卤素
卤素的命名
由于卤素可以和很多金属形成盐类,因此英文卤素(halogen)来源于希腊语 halos (盐)和 gennan (形成)两个词。在中文里, 卤 的原意是盐碱地的意思。
卤素的分布
卤素在自然界中以化合态广泛存在。(砹和Ts不在自然界存在)
卤素的物理、化学特性
通常来说,液体卤素分子的沸点均要高于它们所对应的烃链。这主要是由于卤素分子比烷链更加电极化,而分子的电极化增加了分子之间的连接力(正电极与负电极的相互吸引),这使我们需要对液体提供更多的能量才能使其蒸发。
位于元素周期表右方的卤族元素是典型的非金属。卤素的电子构型均为ns np ,它们获取一个电子以达到稳定结构的趋势极强烈。所以化学性质很活泼,自然状态下不能以单质存在,一般化合价为-1价,即卤离子(X )的形式。
卤素的无机化学反应
氯的存在范围最广,按照氟、溴、碘、砹、Uus的顺序减少。卤素单质都是双原子分子,都有很强的挥发性,熔点和沸点随原子序的增大而增加。常温下,氟、氯是气体、溴是液体,碘和砹是固体。
卤素的氧化性
卤素单质都有氧化性,氧化性从氟到砈依次降低。碘单质氧化性比较弱,三价铁离子可以把碘离子氧化为碘。卤素能与部分金属、非金属单质直接化合。卤素与水也能发生氧化还原反应,方程式为:
2X 2 + 4H 2 O → 4H + 4X - + O 2
氟与水反应剧烈,氯在光照下缓慢与水发生该反应,碘不发生这个反应。
卤素的歧化反应
卤素单质在碱中容易歧化,方程式为:
X 2 + 2OH (冷)→ X + XO + H 2 O
3X 2 + 6OH (热)→ 5X + XO 3 + 3H 2 O
但在酸性条件下,其逆反应很容易进行:
5X + XO 3 + 6H → 3X 2 + 3H 2 O
这一反应是制取溴和碘单质流程中的最后一步。
卤素的氢化物
卤素的氢化物叫卤化氢,为共价化合物;而其溶液叫氢卤酸,因为它们在水中都以离子形式存在,且都是酸。氢氟酸(pKa=3.20)一般看成是弱酸。氢氯酸(即盐酸)、氢溴酸、氢碘酸都是典型的强酸,酸性从HCl到HI依次增强,它们的pKa均为负数。
卤素的含氧酸
卤素(除氟外,氟只有-1价)可以显示多种价态,正价态一般都体现在它们的含氧酸根中:
+1: HXO(次卤酸)
+3: HXO 2 (亚卤酸)
+5: HXO 3 (卤酸)
+7: HXO 4 (过卤酸)
卤素的含氧酸均有氧化性,同一种元素中,次卤酸的氧化性最强。
卤素的含氧酸多数只存在于溶液中,而少数盐是以固态存在的,如碘酸盐和高碘酸盐。HXO(X=Cl、Br、I)、HIO 3 和HXO 4 (X=Cl、Br、I)分子在气相中十分稳定,可用质谱和其他方法研究。卤素存在的含氧酸见下表 290-291 。
卤素的其他无机化学性质
卤素的氧化物都是酸酐。像二氧化氯(ClO 2 )这样的偶氧化态氧化物是混酐。
只由两种不同的卤素形成的化合物叫做互卤化物,其中显电正性的一种元素呈现正氧化态,氧化态为奇数。这是由于卤素的价电子数是奇数,周围以奇数个其它卤原子与之成键比较稳定(如IF 7 )。互卤化物都能水解。
卤素的有机化学反应
在有机化学中,卤族元素经常作为决定有机化合物化学性质的官能团存在。常用X表示。如R-X是含卤素原子的烃类。
卤素的物理特性和化学特性明显区分于与它对应的烃链的主要原因,在于卤素原子(如F、Cl、Br、I)与碳原子的连接,即C-X的连接,明显不同于烃链C-H连接。
由于卤素原子通常具有较大的负电性,所以C-X连接比C-H连接更加电极化,但仍然是共价键。
由于卤素原子相较于碳原子,通常体积和质量较大,所以C-X连接的偶极子矩(Dipole Moment)和连接能量(Bonding Energy)远大于C-H,这些导致了C-X的连接力(Bonding strength)远小于C-H连接。
卤素原子脆弱的p轨道(Orbital)与碳原子稳定的sp 轨道相连接,这也大大降低了C-X连接的稳定性。
卤素最常见的有机化学反应为亲核性取代反应(nucleophilic substitution)。
通常的化学式如:
Nu: + R-X → R-Nu + X
“Nu: ”在这里代表亲核负离子,离子的亲核性越强,则产率和化学反应的速度越可观。
“X”在这里代表卤素原子,如F、Cl、Br、I,若X 所对应的酸(即HX)为强酸,那么产率和反应的速度将非常可观,如果若X 所对应的酸为弱酸,则产率和反应的速度均会下降。
有机卤化物的制成
通过加成反应
可通过加成反应,在一个未饱和烃链加入卤素,此为最简单的方式,如:
CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH(Br)−CH 3
不需要催化剂的情况下,产率90%以上。
Karasch方式
如果希望将Br加在烃链第一个碳原子上,可以使用Karasch的方式:
CH 3 -CH 2 -CH=CH 2 + HBr → CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -Br + H 2 O
催化剂:HO-OH
产率90%以上。
由苯合成
由苯合成卤化物则必须要通过催化剂,如:
催化剂:FeX 3 或者AlX 3 (X代表氟、氯、溴、碘)
产率较高。
由醇合成
由醇合成卤化物,必须用好的亲核试剂,强酸作为催化剂以提高产率和速度: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -OH + Br ←→ CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -Br + H 2 O
催化剂:H
注意 此反应为双向反应,故产率和速度有限。
参见
元素周期表
卤化
元素的族
官能团
拟卤素
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