atomami fluoru, a jod z maksymalnie 7 atomami fluoru. Większość związków interhalogenowych to gazy kowalencyjne. Jednakże, niektóre interhalogeny są cieczami, takimi jak BrF3, a wiele interhalogenów zawierających jod jest ciałami stałymi.

Związki organohalogenoweEdit

Wiele syntetycznych związków organicznych, takich jak polimery tworzyw sztucznych, a także kilka naturalnych, zawiera atomy halogenu; są one znane jako związki halogenowe lub halogenki organiczne. Chlor jest zdecydowanie najobficiej występującym chlorowcem w wodzie morskiej i jedynym, który jest potrzebny człowiekowi w stosunkowo dużych ilościach (jako jony chlorkowe). Na przykład, jony chlorkowe odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu mózgu, pośrednicząc w działaniu hamującego przekaźnika GABA, a także są wykorzystywane przez organizm do produkcji kwasu żołądkowego. Jod jest potrzebny w ilościach śladowych do produkcji hormonów tarczycy, takich jak tyroksyna. Organohalogeny są również syntetyzowane poprzez reakcję abstrakcji nukleofilowej.

Związki polihalogenowaneEdit

Związki polihalogenowane są przemysłowo tworzonymi związkami podstawionymi wieloma fluorowcami. Wiele z nich jest bardzo toksycznych i ulega bioakumulacji u ludzi, a ich zastosowanie jest bardzo szerokie. Należą do nich PCB, PBDE i związki perfluorowane (PFC), jak również wiele innych związków.

ReakcjeEdit

Reakcje z wodąEdit

Fluor energicznie reaguje z wodą, wytwarzając tlen (O2) i fluorowodór (HF):

2 F2(g) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 HF(aq)

Chlor ma maksymalną rozpuszczalność około 7,1 g Cl2 na kg wody w temperaturze otoczenia (21 °C). Rozpuszczony chlor reaguje tworząc kwas chlorowodorowy (HCl) i kwas podchlorawy, roztwór, który może być stosowany jako środek dezynfekujący lub wybielacz:

Cl2(g) + H2O(l) → HCl(aq) + HClO(aq)

Brom ma rozpuszczalność 3.41 g na 100 g wody, ale powoli reaguje tworząc bromowodór (HBr) i kwas hipobromowy (HBrO):

Br2(g) + H2O(l) → HBr(aq) + HBrO(aq)

Jod natomiast jest minimalnie rozpuszczalny w wodzie (0,03 g/100 g wody w 20°C) i nie reaguje z nią. Jod będzie jednak tworzył roztwór wodny w obecności jonu jodkowego, np. po dodaniu jodku potasu (KI), ponieważ powstaje jon trójjodkowy.

Właściwości fizyczne i atomoweEdit

Poniższa tabela jest zestawieniem najważniejszych właściwości fizycznych i atomowych fluorowców. Dane oznaczone znakami zapytania są albo niepewne, albo są szacunkami częściowo opartymi na trendach okresowych, a nie na obserwacjach.

IzotopyEdit

Fluor ma jeden stabilny i naturalnie występujący izotop, fluor-19. W przyrodzie występują jednak śladowe ilości radioaktywnego izotopu fluoru-23, który powstaje w wyniku rozpadu klastrowego protaktynu-231. W sumie odkryto osiemnaście izotopów fluoru o masach atomowych w zakresie od 14 do 31. Chlor ma dwa stabilne i naturalnie występujące izotopy: chlor-35 i chlor-37. W przyrodzie występują jednak śladowe ilości izotopu chloru-36, który powstaje w wyniku spallacji argonu-36. Łącznie odkryto 24 izotopy chloru o masach atomowych od 28 do 51.

Istnieją dwa stabilne i naturalnie występujące izotopy bromu, brom-79 i brom-81. W sumie odkryto 33 izotopy bromu o masach atomowych od 66 do 98. Istnieje jeden stabilny i naturalnie występujący izotop jodu, jod-127. W przyrodzie występują jednak śladowe ilości radioaktywnego izotopu jodu-129, który powstaje w wyniku spallacji oraz w wyniku rozpadu promieniotwórczego uranu w rudach. Kilka innych radioaktywnych izotopów jodu również powstało w sposób naturalny w wyniku rozpadu uranu. W sumie odkryto 38 izotopów jodu, o masach atomowych od 108 do 145.

Nie ma stabilnych izotopów astatyny. Istnieją jednak cztery naturalnie występujące radioaktywne izotopy astatyny, które powstają w wyniku rozpadu promieniotwórczego uranu, neptunu i plutonu. Izotopy te to astatyn-215, astatyn-217, astatyn-218 i astatyn-219. Łącznie odkryto 31 izotopów astatyny o masach atomowych od 191 do 227.

Tenzyn ma tylko dwa znane syntetyczne radioizotopy, tenzyn-293 i tenzyn-294.