資源簡介 第十一章 鹵 素Chapter 11 The HalogensFluorine (F) Chlorine (Cl) Bromine (Br) Iodine (I) Astatine (At)F、Cl是本族典型元素,Br、I和At是溴分族(Bromine subgroup),從F到At,金屬性增強,非金屬性減弱,所以F是典型的非金屬元素,At元素具有某種金屬特性。§11-1 氟及其化合物Fluorine and its Compounds一、氟的電負性(electronegativity)為4.0,是電負性最大的元素。氟的化合物存在于人體中:主要存在于牙和骨頭中,在自然界中以螢石(Fluorspar):CaF2、冰晶石(cryolite):Na3AlF6和氟磷灰石(fluorapatite):Ca5(PO4)3F的礦物存在。Practice exercise:從氟的高電負性來判斷:(1) CF3COOH是弱酸還是強酸?(2) (CF3)3N和NF3是否具有Lewis堿性?二、The Simple Substance 1.F2的化學性質非常活潑:Fersmass稱F2是無所不為“omnivorous”,它能使玻璃絲(SiO2)和水在氟氣氛中燃燒,產物竟然是氧氣: SiO2 + 2F2SiF4 + O2 2H2O + 2F24HF + O2除了He、Ne、Ar、不與F2直接反應外,其它物質基本都能與F2反應例如:Xe + 2F2XeF4 S + 3F2SF6F2 + 2NaOH(2%)2NaF + H2O + OF2↑ (不是酸酐) 2.為什么F2的化學性質會如此活潑?(1) 氟原子半徑小,F2中孤電子對之間有較大的排斥力,加之氟原子的價軌道中不存在d軌道,它們之間不能形成d pπ鍵,所以F-F鍵很弱。(2) 在氟化物中,氟與其它元素形成的化學鍵非常強(約200 ~ 600kJ·mol1),而且與氟原子反應的活化能低(≤4kJ·mol1),所以有F2參加的反應,不論在熱力學還是在動力學上都是有利的。 3.Preparation 氟化學在現代無機化學中占有相當重要的地位。這一領域的奠基人是法國化學家Moissan,H(1852-1907),他的貢獻:在HF發現后的118年即1886年,用電解法成功地制得了單質氟以及發明了摩氏電爐,因此榮獲1906年Nobel化學獎。(1) 電解法 HF-KF(l) F2(陽極) + H2(陰極)1886年Moissan通過低溫電解液態HF實驗,第一次制得了單質F2,電解液中加有KF以傳導電流。這一化學過程在工業生產上原封不動地持續了整整一個世紀。變化的只是電解池設計和電解條件:現代工業使用了裝有石墨電極的鎳制或銅制電解池,用KHF2(l)作電解質,由于熔融的KHF2在電解過程中被轉化為固體KF,因而必須不斷加入HF,以維持電解質為熔融狀態。不管在Moissan之前還是之后的化學家,170多年以來試圖用化學法將F-離子氧化為F2,其中包括Davy、Fremy和Ruff等人,甚至包括Moissan本人,但是一直沒有成功。直到1956年,用化學法制備F2的努力終于成功了,這是Moissan之后氟化學的又一個重大的成就。化學家Chiriste.K推測:路易斯酸(如SbF5)能將另一個較弱的路易斯酸MF4(M = Mn、Ni、Cu)從其穩定的配離子的鹽中置換出來,恰恰像眾所周知的鹽酸可以從碳酸鈣中把CO2置換出來一樣。由于MF4在熱力學上的不穩定,應當可以分解為,進而制得F2。(2) 化學法:K2MnF6和SbF5分別按1899年和1906年發現的兩個反應制備: 2KMnO4 + 2KF + 10HF + 3H2O22KMnF6↓+ 8H2O + 3O2 SbCl5 + 5HFSbF5 + 5HCl在特氟隆(Teflon)不銹鋼反應器中: KMnF6 + 2SbF5 2KSbF6 + MnF3 + F2(3) 貯存、運輸:用鎳或鎳的合金。因為F2 + NiNiF2,可以阻止F2進一步反應。 4.Application(1) 擴散分離鈾的同位素:分離鈾,可把235U富集到97.6%。(2) 合成各種冷卻劑:如氟里昂(Freon)-12:CF2Cl2,F-13:CClF3(3) 火箭燃料的氧化劑:ClF3和BrF3(4) 殺蟲劑、滅火劑:CF3Br是高效滅火劑(5) SF6惰性強于N2,可作為高壓裝置中的絕緣氣(6) Teflon,高化學穩定性的材料三、The Compounds 1.NaF MgF2 AlF3 SiF4 PF5 SF6 (ClF5) Basic amphoteric acidic離子型(ionic) 共價型(covalent)屬于離子-共價型(ionic-covalent) 2.Solubility:IA族元素氟化物(除LiF外)和AgF、HgF2、SnF2易溶于水。 