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.
| X | X2 | HX | BX3 | AlX3 | CX4 |
|---|---|---|---|---|---|
| F | 159 | 574 | 645 | 582 | 456 |
| Cl | 243 | 428 | 444 | 427 | 327 |
| Br | 193 | 363 | 368 | 360 | 272 |
| I | 151 | 294 | 272 | 285 | 239 |
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. Fluorul este atât de reactiv încât, dacă este utilizat sau depozitat în sticlărie de laborator, poate reacționa cu sticla în prezența unor cantități mici de apă pentru a forma tetrafluorură de siliciu (SiF4). Astfel, fluorul trebuie manipulat cu substanțe precum teflonul (care este el însuși un compus organofluorurat), sticlă extrem de uscată sau metale precum cuprul sau oțelul, care formează un strat protector de fluorură pe suprafața lor.
Reactivitatea ridicată a fluorului permite unele dintre cele mai puternice legături posibile, în special cu carbonul. De exemplu, teflonul este fluor legat de carbon și este extrem de rezistent la atacuri termice și chimice și are un punct de topire ridicat.
MoleculeEdit
Molecule diatomice de halogenEdit
Halogenii formează molecule diatomice homonucleare (nu s-a dovedit în cazul astatinei).Datorită forțelor intermoleculare relativ slabe, clorul și fluorul fac parte din grupul cunoscut sub numele de „gaze elementare”.
| halogen | molecule | structure | model | d(X−X) / pm (gas phase) |
d(X−X) / pm (solid phase) |
|---|---|---|---|---|---|
|
|
||||
|
|
||||
|
|
||||
|
|
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. Pentru fluor, clor și brom, această reacție se prezintă sub forma:
H2 + X2 → 2HX
Cu toate acestea, iodura de hidrogen și astatida de hidrogen se pot scinda înapoi în elementele lor constitutive.
Reacțiile dintre hidrogen și halogen devin treptat mai puțin reactive spre halogenii mai grei. O reacție fluor-hidrogen este explozivă chiar și atunci când este întuneric și frig. O reacție clor-hidrogen este, de asemenea, explozivă, dar numai în prezența luminii și a căldurii. O reacție brom-hidrogen este și mai puțin explozivă; este explozivă doar atunci când este expusă la flăcări. Iodul și astatina reacționează doar parțial cu hidrogenul, formând echilibre.
Toți halogenii formează compuși binari cu hidrogenul cunoscuți sub numele de halogenuri de hidrogen: fluorură de hidrogen (HF), clorură de hidrogen (HCl), bromură de hidrogen (HBr), iodură de hidrogen (HI) și astatidă de hidrogen (HAt). Toți acești compuși formează acizi atunci când sunt amestecați cu apă. Fluorura de hidrogen este singura halogenură de hidrogen care formează legături de hidrogen. Acidul clorhidric, acidul bromhidric, acidul hidroiodic și acidul hidroastatic sunt toți acizi puternici, dar acidul fluorhidric este un acid slab.
Toate halogenurile de hidrogen sunt iritante. Fluorura de hidrogen și clorura de hidrogen sunt foarte acide. Fluorura de hidrogen este utilizată ca produs chimic industrial și este foarte toxică, provocând edem pulmonar și deteriorând celulele. Clorura de hidrogen este, de asemenea, o substanță chimică periculoasă. Respirarea unui gaz cu mai mult de cincizeci de părți pe milion de clorură de hidrogen poate provoca moartea la om. Bromura de hidrogen este chiar mai toxică și mai iritantă decât clorura de hidrogen. Respirarea unui gaz cu mai mult de treizeci de părți pe milion de bromură de hidrogen poate fi letală pentru oameni. Iodura de hidrogen, ca și alte halogenuri de hidrogen, este toxică.
Halogenuri metaliceEdit
Se știe că toți halogenii reacționează cu sodiul pentru a forma fluorură de sodiu, clorură de sodiu, bromură de sodiu, iodură de sodiu și astatidă de sodiu. Reacția sodiului încălzit cu halogenii produce flăcări portocalii strălucitoare. Reacția sodiului cu clorul se prezintă sub forma:
2Na + Cl2 → 2NaCl
Fierul reacționează cu fluorul, clorul și bromul pentru a forma halogenuri de fier(III). Aceste reacții se prezintă sub forma:
2Fe + 3X2 → 2FeX3
Cu toate acestea, atunci când fierul reacționează cu iodul, formează numai iodură de fier(II).
