هالوژن ها در جدول تناوبی در سمت چپ گازهای نجیب قرار دارند. این پنج عنصر غیرفلزی سمی در گروه 7 جدول تناوبی قرار دارند. اینها عبارتند از فلوئور، کلر، برم، ید و استاتین. اگرچه استاتین رادیواکتیو است و فقط ایزوتوپ های کوتاه مدت دارد، اما مانند ید رفتار می کند و اغلب به عنوان یک هالوژن طبقه بندی می شود. از آنجایی که عناصر هالوژن دارای هفت الکترون ظرفیت هستند، تنها به یک الکترون اضافی برای تشکیل یک اکتت کامل نیاز دارند. این ویژگی آنها را نسبت به سایر گروه های غیرفلز واکنش پذیرتر می کند.
ویژگی های کلی
هالوژن ها مولکول های دو اتمی را تشکیل می دهند (از نوع X2، که در آن X نشان دهنده اتم هالوژن است) - شکل پایداری از وجود هالوژن ها به شکل عناصر آزاد. پیوندهای این مولکول های دو اتمی غیر قطبی، کووالانسی و منفرد است. خواص شیمیایی هالوژن ها به آنها اجازه می دهد تا به راحتی با اکثر عناصر ترکیب شوند، بنابراین هرگز در طبیعت غیر ترکیبی به وجود نمی آیند. فلوئور فعال ترین هالوژن و استاتین کمترین آن است.
همه هالوژن ها نمک های گروه I با مشابه را تشکیل می دهندخواص در این ترکیبات، هالوژن ها به صورت آنیون های هالید با بار 1- وجود دارند (به عنوان مثال، Cl-، Br-). پایان -id نشان دهنده حضور آنیون های هالید است. به عنوان مثال، Cl- "کلرید" نامیده می شود.
علاوه بر این، خواص شیمیایی هالوژن ها به آنها اجازه می دهد تا به عنوان عوامل اکسید کننده عمل کنند - فلزات را اکسید کنند. بیشتر واکنش های شیمیایی شامل هالوژن ها واکنش های ردوکس در محلول آبی است. هالوژن ها با کربن یا نیتروژن در ترکیبات آلی پیوندهای منفرد ایجاد می کنند که حالت اکسیداسیون آنها (CO) 1- است. هنگامی که یک اتم هالوژن با یک اتم هیدروژن با پیوند کووالانسی در یک ترکیب آلی جایگزین می‌شود، پیشوند halo- را می‌توان به معنای کلی یا پیشوندهای fluoro-, chloro-, bromine-, iodine- برای هالوژن‌های خاص استفاده کرد. عناصر هالوژن را می توان برای تشکیل مولکول های دو اتمی با پیوندهای تک کووالانسی قطبی به هم متصل کرد.
کلر (Cl2) اولین هالوژن کشف شده در سال 1774 بود و پس از آن ید (I2)، برم (Br) 2)، فلوئور (F2) و استاتین (At، آخرین کشف، در سال 1940). نام "هالوژن" از ریشه یونانی hal- ("نمک") و -gen ("تشکیل") گرفته شده است. این کلمات با هم به معنای "نمک سازی" هستند و بر این واقعیت تأکید دارند که هالوژن ها با فلزات واکنش داده و نمک ها را تشکیل می دهند. هالیت نام سنگ نمک، یک ماده معدنی طبیعی است که از کلرید سدیم (NaCl) تشکیل شده است. و در نهایت، هالوژن ها در زندگی روزمره استفاده می شوند - فلوراید در خمیر دندان یافت می شود، کلر آب آشامیدنی را ضد عفونی می کند و ید تولید هورمون ها را افزایش می دهد.تیروئید.
