卤素

固体、 液体、 气体卤素是指在元素周期表中同属第17族（旧称ⅦA族）的六个元素：氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砹（At）、（Ts），其中砹和具有极高的放射性，且属于人造元素。卤素是一类化学性质非常活泼的元素，能够和许多金属形成盐类。其熔点和沸点随原子序的增大而增加。标准状况下，氟和氯是气体，溴是液体，碘、砹、是固体。由于卤素可以和很多金属形成盐类，例如氟化钙、氯化钠、溴化银、碘化钾等，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。所有已发现的卤素英文名称都以ine做结尾。卤素在自然界中以化合态广泛存在。以氯的存在范围最广，其余卤素按照氟、溴、碘、砹、的顺序减少（砹在自然界中痕量存在，不存在于自然界中）。名称元素符号原子半径（nm）主要化合价状态(标况)单质密度（克/立方厘米）单质熔点（℃）单质沸点（℃）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。卤素的单质都是双原子分子，都有很强的挥发性。卤素的电子构型均为ns2np5，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，在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。卤素单质都有氧化性，氧化性从氟到砹依次降低。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：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。卤素单质在碱中容易歧化，方程式为：但在酸性条件下，其逆反应很容易进行：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。至于氢砹酸则具备氢卤酸中最强的酸性，但它极易分解为氢与砹单质。卤素的氧化物见下表：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。以氯为例：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）、HIO3和HXO4（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。卤素的氧化物都是酸酐。像二氧化氯（ClO2）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IF7）。互卤化物都能水解。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。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。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：CH3-CH2-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH（Br）−CH3不需要催化剂的情况下，产率90%以上。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：CH3-CH2-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O催化剂：HO-OH产率90%以上。由苯合成卤化物则必须要通过催化剂，如：催化剂：FeX3或者AlX3（X代表氟、氯、溴、碘）产率较高。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： CH3-CH2-CH2-CH2-OH + Br− ←→ CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O催化剂：H+注意此反应为双向反应，故产率和速度有限。全世界对氟的最大的应用是在核燃料循环中生产六氟化铀，每年消耗近7000吨氟。首先二氧化铀与氢氟酸反应生成四氟化铀，然后四氟化铀被氟气氟化生成六氟化铀，可通过气体扩散法或者气体离心法对铀进行浓缩。每年大约有6000吨氟用于生产惰性电介质六氟化硫，该物质可以用于高压变压器与断路器，这样就不必在充油设备中使用危险的多氯联苯了。电子产品中会使用一些氟化合物：在化学气相沉积中会使用六氟化钨或六氟化铼，在等离子蚀刻中会使用聚四氟乙烯。此外氟也可用于牙齿护理、制药及在血液中携带氧气等。氯可以作为一种较便宜的消毒剂，一般的自来水及游泳池就常采用它来消毒。但由于氯气的水溶性较差、毒性较大、会放出特殊气味，且容易产生有致癌风险的三卤甲烷等有机氯化合物，故中国、美国等国常改用二氧化氯（ClO2）、氯胺或臭氧等代替氯气作为水的消毒剂。除了用于消毒，氯气也是一种重要的化工原料，用于制造盐酸和漂白粉、制造氯代烃。也可以用于制造多种农药、制造氯仿等有机溶剂。此外氯气还广泛用于造纸、纺织、有机合成、金属冶炼等行业，也有作为化学武器的纪录。许多种的有机溴化物在工业上有其应用，其中一部分是由溴制备而来，另一部分则是由溴化氢制备而来。溴化合物在工业上可用于阻燃剂、汽油添加剂、钻井液和化工原料等，用途十分广泛。碘化物的主要用途包括做为催化剂、动物食物添加品、稳定剂、染剂、着色剂、颜料、药品、清洁卫生（碘酒）、照片与卤素灯泡等；其他小众用途为除雾、种云，和在分析化学中的多种用途。此外其放射性同位素碘-131可用于医学造影及放射治疗。尽管砹的同位素皆非常不稳定，但砹-211具有核医学应用。刚制成的砹-211需要马上使用，因为在7.2小时之后，其总量就会减半。砹-211会释放α粒子，或经电子捕获衰变成释放α粒子的钋-211，所以可用于α粒子靶向治疗。由于只能利用粒子加速器人工合成，且制备极为困难，制备出的量又极少，半衰期又极短，因此没有任何商业用途，仅用于学术研究。氟并非人或者其它哺乳动物必须的元素。少量的氟可能对增加骨强度有益，但是该理论尚未确立。由于日常环境中有很多微量氟的来源，氟缺乏的可能性仅能通过人工饮食来实现。至于吸入大量的氟气对人体来说是剧毒的，会刺激眼、皮肤、呼吸道粘膜。和氟相似，大量的氯气对人体来说也是剧毒的，可以损害人体全身器官及神经系统。但氯离子是人体必需的矿物质，在人体中为代谢作用很重要的物质，胃中盐酸的生成和细胞泵的功能皆需要氯，饮食中主要的来源是餐桌上的氯化钠，血液中过低或高浓度的氯为电解质失调的实例，在没有其他异常的情况下很少发生低氯血症。溴在人体中还未找到已知的功能，但有机溴化合物的确自然存在。海中的有机物是有机溴化合物的主要来源，例如海藻和骨螺等。溴对人体具有腐蚀性及剧毒，会刺激皮肤及呼吸道粘膜等，且会对神经系统及肠胃道等造成伤害。碘是人体必需的元素，用以制造甲状腺素以调控细胞代谢、神经性肌肉组织发展与成长（特别是在出生胎儿的脑部）。碘缺乏症是造成可避免性脑损害疾病最常见的因素，全世界估计有五千万人深受影响。砹和没有生物学功能。其极高的放射性可能引发辐射中毒，因此砹和极可能有毒。但由于它们只会出现在受管制的辐射区域，因此绝大多数人不可能摄入砹和。