卤素是什么的非金属元素

卤素,卤族元素的简称,是元素周期表上的第ⅦA族元素(IUPAC新规定:17族)。
  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。
  卤素分子拥有国际统一的命名和命名方式,比如根据国际通用的IUPAC原则:
  CH3
  |
  CH2
  |
  CH3-C-Cl
  |
  CH3-CH2-CH-(CH2)6-CH3
  可命名为:(Chloro-1,methyl-1,propyl)-2,decane
  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(alcane)。这主要是由于卤素分子比烃链更加电极化,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。
  卤素的物理特性和化学特性明显区分与于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)和键能量(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sp3轨道相连接,这也大大降低了C-X连接的稳定性。
  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,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,氧化性从氟到碘依次降低。碘单质氧化性比较弱,三价铁离子可以把碘离子氧化为碘。
  卤素单质在碱中容易歧化,方程式为:
  3X2 + 6OH- = 5X- + XO3- + 3H2O
  但在酸性条件下,其逆反应很容易进行:
  5X- + XO3- + 6H+ = 3X2 + 3H2O
  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。氢氟酸一般看成是弱酸,pKa=3.20。氢氯酸(即盐酸)、氢溴酸、氢碘酸都是化学中典型的强酸,它们的pKa均为负数,酸性从HCl到HI依次增强。
  卤素可以显示多种价态,正价态一般都体现在它们的含氧酸根中:
  +1: HXO(次卤酸)
  +3: HXO2(亚卤酸)
  +5: HXO3(卤酸)
  +7: HXO4(高卤酸)
  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。
  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。
  氯的存在范围最广,按照氟、溴、碘的顺序减少,砹是人工合成的元素。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数的增大而增加。常温下,氟、氯是气体、溴是液体,碘是固体。
  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。
  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。卤素的有机化学反应
  卤素的制成
  * 从一个未饱和烃链制作卤素为最简单的方式,通过加成反应,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:H2O2
  产率90%以上。
  * 从苯制作卤素泽必须要通过催化剂,如:
  C6H6 + Br2 ----〉 C6H5-Br
  催化剂:FeBr3或者AlCl3
  产率相当可观。
  * 从酒精制作卤素,必须通过好的亲核体,强酸作为催化剂以提高产率和速度:
  CH3-CH2-CH2-CH2-OH + HBr <----> CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
  注意此反应为平衡反应,故产率和速度有限。
  ⅦA 族元素包括氟( F )、氯 (Cl) 、溴( Br )、碘( I )、砹( At ),合称卤素。其中砹( At )为放射性元素,在产品中几乎不存在,前四种元素在产品中特别是在聚合物材料中以有机化合物形式存在。目前应用于产品中的卤素化合物主要为阻燃剂: PBB , PBDE , TBBP-A , PCB ,六溴十二烷,三溴苯酚,短链氯化石蜡;用于做冷冻剂、隔热材料的臭氧破坏物质: CFCs 、 HCFCs 、 HFCs 等。
  危害:在塑料等聚合物产品中添加卤素(氟,氯,溴,碘)用以提高燃点,其优点是:燃点比普通聚合物材料高,燃点大约在 300℃ 。燃烧时,会散发出卤化气体(氟,氯,溴,碘),迅速吸收氧气,从而使火熄灭。但其缺点是释放出的氯气浓度高时,引起的能见度下降会导致无法识别逃生路径,同时氯气具有很强的毒性,影响人的呼吸系统,此外,含卤聚合物燃烧释放出的卤素气在与水蒸汽结合时,会生成腐蚀性有害气体(卤化氢),对一些设备及建筑物造成腐蚀。
  PBB , PBDE , TBBPA 等溴化阻燃剂是目前使用较多的阻燃剂,主要应用在电子电器行业,包括:电路板、电脑、燃料电池、电视机和打印机等等。
  这些含卤阻燃剂材料在燃烧时产生二恶英,且在环境中能存在多年,甚至终身累积于生物体,无法排出。
  因此,不少国际大公司在积极推动完全废止含卤素材料,如禁止在产品中使用卤素阻燃剂等。
  目前对于无卤化的要求,不同的产品有不同的限量标准:
  如无卤化电线电缆其中卤素指标为:所有卤素的值 ≦50PPM

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