3.Interaction:2NaF + SiF4Na2[SiF6] Lewis酸堿反應NaF is the donor of electron pairs, SiF4 is the accepter of electron pairs 4.Hydrolysis: SiF4 + 3H2OH2SiO3 + 4HF 當達到最大共價數(配位數)時,如SF6、CF4等,與水極難反應,這是動力學因素而不是熱力學因素的結果。例如:CF4(g) + 2H2O(l) CO2(g) + 4HF(g) K ≈ 1023有人理論解釋為:一部分原因是由于親核性的水分子很難穿透負電性的氟離子的保護層;另一部分原因是即使水分子中的氧原子可以與碳原子連接,由于C-F鍵很強,氟原子仍然很難與碳斷裂。 5.HF(l)(液態氟化氫)和HF(aq)(氟化氫水溶液)(1) HF(l)的自偶電離: 3HF + H2F+ K = 2.07×1011外來的電子排在F原子上,所以X的電負性越強,越穩定。中的鍵強度是氫鍵的三倍。在HF(aq)中也存在。在實驗中,使用HF(aq)時要帶橡膠手套。因為HF(aq)會燒壞皮膚,很難愈合。HF(aq)生成的K為: HF + H2OH3O+ + F- K1 = 7.2×104 HF + F- K = 5.1 2HF + H2OH3O+ + K = K1·K2 = 3.67×103(2) HF(l)是強的離子溶劑:a.給出質子(H+)C2H5OH + 2HF+CH3COOH + 2HF(l)+b.給出F-離子BF3 + 2HF(3) HF(aq)實際上是中等強度的酸,在HF(aq)中存在等陰離子,根據電荷守恒: = ,所以HF(aq) 與KOH中和反應,會有很多產物:KHF2、KH2F3……(4) 由于SiO2 + 4HFSiF4↑+ 2H2O,所以氫氟酸應盛放在鉛、橡膠,聚乙烯或石蠟等容器中。 當HF(aq)過量時,SiF4 + 2HFH2SiF6(強酸)§11-2 氯及其化合物Chlorine and its Compounds一、氯的價軌道比氟大,第一電離能比氟低得多,極化率大,電子親合能比氟更高(更負)。F 0.036 17.42 3.45 4.0Cl 0.072 12.97 3.61 3.0氯有1、+1、+3、+5、+7氧化態,也有+2、+4氧化態。偶氧化態往往是表觀氧化態,化合物中的實際氧化態,仍然是奇數,因為奇數族元素的奇氧化態穩定。在自然界中,主要以rock salt,鉀石鹽(sylvirite):NaCl、KCl,光鹵石(carnallite):KCl、MgCl2·6H2O等礦物存在。二、The Simple Substance 1. = 243kJ·mol1>= 159 kJ·mol1 ∴這說明F2分子中非鍵電子對的排斥作用大于Cl2分子中非鍵電子對的排斥作用。 2.通常條件下Cl2是一種黃綠色氣體,以2 1溶解于水中。氯水冷卻得到晶體。組成大致為Cl2·6H2O和Cl2·8H2O,稱為Clathrate crystal 籠形(包含)物,是具有籠形的包含化合物。3.Reactions with non-metals(除了O2、N2和惰性氣體外,都可以反應。)2P + 3Cl22PCl3 2P + 5Cl2(過量)2PCl5 僅與氟氣反應時表現出還原性,而與金屬和其他非金屬反應都是氧化性。 4.Disproportionation reactionsCl2 + 2OH-(冷)Cl- + ClO- + H2O3Cl2 + 6OH-(熱)5Cl- + + 3H2O5.Preparation(1) In laboratory:MnO2 + 4HCl(濃)MnCl2 + Cl2↑+ 2H2O2KMnO4 + 16HCl(濃)2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O(2) In industry:2NaCl(aq)2NaOH + Cl2↑+ H2↑2NaCl(l)2Na + Cl2↑三、The Compounds 1.