عناصر شیمیایی
فلورین عنصری با عدد اتمی 9 است که با نماد F نشان داده می شود. فلوئور عنصری برای اولین بار در سال 1886 با جداسازی آن از اسید هیدروفلوئوریک کشف شد. در حالت آزاد، فلوئور به عنوان یک مولکول دو اتمی (F2) وجود دارد و فراوان ترین هالوژن در پوسته زمین است. فلوئور الکترونگاتیوترین عنصر جدول تناوبی است. در دمای اتاق، یک گاز زرد کم رنگ است. فلوئور همچنین شعاع اتمی نسبتا کمی دارد. CO آن -1 است، به جز حالت دو اتمی عنصری که در آن حالت اکسیداسیون آن صفر است. فلوئور بسیار واکنش پذیر است و به طور مستقیم با همه عناصر به جز هلیوم (He)، نئون (Ne) و آرگون (Ar) تعامل دارد. در محلول H2O، اسید هیدروفلوریک (HF) یک اسید ضعیف است. اگرچه فلوئور به شدت الکترونگاتیو است، الکترونگاتیوی آن اسیدیته را تعیین نمی کند. HF یک اسید ضعیف است به دلیل این واقعیت که یون فلوئور بازی است (pH> 7). علاوه بر این، فلوئور اکسید کننده های بسیار قدرتمندی تولید می کند. به عنوان مثال، فلوئور می‌تواند با گاز بی‌اثر زنون واکنش داده و یک عامل اکسید کننده قوی زنون دی فلوراید تشکیل دهد (XeF2). فلوئور کاربردهای زیادی دارد.
کلر عنصری با عدد اتمی 17 و نماد شیمیایی Cl است. در سال 1774 با جداسازی آن از اسید هیدروکلریک کشف شد. در حالت عنصری خود، یک مولکول دو اتمی Cl2 را تشکیل می دهد. کلر دارای چندین CO است: -1، +1، 3، 5 و7. در دمای اتاق یک گاز سبز روشن است. از آنجایی که پیوندی که بین دو اتم کلر ایجاد می شود ضعیف است، مولکول Cl2 توانایی بسیار بالایی برای ورود به ترکیبات دارد. کلر با فلزات واکنش نشان می دهد و نمک هایی به نام کلرید تشکیل می دهد. یون های کلر رایج ترین یون های موجود در آب دریا هستند. کلر همچنین دارای دو ایزوتوپ است: 35Cl و 37Cl. کلرید سدیم رایج‌ترین کلرید است.
برم یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 35 و نماد Br است. برای اولین بار در سال 1826 کشف شد. در شکل عنصری خود، برم یک مولکول دو اتمی Br2 است. در دمای اتاق یک مایع قهوه ای مایل به قرمز است. CO آن 1-، +1، 3، 4 و 5 است. برم فعال تر از ید است، اما فعال تر از کلر است. علاوه بر این، برم دو ایزوتوپ دارد: 79Br و 81Br. برم به صورت نمک های برمید حل شده در آب دریا به وجود می آید. در سال های اخیر تولید برمید در جهان به دلیل در دسترس بودن و عمر طولانی آن افزایش چشمگیری داشته است. مانند سایر هالوژن ها، برم یک عامل اکسید کننده است و بسیار سمی است.
ید یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 53 و نماد I است. ید دارای حالت های اکسیداسیون: -1، +1، +5 و +7 است. به عنوان یک مولکول دو اتمی، I2 وجود دارد. در دمای اتاق یک جامد بنفش است. ید یک ایزوتوپ پایدار دارد، 127I. اولین بار در سال 1811 کشف شدبا جلبک دریایی و اسید سولفوریک در حال حاضر، یون های ید را می توان در آب دریا جدا کرد. اگرچه ید چندان محلول در آب نیست، اما با استفاده از یدیدهای جداگانه می توان حلالیت آن را افزایش داد. ید نقش مهمی در بدن دارد و در تولید هورمون‌های تیروئید شرکت می‌کند.
آستاتین یک عنصر رادیواکتیو با عدد اتمی 85 و نماد At است. حالت های احتمالی اکسیداسیون آن 1-، +1، 3، 5 و 7 است. تنها هالوژنی که یک مولکول دو اتمی نیست. در شرایط عادی یک جامد فلزی سیاه رنگ است. استاتین یک عنصر بسیار نادر است، بنابراین اطلاعات کمی در مورد آن وجود دارد. علاوه بر این، استاتین نیمه عمر بسیار کوتاهی دارد که بیش از چند ساعت نیست. در سال 1940 در نتیجه سنتز دریافت شد. اعتقاد بر این است که استاتین شبیه ید است. دارای خواص فلزی است.