Fe+I2→FeI2
Lana de fier poate reacționa rapid cu fluorul pentru a forma compusul alb fluorură de fier(III) chiar și la temperaturi scăzute. Atunci când clorul intră în contact cu fierul încălzit, acestea reacționează pentru a forma clorura neagră de fier (III). Cu toate acestea, dacă condițiile de reacție sunt umede, această reacție va duce în schimb la obținerea unui produs brun-roșcat. De asemenea, fierul poate reacționa cu bromul pentru a forma bromură de fier (III). Acest compus este brun-roșiatic în condiții uscate. Reacția fierului cu bromul este mai puțin reactivă decât reacția sa cu fluorul sau clorul. Un fier fierbinte poate reacționa, de asemenea, cu iodul, dar acesta formează iodură de fier(II). Acest compus poate fi gri, dar reacția este întotdeauna contaminată cu exces de iod, așa că nu se știe cu siguranță. Reacția fierului cu iodul este mai puțin viguroasă decât reacția sa cu halogenii mai ușori.
Compuși interhalogenațiEdit
Compușii interhalogenați sunt sub forma XYn, unde X și Y sunt halogeni și n este unu, trei, cinci sau șapte. Compușii interhalogenați conțin cel mult doi halogeni diferiți. Interhalogenii mari, cum ar fi ClF3, pot fi produși prin reacția unui halogen pur cu un interhalogen mai mic, cum ar fi ClF. Toți interhalogenii, cu excepția IF7, pot fi produși prin combinarea directă a halogenilor puri în diferite condiții.
Interhalogenii sunt de obicei mai reactivi decât toate moleculele diatomice de halogen, cu excepția F2, deoarece legăturile interhalogenice sunt mai slabe. Cu toate acestea, proprietățile chimice ale interhalogenilor sunt încă aproximativ aceleași cu cele ale halogenilor diatomici. Mulți interhalogeni constau din unul sau mai mulți atomi de fluor legați de un halogen mai greu. Clorul se poate lega cu până la 3 atomi de fluor, bromul se poate lega cu până la 5 atomi de fluor, iar iodul se poate lega cu până la 7 atomi de fluor. Majoritatea compușilor interhalogenați sunt gaze covalente. Cu toate acestea, unii interhalogeni sunt lichizi, cum ar fi BrF3, iar mulți interhalogeni care conțin iod sunt solizi.
Compuși organohalogenațiEdit
Mulți compuși organici sintetici, cum ar fi polimerii de plastic, și câțiva naturali, conțin atomi de halogen; aceștia sunt cunoscuți sub numele de compuși halogenați sau halogenuri organice. Clorul este de departe cel mai abundent dintre halogeni în apa de mare și singurul de care oamenii au nevoie în cantități relativ mari (sub formă de ioni de clorură). De exemplu, ionii de clorură joacă un rol cheie în funcționarea creierului prin medierea acțiunii transmițătorului inhibitor GABA și sunt, de asemenea, utilizați de organism pentru a produce acid gastric. Iodul este necesar în cantități infime pentru producerea de hormoni tiroidieni, cum ar fi tiroxina. Organohalogenii sunt, de asemenea, sintetizați prin reacția de abstracție nucleofilă.
Compuși polihalogenațiEdit
Compușii polihalogenați sunt compuși creați industrial, substituiți cu halogeni multipli. Mulți dintre ei sunt foarte toxici și se bioacumulează la om și au o gamă foarte largă de aplicații. Printre aceștia se numără PCB, PBDE și compușii perfluorurați (PFC), precum și numeroși alți compuși.
ReacțiiEdit
Reacții cu apaEdit
Fluorul reacționează viguros cu apa pentru a produce oxigen (O2) și fluorură de hidrogen (HF):
2 F2(g) + 2 H2O(l) → O2(g) + 4 HF(aq)
Clorul are o solubilitate maximă de cca. 7,1 g Cl2 pe kg de apă la temperatura ambiantă (21 °C). Clorul dizolvat reacționează pentru a forma acid clorhidric (HCl) și acid hipocloros, o soluție care poate fi utilizată ca dezinfectant sau înălbitor:
Cl2(g) + H2O(l) → HCl(aq) + HClO(aq)
Bromul are o solubilitate de 3.41 g la 100 g de apă, dar reacționează lent pentru a forma bromură de hidrogen (HBr) și acid hipobromos (HBrO):
Br2(g) + H2O(l) → HBr(aq) + HBrO(aq)
Iodul, cu toate acestea, este minim solubil în apă (0,03 g/100 g de apă la 20 °C) și nu reacționează cu aceasta. Cu toate acestea, iodul va forma o soluție apoasă în prezența ionului iodură, cum ar fi prin adăugarea de iodură de potasiu (KI), deoarece se formează ionul triiodură.