[ 1 ] O.S. (oxidation states)NaCl MgCl2 AlCl3 SiCl4 PCl5 (SCl6)basic amphotaric acidic(1) hydrolysis 堿金屬氯化物不水解,酸性氯化物水解SiCl4 + 3H2OH2SiO3 + 4HCl NCl3 + 3H2ONH3 + 2HOCl(2) interactionsKCl + PCl5K[PCl6] KCl + AlCl3K[AlCl4](3) solubility:AgCl、CuCl、AuCl、TlCl和PbCl2難溶,PbCl2熱的時候溶解度大。(4) preparation:有各種方法,因不同對象而異TiCl4的制備:TiO2 + 2Cl2 + CTiCl4 + CO2 (干法)(5) hydrochloric acid:HCl pKa = 9.1 , 強酸,1體積水溶解450體積HCl。 2.[ +1 ] O.S.(1) ClF、Cl2O、Cl3N與水反應都生成HOCl(2) hypochlorite:堿金屬,堿土金屬的次氯酸鹽穩定且可溶,但受熱也分解:3KClO2KCl + KClO32KClO2KCl + O2(3) preparation:2Cl2 + H2O + 2HgO2HClO + Hg2OCl2實際上是:2Cl2 + 2HgOCl2O + HgO·HgCl2Cl2O + H2O2HClO加入HgO或碳酸鹽的目的是除去Cl2水解生成的HCl次氯酸是弱酸:NaClO + CO2 + H2ONaHCO3 + HClO(4) 漂白粉 2Ca(OH)2 + Cl2Ca(ClO) + CaCl2 + H2OThe bleaching powder effect depends on the oxidation of contaminants by hypochlorous acid which is displaced from the hypochlorite solutions by carbonic acid. 3.[ +3 ] O.S.ClF3 (Cl2O3未知) HClO2 (Ka = 1.0102)不穩定,是強氧化劑,本身發生歧化反應:oxidation:2Al2O3 + 4ClF34AlF3 + 3O2 +2Cl2disproportionation:3NaClO2NaCl + 2NaClO3decomposition:NaClO2NaCl + O2 4.[ +5 ] O.S.(Cl2O5未知)HClO3不存在單體狀態(free state),但40%濃溶液可以存在。它可由Ba(ClO3)2(aq) + H2SO4(aq) BaSO4↓+ 2HClO3(aq) 制得。HClO3的性質與HNO3相似,如HNO3-HCl是王水(aqua regia),HClO3-HCl也是aqua regia 型強氧化劑。oxidation:2HClO3(過量) + I22HIO3 + Cl2不是因為Cl2不能氧化I2,而是過量的HClO3與Cl-反應生成Cl2若I2過量:Cl2 + I22ICl (互鹵化物)或者:熱分解:4KClO33KClO4 + KCl2KClO32KCl + 3O2——(多重配平)2Zn(ClO3)22ZnO + 2Cl2 + 5O2 5.[ +7 ] O.S.- -用P2O5使高氯酸脫水得到Cl2O7酸酐:6HClO4 + P2O53Cl2O7 + 2H3PO4Cl2O7較穩定,但超過393K會爆炸。HClO4在液態時為雙聚體,在水中穩定,是最強的酸之一。HClO4H+ +制備:KClO4 + H2SO4HClO4 + KHSO4四、序列的穩定性、氧化性以及相應酸的酸性 1.從到的穩定性增加,這是由于從Cl(I) 到Cl(VII),成鍵電子數的增加以及對稱性加強,而且dpπ鍵作用加強。 依次類推,ClO3F和[ClO3F]2都是四面體結構,也非常穩定。若以ClO-中的Cl-O鍵為一個單位,則中的Cl-O鍵可達1.5個單位。 2.從到的氧化性減弱。例如與離子的反應:不論在酸性或堿性溶液中,幾乎不顯示任何氧化活性。(The ion displays hardly any oxidizing activity in solution)在堿性或中性條件下,不與離子反應,只在酸性條件下與離子反應。在熔融NaOH(l)條件下,顯示強氧化性KClO3 + 3MnO2 + 6NaOH(l)KCl + 3Na2MnO4 + 3H2O 3.從到酸性增強。pK a 7.5 1.97 (1) (10)這是由于隨著酸根中氧原子數目的增加,H-O鍵的強度減弱。五、特殊氧化態(IV、VI氧化態)化合物 1.