جدول زیر ساختار اتم های هالوژن، ساختار لایه بیرونی الکترون ها را نشان می دهد.
| هالوژن | پیکربندی الکترون |
| فلورین | 1s2 2s2 2p5 |
| کلر | 3s2 3p5 |
| برم | 3d10 4s2 4p5 |
| ید | 4d10 5s2 5p5 |
| آستاتین | 4f14 5d106s2 6p5 |
ساختار مشابه لایه بیرونی الکترون ها مشخص می کند که خواص فیزیکی و شیمیایی هالوژن ها مشابه هستند. با این حال، هنگام مقایسه این عناصر، تفاوت هایی نیز مشاهده می شود.
خواص دوره ای در گروه هالوژن
خواص فیزیکی هالوژن مواد ساده با افزایش تعداد عنصر تغییر می کند. برای درک بهتر و وضوح بیشتر، ما چندین جدول را به شما پیشنهاد می کنیم.
نقطه ذوب و جوش گروه با افزایش اندازه مولکول افزایش می یابد (F <Cl
جدول 1. هالوژن ها. خواص فیزیکی: نقطه ذوب و جوش
| هالوژن | ذوب T (˚C) | نقطه جوش (˚C) |
| فلورین | -220 | -188 |
| کلر | -101 | -35 |
| برم | -7.2 | 58.8 |
| ید | 114 | 184 |
| آستاتین | 302 | 337 |
شعاع اتمی افزایش می یابد
اندازه هسته افزایش می یابد (F < Cl < Br < I < At)، با افزایش تعداد پروتون ها و نوترون ها. علاوه بر این، سطوح انرژی بیشتر و بیشتری با هر دوره اضافه می شود. این منجر به اوربیتال بزرگتر و در نتیجه افزایش شعاع اتم می شود.
جدول 2.هالوژن ها خواص فیزیکی: شعاع اتمی
| هالوژن | شعاع کووالانسی (pm) |
شعاع Ionic (X-) (pm) |
| فلورین | 71 | 133 |
| کلر | 99 | 181 |
| برم | 114 | 196 |
| ید | 133 | 220 |
| آستاتین | 150 |
انرژی یونیزاسیون کاهش می یابد
اگر الکترون های ظرفیت بیرونی نزدیک هسته نباشند، حذف آنها از هسته انرژی زیادی نمی گیرد. بنابراین، انرژی لازم برای بیرون راندن الکترون بیرونی در پایین گروه عنصر زیاد نیست، زیرا سطوح انرژی بیشتری وجود دارد. علاوه بر این، انرژی یونیزاسیون بالا باعث می شود که عنصر کیفیت غیرفلزی از خود نشان دهد. نمایشگر ید و استاتین خواص فلزی از خود نشان می دهند زیرا انرژی یونیزاسیون کاهش می یابد (در < I < Br < Cl < F).
جدول 3. هالوژن ها. خواص فیزیکی: انرژی یونیزاسیون
| هالوژن | انرژی یونیزاسیون (kJ/mol) |
| فلورین | 1681 |
| کلر | 1251 |
| برم | 1140 |
| ید | 1008 |
| آستاتین | 890±40 |
الکترونی منفی کاهش می یابد
تعداد الکترون های ظرفیت در یک اتم با افزایش سطوح انرژی در سطوح به تدریج پایین تر افزایش می یابد. الکترون ها به تدریج از هسته دورتر می شوند. بنابراین، هسته و الکترون ها هر دو به یکدیگر جذب نمی شوند. افزایش محافظ مشاهده می شود. بنابراین، الکترونگاتیوی با افزایش دوره کاهش می یابد (در < I < Br < Cl < F).
