普通化学/各种元素的化学/17 族

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书籍封面 · 介绍 · v • d • e
单元: 物质的性质 · 原子结构 · 化合物和键合 · 化学反应 · 水溶液 · 物质的相 · 化学平衡 · 化学动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 方程 · 标准还原电势 · 元素及其性质表

卤素

卤素位于17 族 (VIIA)。卤素包括氟，氯，溴，碘和砹。

与碱金属类似，卤素极具反应性。它们具有七个价电子，这意味着它们只需要一个电子就能形成惰性气体构型。这使它们具有非常大的电子亲和力，并具有极强的反应性，以形成带 -1 电荷的离子。它们非常活泼，以至于在均相状态下，紫外线会催化自由基反应。

卤素以双原子形式存在。在正常条件下，它们总是成对出现，以共价键结合。共价键使它们可以共享一个电子并具有完整的八隅体。F₂ 是一种淡黄褐色气体。它具有高度的反应性，即使没有火花，也会导致有机化合物和氢气爆炸。Cl₂ 是一种淡黄绿色气体。它与水反应生成消毒剂和漂白剂。Br₂ 是一种红棕色液体，但由于其挥发性，它会很容易地蒸发成红棕色蒸汽。I₂ 是一种灰色固体，如果加热会形成紫色气体。

氟是所有元素中电负性最高的，而且它非常活泼，几乎会攻击所有其他元素（惰性气体、氧气、氮气和金是例外）以形成氟化物。氯的反应性稍弱，溴的反应性稍弱于氯，碘的反应性更弱，但即使碘也是一种强大的电离剂。砹的化学性质被极端的放射性掩盖了。随着这些元素原子量的增加，它们的沸点和熔点也随之升高。在常温下，氟和氯是气体，溴是液体，碘是固体。

卤素
氟化铜 (II)
氯气
装有液态和气态溴的瓶子
固态碘块

安全

反应

$2{\hbox{F}}_{2(g)}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{O}}_{2(g)}+4{\hbox{HF}}_{(aq)}$ ${\hbox{Cl}}_{2(g)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{HCl}}_{(aq)}+{\hbox{HClO}}_{(aq)}$ ${\hbox{Br}}_{2(g)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{HBr}}_{(aq)}+{\hbox{HBrO}}_{(aq)}$	双原子形式的卤素与水反应生成酸. 碘不与水反应，且溶解度很低。氯的溶解度也很低，但它会在水中反应生成次氯酸和盐酸。
${\hbox{X}}_{2}+{\hbox{H}}_{2(g)}\to 2{\hbox{HX}}_{(g)}$	在化学反应中，X 用于表示任何卤素元素。所有卤素都与氢气形成气态化合物：氟化氢 HF、氯化氢 HCl、溴化氢 HBr 和碘化氢 HI。这些是酸性的、强反应性的物质，称为卤化氢。
${\hbox{HX}}_{(g)}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(g)}\to {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}_{(aq)}^{+}+{\hbox{X}}_{(aq)}^{-}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}$	当卤化氢溶解在水中时，它们被称为氢卤酸。除了氟化氢外，它们是已知的最强的酸。
$2{\hbox{M}}_{(s)}+{\hbox{X}}_{2(g)}\to 2{\hbox{MX}}_{(s)}$ ${\hbox{HX}}_{(g)}+{\hbox{NH}}_{3(g)}\to {\hbox{NH}}_{4}{\hbox{X}}_{(g)}$	这些反应显示了与金属和氨气反应分别形成盐和铵盐。
${\hbox{SiCl}}_{4}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\to {\hbox{SiO}}_{2}+4{\hbox{HCl}}$	许多非金属卤化物与水反应释放卤化氢。例如，四氯化硅和水反应。

其他化合物

金属的卤化物被称为盐。氯化钠，更广为人知的“食盐”，是通常用于增强食物风味的结晶物质。然而，请注意，并非所有盐都是卤化物（例如，硫酸钠 Na₂SO₄），并非所有卤化物都是盐（四氯化碳，CCl₄）。

卤素互化物是由两种或多种不同卤素原子组成的分子。它们类似于双原子卤素。一些例子是氟化氯 ClF 和溴化氯 BrCl。还有许多其他的，它们都非常活泼，并且有些不稳定。卤素互化物采用 XY_n的形式，其中 n 为 1、3、5 或 7。X 和 Y 都是卤素，X 是电负性较小的那个。还已知较大的分子和离子。例如，I₂ 在水中的溶解度很差，但在含有碘离子的溶液中很容易溶解，形成三碘阴离子 I₂ + I^- --> I₃^-

惰性气体化合物已使用氟制备。虽然惰性气体被认为是惰性的，但较大的惰性气体，如氙，会与氟等电负性非常强的元素形成共价键。二氟化氙 XeF₂、四氟化氙 XeF₄ 和六氟化氙 XeF₆ 是已制备的惰性气体化合物中的一部分。

氧化态

氟是电负性最强的元素，在反应中始终呈现-1的氧化数。由此形成的化合物被称为**氟化物**。

其他卤素也经常以类似的方式反应，但它们的电负性比氟弱。如果它们在电负性比自身高的元素存在下反应，则可能形成其他（较高的）氧化数。

对于氯，这种情况只可能发生在两种元素：氧和氟。具有较高氧化态的最常见化合物是含氧酸及其盐。

氧化数	酸	名称	阴离子	名称
+7	HClO₄	高氯酸	ClO₄^-	高氯酸根离子
+5	HClO₃	氯酸	ClO₃^-	氯酸根离子
+3	HClO₂	亚氯酸	ClO₂^-	亚氯酸根离子
+1	HClO	次氯酸	ClO^-	次氯酸根离子
-1	HCl	盐酸	Cl^-	氯离子

如上所示，氧化数可以在整个八隅体范围内变化，从-1到+7，代表氯原子电子构型从[Ar]到[Ne]的变化。命名方式有些随意。酸的“-ic”结尾和阴离子的“-ate”结尾通常保留给最高氧化数，但在发现+7物种时，它们已经被赋予了+5物种。这就是为什么添加了“per-”前缀。+3物种具有通常的“-ous”和“-ite”结尾，表示比最高氧化态低一级，而“hypo-”前缀表示它是更低的氧化态。

其中一些化合物比较常见。盐酸存在于我们的胃中，也是一种家庭清洁剂。纯净状态下它是一种气体，但在水中溶解度很高。食盐是一种氯化物盐，次氯酸根离子是漂白剂中的活性成分。高氯酸盐是高度可溶的盐，如果我们希望使某种阳离子易溶，通常会利用这一性质。

溴和碘元素可以形成与氯类似的酸和盐。

卤代酸

像硝酸HNO₃和硫酸H₂SO₄这样的含氧酸及其阴离子，如硝酸根离子NO₃^-或硫酸根离子SO₄^2-，是众所周知的。在这些分子离子中，氧作为更高氧化态的中心原子（N或S）周围的更具电负性的配体。

卤素本身具有相当高的电负性，可以与氧发挥相同的配体作用，从而产生卤代酸及其阴离子。这类阴离子一个很好的例子是四氟硼酸根离子BF₄^-。

这类化合物的命名来源于含氧化合物。以“-ate”结尾的硼酸根名称表示硼处于其最高氧化态，是中心原子。前缀“fluoro-”表示配体是F而不是氧，而“tetra-”表示中心原子周围有四个配体。类似的命名适用于其他卤素，例如ZnCl₄^2-是四氯合锌酸根离子。