[ IV ] O.S.ClO2有單電子,順磁性、強氧化劑、見光分解、受熱爆炸、與可燃物質反應使之燃燒。oxidation:PbO + 2ClO2 + 2NaOHPbO2 + 2NaClO2 + H2Odisproportionation:preparation:2NaClO3 + SO2 + H2SO42NaHSO4 + 2ClO2我們知道2NO2N2O4(雙聚),ClO2也是單電子化合物,雖然1970年也獲得Cl2O4,但Cl2O4的實際結構為Cl(I)―O―Cl(VII)O3,所以Cl2O4不是ClO2的雙聚物。為什么NO2容易雙聚而ClO2不容易雙聚呢? 顯然這兩個分子中的單電子處于不同的分子軌道上。 2.[ VI ] O.S.只存在Cl2O6,但實際結構式為:O2Cl(V)―O―Cl(VII)O3因為VI氧化態只能是表觀氧化態,而不是實際氧化態。所以Cl2O6不穩定,是強氧化劑,易歧化:Cl2O6 + H2OHClO4 + HClO3§11-3 溴分族Bromine Subgroup (Br、I、At)一、General Properties 1.溴分族元素的氧化態為1、+1、+3、+5、+7,其中1和+5 氧化態最穩定。 2.電離勢和電子親合能都減小,碘、砹有兩性。 3.溴、碘存在于海水中,砹需要人工合成:,t1/2 = 8.3hr二、The Simple Substance 1.D (x2)隨Z(原子序數)的增大而減小,這是由于原子半徑隨Z的增加而增大,核對外層電子(成鍵電子對)的吸引力減弱,電子云重疊小,所以離解能減小。Br2 (液) I2 (固) At2 (固)這是由于隨原子半徑的增大,極化率增強,分子間作用力增加的緣故。X2在水中的溶解度也相應減小X2·8H2O(clathrate)X2易溶于 alcohol, benzene, ether and carbon disulfide, etc. 2.Redox properties 從F2→I2氧化性減弱,還原性增強。 3I2 + 10HNO3(濃) 6HIO3 + 10NO + 2H2O 3.DisproportionationX2 + H2OHX + HXO Cl2 Br2 I2K在堿性條件下,歧化反應很容易進行(動力學因素): Br2 + 2OH-Br- + BrO- + H2O 0℃ 3I2 + 6OH-5I- + + 3H2O 0℃-80℃ 即I2歧化時無IO-存在,因此可以定量得到 4.Preparation:2NaX + MnO2 + 2H2SO4X2 + MnSO4 + Na2SO4 + 2H2O(此法不適用于制備碘) 2KBr + Cl22KCl + Br2三、The Compounds: 1.[ 1 ] O.S.(1) 溴化物和碘化物有離子型、離子-共價型、共價型(2) solubility:AgX、AuX、CuX、PbX2等難溶(3) 由于Br-、I-半徑大,所以與中心離子的配位數就小。例如UF6、UCl6,而只有UBr4、UI4(4) hydrolysisKBr、NaI(離子型)不水解。BBr3、PI3(共價型)水解:BBr3 + 3H2OH3BO3 + 3HBrPI3 + 3H2OH3PO3 + 3HI(5) interactionKBr + AlBr3K[AlBr4],2KI + HgI2K2[HgI4](6) HXa.酸度:HX HF HCl HBr HIpK a 3.1 7.1 9.1 10.7這是由于從HF→HI的H-X鍵強度減小,酸度增加b.從HF→HI還原性增強2HBr(g) + H2SO4(濃)Br2(g) + SO2(g) + 2H2O(l)8HI(g) + H2SO4(濃)4I2(g) + H2S(g) + 4H2O(l)對于反應:2HX(g) + H2SO4(aq)X2(g) + SO2(g) + 2H2O(l)HX HF HCl HBr HI△f Gm,298(kJ·mol1) 460 105 25 65所以要制備HBr和HI只能用PBr3和PI3與水反應: PBr3 + 3H2O3HBr + H3PO3 PI3 + 3H2O3HI + H3PO3實際上可以從單質磷出發制備:2P + 3Br3 + 6H2O2H3PO3 + 6HBr↑2P + 3I2 + 6H2O2H3PO3 + 6HI↑ 2.[ +1 ] O.S.