Fizică și atomicăEdit
Tabelul de mai jos este un rezumat al principalelor proprietăți fizice și atomice ale halogenilor. Datele marcate cu semne de întrebare sunt fie incerte, fie sunt estimări bazate parțial pe tendințe periodice mai degrabă decât pe observații.
| Halogen | Standard atomic weight (u) |
Melting point (K) |
Melting point (°C) |
Boiling point (K) |
Boiling point (°C) |
Density (g/cm3at 25 °C) |
Electronegativity (Pauling) |
First ionization energy (kJ·mol−1) |
Covalent radius (pm) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fluorine | 18.9984032(5) | 53.53 | −219.62 | 85.03 | −188.12 | 0.0017 | 3.98 | 1681.0 | 71 |
| Chlorine | 171.6 | −101.5 | 239.11 | −34.04 | 0.0032 | 3.16 | 1251.2 | 99 | |
| Bromine | 79.904(1) | 265.8 | −7.3 | 332.0 | 58.8 | 3.1028 | 2.96 | 1139.9 | 114 |
| Iodine | 126.90447(3) | 386.85 | 113.7 | 457.4 | 184.3 | 4.933 | 2.66 | 1008.4 | 133 |
| Astatine | 575 | 302 | ? 610 | ? 337 | ? 6.2–6.5 | 2.2 | ? 887.7 | ? 145 | |
| Tennessine | ? 623-823 | ? 350-550 | ? 883 | ? 610 | ? 7.1-7.3 | – | ? 743 | ? 157 |
| Z | Element | No. of electrons/shell |
|---|---|---|
| 9 | fluorine | 2, 7 |
| 17 | chlorine | 2, 8, 7 |
| 35 | bromine | 2, 8, 18, 7 |
| 53 | iodine | 2, 8, 18, 18, 7 |
| 85 | astatine | 2, 8, 18, 32, 18, 7 |
| 117 | tennessine | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (prezis) |
IsotopiEdit
Fluorul are un singur izotop stabil și prezent în mod natural, fluorul-19. Cu toate acestea, există urme în natură ale izotopului radioactiv fluor-23, care apare prin dezintegrarea în grup a protactiniului-231. Au fost descoperiți în total optsprezece izotopi ai fluorului, cu mase atomice cuprinse între 14 și 31. Clorul are doi izotopi stabili și prezenți în natură, clorul-35 și clorul-37. Cu toate acestea, în natură există urme de izotop de clor-36, care apare prin spallația argonului-36. Au fost descoperiți în total 24 de izotopi ai clorului, cu mase atomice cuprinse între 28 și 51.
Există doi izotopi stabili și naturali ai bromului, bromul-79 și bromul-81. Au fost descoperiți în total 33 de izotopi ai bromului, cu mase atomice cuprinse între 66 și 98. Există un izotop stabil și natural al iodului, iodul-127. Cu toate acestea, în natură există urme ale izotopului radioactiv iod-129, care apare prin spallație și prin descompunerea radioactivă a uraniului din minereuri. De asemenea, alți câțiva izotopi radioactivi de iod au fost creați în mod natural prin dezintegrarea uraniului. În total, au fost descoperiți 38 de izotopi ai iodului, cu mase atomice cuprinse între 108 și 145.
Nu există izotopi stabili ai astatinei. Cu toate acestea, există patru izotopi radioactivi naturali ai astatinei produși prin dezintegrarea radioactivă a uraniului, neptuniului și plutoniului. Acești izotopi sunt astatina-215, astatina-217, astatina-218 și astatina-219. În total, au fost descoperiți 31 de izotopi ai astatinei, cu mase atomice cuprinse între 191 și 227.
Tennessina are doar doi radioizotopi sintetici cunoscuți, tennessina-293 și tennessina-294.
.