材料的卤素知识

材料的卤素知识

卤素的命名

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（Bon ding 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。