(1)2KXO2KX + O2 3KXO2KX + KXO3(2) the formation of polyhalidesKI + I2KI3 即:I- + I2可看成 KI(堿性碘化物)+ I+ I-(酸性碘化物)[ICl2]-、[IBr2]-、[BrCl2]-、[BrCl2]- 都是直線型結構,中心原子為正電荷。根據分子軌道理論,這些離子的結構是形成三中心的分子軌道,電子排布為,稱為三中心四電子鍵。半徑較大的堿金屬可以形成多鹵化物。它受熱分解,例如: CsBr3CsBr + Br2 CsICl2CsCl + ICl其分解產物傾向于生成更穩定的堿金屬鹵化物,如上面CsICl2熱分解成CsCl而不是CsI。Practice Exercise:為什么在堿金屬多鹵化物中不存在含氟的多鹵化物?還有一種是鹵素互化物,其定義為:兩種鹵素形成的化合物(,n為奇數),例如:IF3、IF5、IF7、BrF5,由一較重的鹵素原子和奇數個較輕的鹵素原子構成。n數值取決于r較大/r較小的比值以及兩者電負性之差。比值和差值越大,n越大,即氧化數會越高。(3) BrNO3、INO3、IClO3(酸性的鹽)a.這些共價化合物是在非水溶劑(如ether)中I2、Br2與AgNO3反應獲得: I2 + AgNO3AgI + INO3b.它們都易水解:IClO4 + H2OHIO + HClO4c.與堿性的鹽反應:KNO3 + INO3K[I(NO3)2] 3.[ +3 ]O.S.(1) X2O3(X = Br、I)未知,它們的陰離子和不穩定,易歧化。(2) 易水解:BrF3 + 2H2O3HF + HBrO2并伴隨歧化 3HBrO22HBrO3 + HBr即:3BrF3 + 6H2O2HBrO3 + 9HF + HBrI(NO3)3也發生水解并歧化:3I(NO3)3 + 6H2O2HIO3 + HI + 9HNO3 4.[ +5 ]O.S.(1) preparation:a.鹵酸:Br2 + 5Cl2 + 6H2O2HBrO3 + 10HClBa(XO3)2 + H2SO4BaSO4↓+ 2HXO3b.鹵酸鹽:3I2 + 6NaOHNaIO3 + 5NaI + 3H2OKI + 6KOH + 3Cl2KIO3 + 6KCl + 3H2O(2) 它們都是強氧化劑,氧化能力為:在酸性條件下:(3) 穩定性:HIO3>HBrO3>HClO3HClO3僅存在于溶液中,而HIO3有自由態,碘酸鹽也比溴酸鹽、氯酸鹽穩定。 5. [ +7 ] O.S.(1) 與Cl、I元素相反,Br的+7氧化態不是溴元素的特征,僅在目前才得到BrF7和。(2) IF7發生水解:IF7 + 6H2OH5IO6 + 7HFH5IO6稱為正高碘酸,是無色單斜晶體,m. p. = 413K,分子是八面體結構,根據Pauling規則,正高碘酸的K1 = 2102,所以它的酸性比高氯酸弱得多。H5IO6在真空中加熱:2H5IO6H4I2O92HIO42HIO3 + O2焦高碘酸 偏高碘酸 碘酸(3) 它們都是強的氧化劑,高碘酸的氧化能力大于高氯酸,的氧化能力最強,這是由于E3s~3p<E4s~4p>E5s~5p造成的。∴(4) preparationa.oxidationNaBrO3 + F2 + 2NaOHNaBrO4 + 2NaF + 2H2OKIO3 + Cl2 + 6KOHK5IO6 + 2KCl + 3H2Ob.disporoportionation5Ba(IO3)2Ba5(IO6)2 + 4I2 + 9O2Ba5(IO6)2 + 5H2SO45BaSO4 + 2H5IO6四、Pseudohalogen and Pseudohalide某些負一價的陰離子在形成離子化合物或共價化合物時,表現出與鹵離子相似的性質。在自由狀態時,其性質與鹵素單質相似,把它們稱為擬鹵素。(CN)2 (SCN)2 (OCN)2氰(cyanogen) 硫氰(thiocyanogen) 氧氰(o xycyanogen)(SeCN)2 (SCSN3)2硒氰(selenocyanogen) (azidocarbondisulphide)CN-(cyanide) SCN-(thiocyanate) OCN-(cyanate)There are certain inorganic radicals which have the properties of existing either as monomeric anions or as neutral dimmers. 