جدول 4. هالوژن ها. خواص فیزیکی: الکترونگاتیوی
| هالوژن | الکترونی منفی |
| فلورین | 4.0 |
| کلر | 3.0 |
| برم | 2.8 |
| ید | 2.5 |
| آستاتین | 2.2 |
میل ترکیبی الکترون کاهش می یابد
با افزایش اندازه اتم با پریود، میل ترکیبی الکترون کاهش می یابد (B < I < Br < F < Cl). یک استثنا فلوئور است که میل ترکیبی آن کمتر از کلر است. این را می توان با اندازه کوچکتر فلوئور در مقایسه با کلر توضیح داد.
جدول 5. میل ترکیبی الکترونی هالوژن ها
| هالوژن | میل ترکیبی الکترون (kJ/mol) |
| فلورین | -328.0 |
| کلر | -349.0 |
| برم | -324.6 |
| ید | -295.2 |
| آستاتین | -270.1 |
واکنش پذیری عناصر کاهش می یابد
واکنش هالوژن ها با افزایش دوره کاهش می یابد (در <I
شیمی معدنی. هیدروژن + هالوژن
هالید زمانی تشکیل می شود که یک هالوژن با عنصر دیگری با الکترونگاتیو کمتر واکنش می دهد و یک ترکیب دوتایی تشکیل می دهد. هیدروژن با هالوژن ها واکنش می دهد و هالیدهای HX را تشکیل می دهد:
- هیدروژن فلوراید HF;
- هیدروژن کلرید HCl;
- هیدروژن بروماید HBr;
- hydroiodine HI.
هالیدهای هیدروژن به راحتی در آب حل می شوند و اسیدهای هیدروهالیک (هیدروفلوریک، هیدروکلریک، هیدروبرومیک، هیدرویدیک) تشکیل می دهند. خواص این اسیدها در زیر آورده شده است.
اسیدها با واکنش زیر تشکیل می شوند: HX (aq) + H2O (l) → Х- (aq) + H 3O+ (aq).
همه هالیدهای هیدروژن اسیدهای قوی تشکیل می دهند به جز HF.
اسیدیته اسیدهای هیدروهالیک افزایش می یابد: HF <HCl <HBr <HI.
هیدروفلوریک اسید می تواند شیشه و برخی از فلورایدهای معدنی را برای مدت طولانی حکاکی کند.
ممکن است غیرقابل تصور به نظر برسد که HF ضعیف ترین اسید هیدروهالیک است، زیرا فلوئور دارای بالاترین میزان است.الکترونگاتیوی با این حال، پیوند H-F بسیار قوی است و در نتیجه یک اسید بسیار ضعیف ایجاد می شود. یک پیوند قوی با طول پیوند کوتاه و انرژی تفکیک بالا تعیین می شود. از بین همه هالیدهای هیدروژن، HF کوتاهترین طول پیوند و بزرگترین انرژی تفکیک پیوند را دارد.
اکسواسیدهای هالوژن
اکسواسیدهای هالوژن اسیدهایی با اتم های هیدروژن، اکسیژن و هالوژن هستند. اسیدیته آنها را می توان با استفاده از تجزیه و تحلیل ساختار تعیین کرد. اکسواسیدهای هالوژن در زیر فهرست شده اند:
- هیپوکلروس اسید HOCl.
- کلریک اسید HClO2.
- کلریک اسید HClO3.
- اسید پرکلریک HClO4.
- هیپوکلروس اسید HOBr.
- برومیک اسید HBrO3.
- بروموئیک اسید HBrO4.
- هیودیک اسید HOI.
- اسید یدونیک HIO3.
- متایدیک اسید HIO4، H5IO6.
در هر یک از این اسیدها، یک پروتون به یک اتم اکسیژن پیوند دارد، بنابراین مقایسه طول پیوند پروتون در اینجا بی فایده است. الکترونگاتیوی در اینجا نقش غالب دارد. فعالیت اسیدی با تعداد اتم‌های اکسیژن متصل به اتم مرکزی افزایش می‌یابد.
