普通化學/各種元素的化學/17 族

鹵素

鹵素位於17 族 (VIIA)。鹵素包括氟，氯，溴，碘和砈。

與鹼金屬類似，鹵素極具反應性。它們具有七個價電子，這意味著它們只需要一個電子就能形成惰性氣體構型。這使它們具有非常大的電子親和力，並具有極強的反應性，以形成帶 -1 電荷的離子。它們非常活潑，以至於在均相狀態下，紫外線會催化自由基反應。

鹵素以雙原子形式存在。在正常條件下，它們總是成對出現，以共價鍵結合。共價鍵使它們可以共享一個電子並具有完整的八隅體。F₂ 是一種淡黃褐色氣體。它具有高度的反應性，即使沒有火花，也會導致有機化合物和氫氣爆炸。Cl₂ 是一種淡黃綠色氣體。它與水反應生成消毒劑和漂白劑。Br₂ 是一種紅棕色液體，但由於其揮發性，它會很容易地蒸發成紅棕色蒸汽。I₂ 是一種灰色固體，如果加熱會形成紫色氣體。

氟是所有元素中電負性最高的，而且它非常活潑，幾乎會攻擊所有其他元素（惰性氣體、氧氣、氮氣和金是例外）以形成氟化物。氯的反應性稍弱，溴的反應性稍弱於氯，碘的反應性更弱，但即使碘也是一種強大的電離劑。砈的化學性質被極端的放射性掩蓋了。隨著這些元素原子量的增加，它們的沸點和熔點也隨之升高。在常溫下，氟和氯是氣體，溴是液體，碘是固體。

• 鹵素
• 
  氟化銅 (II)
• 
  氯氣
• 
  裝有液態和氣態溴的瓶子
• 
  固態碘塊

反應

$2{\hbox{F}}_{2(g)}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{O}}_{2(g)}+4{\hbox{HF}}_{(aq)}$ ${\hbox{Cl}}_{2(g)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{HCl}}_{(aq)}+{\hbox{HClO}}_{(aq)}$ ${\hbox{Br}}_{2(g)}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}\to {\hbox{HBr}}_{(aq)}+{\hbox{HBrO}}_{(aq)}$	雙原子形式的鹵素與水反應生成酸. 碘不與水反應，且溶解度很低。氯的溶解度也很低，但它會在水中反應生成次氯酸和鹽酸。
${\hbox{X}}_{2}+{\hbox{H}}_{2(g)}\to 2{\hbox{HX}}_{(g)}$	在化學反應中，X 用於表示任何鹵素元素。所有鹵素都與氫氣形成氣態化合物：氟化氫 HF、氯化氫 HCl、溴化氫 HBr 和碘化氫 HI。這些是酸性的、強反應性的物質，稱為鹵化氫。
${\hbox{HX}}_{(g)}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(g)}\to {\hbox{H}}_{3}{\hbox{O}}_{(aq)}^{+}+{\hbox{X}}_{(aq)}^{-}+{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}_{(l)}$	當鹵化氫溶解在水中時，它們被稱為氫鹵酸。除了氟化氫外，它們是已知的最強的酸。
$2{\hbox{M}}_{(s)}+{\hbox{X}}_{2(g)}\to 2{\hbox{MX}}_{(s)}$ ${\hbox{HX}}_{(g)}+{\hbox{NH}}_{3(g)}\to {\hbox{NH}}_{4}{\hbox{X}}_{(g)}$	這些反應顯示了與金屬和氨氣反應分別形成鹽和銨鹽。
${\hbox{SiCl}}_{4}+2{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\to {\hbox{SiO}}_{2}+4{\hbox{HCl}}$	許多非金屬鹵化物與水反應釋放鹵化氫。例如，四氯化矽和水反應。

其他化合物

金屬的鹵化物被稱為鹽。氯化鈉，更廣為人知的“食鹽”，是通常用於增強食物風味的結晶物質。然而，請注意，並非所有鹽都是鹵化物（例如，硫酸鈉 Na₂SO₄），並非所有鹵化物都是鹽（四氯化碳，CCl₄）。

鹵素互化物是由兩種或多種不同鹵素原子組成的分子。它們類似於雙原子鹵素。一些例子是氟化氯 ClF 和溴化氯 BrCl。還有許多其他的，它們都非常活潑，並且有些不穩定。鹵素互化物採用 XY_n的形式，其中 n 為 1、3、5 或 7。X 和 Y 都是鹵素，X 是電負性較小的那個。還已知較大的分子和離子。例如，I₂ 在水中的溶解度很差，但在含有碘離子的溶液中很容易溶解，形成三碘陰離子 I₂ + I^- --> I₃^-

惰性氣體化合物已使用氟製備。雖然惰性氣體被認為是惰性的，但較大的惰性氣體，如氙，會與氟等電負性非常強的元素形成共價鍵。二氟化氙 XeF₂、四氟化氙 XeF₄ 和六氟化氙 XeF₆ 是已製備的惰性氣體化合物中的一部分。

氧化態

氟是電負性最強的元素，在反應中始終呈現-1的氧化數。由此形成的化合物被稱為**氟化物**。

其他鹵素也經常以類似的方式反應，但它們的電負性比氟弱。如果它們在電負性比自身高的元素存在下反應，則可能形成其他（較高的）氧化數。

對於氯，這種情況只可能發生在兩種元素：氧和氟。具有較高氧化態的最常見化合物是含氧酸及其鹽。

氧化數	酸	名稱	陰離子	名稱
+7	HClO4	高氯酸	ClO4-	高氯酸根離子
+5	HClO3	氯酸	ClO3-	氯酸根離子
+3	HClO2	亞氯酸	ClO2-	亞氯酸根離子
+1	HClO	次氯酸	ClO-	次氯酸根離子
-1	HCl	鹽酸	Cl-	氯離子

如上所示，氧化數可以在整個八隅體範圍內變化，從-1到+7，代表氯原子電子構型從[Ar]到[Ne]的變化。命名方式有些隨意。酸的“-ic”結尾和陰離子的“-ate”結尾通常保留給最高氧化數，但在發現+7物種時，它們已經被賦予了+5物種。這就是為什麼添加了“per-”字首。+3物種具有通常的“-ous”和“-ite”結尾，表示比最高氧化態低一級，而“hypo-”字首表示它是更低的氧化態。

其中一些化合物比較常見。鹽酸存在於我們的胃中，也是一種家庭清潔劑。純淨狀態下它是一種氣體，但在水中溶解度很高。食鹽是一種氯化物鹽，次氯酸根離子是漂白劑中的活性成分。高氯酸鹽是高度可溶的鹽，如果我們希望使某種陽離子易溶，通常會利用這一性質。

溴和碘元素可以形成與氯類似的酸和鹽。

滷代酸

像硝酸HNO₃和硫酸H₂SO₄這樣的含氧酸及其陰離子，如硝酸根離子NO₃^-或硫酸根離子SO₄^2-，是眾所周知的。在這些分子離子中，氧作為更高氧化態的中心原子（N或S）周圍的更具電負性的配體。

鹵素本身具有相當高的電負性，可以與氧發揮相同的配體作用，從而產生滷代酸及其陰離子。這類陰離子一個很好的例子是四氟硼酸根離子BF₄^-。

這類化合物的命名來源於含氧化合物。以“-ate”結尾的硼酸根名稱表示硼處於其最高氧化態，是中心原子。字首“fluoro-”表示配體是F而不是氧，而“tetra-”表示中心原子周圍有四個配體。類似的命名適用於其他鹵素，例如ZnCl₄^2-是四氯合鋅酸根離子。