1.A list of some of the properties of the halogens which are mimicked by the pseudohalogens is as follows:(1) They form dimeric molecules, X-X , which are usually guite volatile.(2) They react with many metals to give salts; the Ag(I)、Hg(I)、Pb(II) salts are insoluble in water.(3) They form acids with hydrogen, HX , which are highly dissociated in aqueous solution except HCN.(4) They form complexes with various metal ions.(5) They take disproportionation reactions in alkali and aqueous solution.(6) They are oxidized to dimeric moleculars. 2.Typical examples:(1) Formation by the oxidation of X- ions:(2) Disproportionation of the free pseudohalogen by a basic:(3) Precipitation by certain metal ions:↓ ↓(4) Formation of complex ions:(5) The capacity of oxidizing power := +0.275V,= +0.535V,= +0.77V,= +1.07V。2+ I2(SCSN3)2 + 2I- 2I- + (SCN)2I2 + 2SCN-Practice exercises: 1.Suggest probable structures for and give reasons why the two are probably not isostructural 2.Predict the molecular structure of the following species encountered in this chapter: 3.Why are the halogen cations and best isolated as salts of , and similar anions 3.氰和氰化物 ( cyanogens and cyanide )(1) (CN)2結構式:無色氣體,有苦杏仁臭味,極毒。(2) preparation:可由加熱AgCN或Hg(CN)2與HgCl2共熱獲得:2AgCN2Ag + (CN)2Hg(CN)2 + HgCl2Hg2Cl2 + (CN)2(3) reactivity:所有氰化物劇毒,mg量級的KCN或NaCN就可使人致死。氰化物可以通過下列反應,變成無毒物種。 2CN- + O2(空氣) 2CNO- , CN- + SCNS-CN- + O3CNO- + O22CNO- + 3+ 2OH-2+ N2 + 3O2 + H2O氰化物可以用C(IV)化合物與碳反應制得:CaC2 + N2 CaCN2 + C CN-極易與過渡金屬離子Zn2+、Ag+、Cd2+形成穩定的離子,難溶的重金屬氰化物在NaCN或KCN溶液中由于生成氰配離子而變得可溶。Zn(CN)2 + 2 CN- 4.硫氰和硫氰酸鹽 ( thiocyanogen and thiocyanate )(1) preparation:a.(SCN)2:在乙醚中懸浮的AgSCN與碘或溴作用:2AgSCN + Br22AgBr + (SCN)2b.SCN-:KCN + SKSCNc.工業上:4NH3 + CS2NH4SCN + (NH4)2S(2) properties:常溫下(SCN)2是黃色液體。(SCN)2不穩定,可逐漸聚合為難溶的棕紅色固體(SCN)x。(SCN)2具有氧化性,它能把氧化。(SCN)2 + H2S2H+ + 2 SCN- + S ,大多數硫氰酸鹽溶于水,而重金屬鹽如AgSCN、Hg(SCN)2難溶于水,SCN-是良好的配位體(ligand),Fe(III) 離子可與其配位,得到深紅色的硫氰酸根配離子。 電解PAGE177 展開更多...... 收起↑ 資源預覽 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