ظاهر و حالت ماده
خواص فیزیکی اصلی هالوژن ها را می توان در جدول زیر خلاصه کرد.
| وضعیت ماده (در دمای اتاق) | هالوژن | ظاهر |
| سخت | ید | بنفش |
| آستاتین | سیاه | |
| مایع | برم | قرمز-قهوه ای |
| گاز | فلورین | برنزه کم رنگ |
| کلر | سبز کم رنگ |
توضیح ظاهر
رنگ هالوژن ها نتیجه جذب نور مرئی توسط مولکول هاست که باعث تحریک الکترون ها می شود. فلوئور نور بنفش را جذب می کند و بنابراین زرد روشن به نظر می رسد. از طرف دیگر ید نور زرد را جذب می کند و بنفش به نظر می رسد (زرد و بنفش رنگ های مکمل هستند). رنگ هالوژن ها با افزایش دوره تیره تر می شود.
در ظروف در بسته، برم مایع و ید جامد با بخارات خود در تعادل هستند که می توان آنها را به صورت گاز رنگی مشاهده کرد.
اگرچه رنگ استاتین ناشناخته است، فرض بر این است که مطابق با الگوی مشاهده شده باید تیره تر از ید (یعنی سیاه) باشد.
اکنون، اگر از شما بپرسند: "ویژگی های فیزیکی هالوژن ها را مشخص کنید"، چیزی برای گفتن خواهید داشت.
وضعیت اکسیداسیون هالوژن ها در ترکیبات
حالت اکسیداسیون اغلب به جای " ظرفیت هالوژن " استفاده می شود. به عنوان یک قاعده، حالت اکسیداسیون -1 است. اما اگر یک هالوژن به اکسیژن یا هالوژن دیگر متصل شود، می تواند حالت های دیگری به خود بگیرد:CO oxygen -2 اولویت دارد. در مورد دو اتم هالوژن مختلف که به یکدیگر پیوند می خورند، اتم الکترونگاتیو بیشتر غالب می شود و CO -1 می گیرد.
به عنوان مثال، در کلرید ید (ICl) کلر دارای CO-1 و ید +1 است. کلر الکترونگاتیوتر از ید است، بنابراین CO آن -1 است.
در اسید برومیک (HBrO4) اکسیژن CO -8 دارد (-2 × 4 اتم=-8). هیدروژن حالت اکسیداسیون کلی +1 دارد. با افزودن این مقادیر، CO-7 به دست می آید. از آنجایی که CO نهایی ترکیب باید صفر باشد، CO برم +7 است.
سومین استثنای این قانون، حالت اکسیداسیون هالوژن به شکل عنصری است (X2)، که در آن CO آن صفر است.
| هالوژن | CO در ترکیبات |
| فلورین | -1 |
| کلر | -1، +1، +3، +5، +7 |
| برم | -1، +1، +3، +4، +5 |
| ید | -1، +1، +5، +7 |
| آستاتین | -1، +1، +3، +5، +7 |
چرا SD فلوئور همیشه -1 است؟
الکترونی منفی با پریود افزایش می یابد. بنابراین، فلوئور بالاترین الکترونگاتیوی را در بین تمام عناصر دارد، همانطور که موقعیت آن در جدول تناوبی نشان می دهد. پیکربندی الکترونیکی آن 1s2 2s2 2p5 است. اگر فلوئور یک الکترون بیشتر به دست آورد، بیرونی‌ترین اوربیتال‌های p کاملاً پر شده و یک اکتت کامل را تشکیل می‌دهند. زیرا فلوئور داردالکترونگاتیوی بالا، می تواند به راحتی یک الکترون از اتم همسایه بگیرد. فلوئور در این مورد نسبت به گاز بی اثر (با هشت الکترون ظرفیت) ایزوالکترونیک است، تمام اوربیتال های بیرونی آن پر شده است. در این حالت، فلوئور بسیار پایدارتر است.
تولید و استفاده از هالوژن
در طبیعت، هالوژن ها در حالت آنیون هستند، بنابراین هالوژن های آزاد با اکسیداسیون با الکترولیز یا با کمک عوامل اکسید کننده به دست می آیند. به عنوان مثال، کلر از هیدرولیز محلول نمک تولید می شود. استفاده از هالوژن ها و ترکیبات آنها متنوع است.
- فلورین. اگرچه فلوئور بسیار واکنش پذیر است، اما در بسیاری از کاربردهای صنعتی استفاده می شود. به عنوان مثال، یک جزء کلیدی پلی تترا فلوئورواتیلن (تفلون) و برخی دیگر از فلوروپلیمرها است. کلروفلوئوروکربن ها مواد شیمیایی آلی هستند که قبلا به عنوان مبرد و پیشران در آئروسل ها استفاده می شدند. استفاده از آنها به دلیل تأثیر احتمالی آنها بر محیط زیست متوقف شده است. آنها با هیدروکلرو فلوئوروکربن ها جایگزین شده اند. فلوراید به خمیر دندان (SnF2) و آب آشامیدنی (NaF) برای جلوگیری از پوسیدگی دندان اضافه می شود. این هالوژن در خاک رس مورد استفاده برای ساخت انواع خاصی از سرامیک ها (LiF)، مورد استفاده در انرژی هسته ای (UF6)، برای تولید آنتی بیوتیک فلوروکینولون، آلومینیوم (Na) یافت می شود. 3 AlF6، برای عایق ولتاژ بالا (SF6).
- کلر نیز کاربردهای مختلفی پیدا کرده است. برای ضد عفونی کردن آب آشامیدنی و استخرها استفاده می شود. هیپوکلریت سدیم (NaClO)جزء اصلی سفید کننده ها است. اسید کلریدریک به طور گسترده در صنعت و آزمایشگاه استفاده می شود. کلر در پلی وینیل کلرید (PVC) و سایر پلیمرهایی وجود دارد که برای عایق کاری سیم، لوله و وسایل الکترونیکی استفاده می شود. علاوه بر این، استفاده از کلر در صنعت داروسازی ثابت شده است. داروهای حاوی کلر برای درمان عفونت ها، آلرژی ها و دیابت استفاده می شود. شکل خنثی هیدروکلراید جزء بسیاری از داروها است. همچنین از کلر برای استریل کردن تجهیزات بیمارستانی و ضد عفونی کردن استفاده می شود. در کشاورزی، کلر یک عنصر در بسیاری از آفت کش های تجاری است: DDT (دی کلرودی فنیل تری کلرواتان) به عنوان یک حشره کش کشاورزی استفاده می شد، اما استفاده از آن متوقف شده است.
- برم به دلیل غیر قابل احتراق بودن برای سرکوب احتراق استفاده می شود. همچنین در متیل بروماید، آفت کشی که برای حفظ محصولات کشاورزی و سرکوب باکتری ها استفاده می شود، یافت می شود. با این حال، استفاده بیش از حد از متیل بروماید به دلیل تأثیر آن بر لایه ازن حذف شده است. برم در تولید بنزین، فیلم عکاسی، کپسول های آتش نشانی، داروها برای درمان ذات الریه و بیماری آلزایمر استفاده می شود.
- ید نقش مهمی در عملکرد صحیح غده تیروئید دارد. اگر بدن ید کافی دریافت نکند، غده تیروئید بزرگ می شود. برای جلوگیری از گواتر، این هالوژن را به نمک خوراکی اضافه می کنند. ید همچنین به عنوان یک ضد عفونی کننده استفاده می شود. ید در محلول های مورد استفاده یافت می شودتمیز کردن زخم های باز و همچنین در اسپری های ضد عفونی کننده. علاوه بر این، یدید نقره در عکاسی ضروری است.
- آستاتین یک هالوژن رادیواکتیو و خاکی کمیاب است، بنابراین هنوز در هیچ کجا استفاده نشده است. با این حال، اعتقاد بر این است که این عنصر ممکن است به ید در تنظیم هورمون های تیروئید کمک کند.
