Halogenen

De kenmerken van halogenen

De atomen van deze elementen bevatten 7 valentie-elektronen, en hun elektronenconfiguratie in de basistoestand is s ² p ⁵ . Halogenen missen slechts één elektron om het volledige octet te bereiken, wat ook de elektronenconfiguratie is van het dichtstbijzijnde edelgas . Ze vertonen een extreem sterke neiging om de ontbrekende elektronen aan te trekken en een mononegatief X ^– anion te produceren of, als het verschil in elektronegativiteit van een halogeen inclusief het element dat daarmee bindt niet voldoende groot is, om een ​​covalente binding te produceren. De elektronenaantrekking houdt verband met het feit dat halogenen een hoge elektronenaffiniteit vertonen, omdat, net als zuurstofatomen, de hechting van een elektron aan een vrij atoom de emissie van energie veroorzaakt. Integendeel, het losmaken van een elektron van een sterk elektronegatief halogeen om een ​​X ⁺ kation te produceren vereist een enorme hoeveelheid energie. Halogenen vertonen een zeer hoge reactiviteit en behoren tot de chemisch meest actieve stoffen. Bij kamertemperatuur nemen ze deel aan reacties met veel chemische verbindingen en binden ze zich abrupt met veel elementen. Die reactiviteit neemt af van fluor naar jodium, omdat de relatief lage energie van chemische bindingen in diatomische halogeenmoleculen ervoor zorgt dat ze gemakkelijk afbreken. Een ander belangrijk kenmerk van halogenen is dat het zeer sterke oxidatiemiddelen zijn. Hun standaardmogelijkheden zijn als volgt:

• fluor: 2,866,
• chloor : 1,35827,
• broom: 1,0873,
• jodium: 0,5355,
• astatine: 0,3.

Met zijn hoge potentieel is fluor het sterkste oxidatiemiddel in de groep en een van de sterkste in het hele periodiek systeem.

Fysische eigenschappen van halogenen

Vergeleken met de elementen die zich dicht bij het periodiek systeem bevinden, vertonen halogenen zeer hoge ionisatie-energieën. De eerste ionisatie-energieën uitgedrukt in [kJ ·mol ^-1] voor respectievelijk fluor, chloor, broom en jodium zijn 1681,0; 1251,1; 1139,9; 1008,4. Deze waarden zijn hoog, maar nemen aanzienlijk af naarmate het atoomnummer toeneemt. Op dezelfde manier neemt naarmate het atoomnummer toeneemt ook het aantal atoomschillen en de atoomstraal toe. Als gevolg hiervan wordt de aantrekking van valentie-elektronen door de kern zwakker. Als we naar verschillende perioden in het periodiek systeem kijken, kunnen we zien dat de volgende waarden hoger zijn dan in andere groepen:

• elektronenaffiniteitsniveaus: F: 328,2 [kJ ·mol ^-1]; Cl: 348,6 [kJ ·mol ^-1]; Br: 324,5 [kJ ·mol ^-1]; I: 295,2 [kJ ·mol ^-1], en
• ionisatie-energieën.

Vanwege deze kenmerken vertonen halogenen de hoogste elektronegativiteit in hun respectieve perioden. Fluor heeft de hoogste elektronegativiteitswaarde van alle elementen. Deze waarden zijn: 4,10 voor fluor, 2,83 voor chloor, 2,74 voor broom, 2,21 voor jodium en 1,90 voor astatine. De atoommassa groeit van fluor naar astatine, net als de smelt- en kookpunten.

Tabel 1. Lijst met de fysieke kenmerken van halogenen. Onder normale omstandigheden zijn fluor en chloor gassen, is broom een ​​vloeistof met een hoge dampspanning en is jodium een ​​vaste stof. Deze laatste vertoont een aanzienlijk hoge dampspanning onder het smeltpunt, waardoor deze bij voldoende verwarming kan sublimeren. Van deze eigenschap wordt vaak gebruik gemaakt bij het zuiveren van jodium. De besproken elementen zijn gekleurd: fluor heeft een lichte geel-groene tint, chloor is groen-geel, broomdampen zijn duidelijk rood-bruin, terwijl de dampen van jodium violet zijn. Broom is als vloeistof donkerbruin en jodium in vaste toestand heeft de vorm van kristallen met een grijs-zwarte kleur en een metaalachtige glans. In gasvormige toestand verspreiden alle halogenen een sterke, irriterende geur. Dampen van fluor, chloor en broom hebben een bijzonder sterke invloed op het menselijk lichaam. Jodium is echter even giftig, maar heeft onder kameromstandigheden een veel lagere dampspanning.

De oxidatietoestanden van halogenen

De oxidatietoestand –I is het meest stabiel voor de atomen van chloor, broom en jodium, zowel in zure als in basische oplossingen. Voor fluor is dit de enige oxidatietoestand die dat element in chemische verbindingen aanneemt. Anderen kunnen, door de d- orbitalen te gebruiken, ook overschakelen naar positieve oxidatietoestanden, meestal naar I, III, V en VII, voornamelijk in interhalogene verbindingen, oxiden en oxyzuren. De groep waarin halogenen worden ingedeeld (17) suggereert de hoogst aanvaardbare oxidatietoestand (VII). Chloor, broom en jodium nemen dergelijke elektronenconfiguraties aan. Of ze nu nul zijn of een positieve oxidatietoestand hebben, halogenen vertonen sterke oxiderende eigenschappen, vooral in zure oplossingen.

Het natuurlijke voorkomen van halogenen

Natuurlijke halogenen komen alleen in gebonden toestand voor. De hoogste hoeveelheid fluor komt voor in de aardkorst , namelijk ongeveer 5,85,10 ^-2 gewichtsprocent. Daarna volgt chloor: 1,45· ^10-2 gew.%. Deze volgorde is omgekeerd in zeewater, waar het chloorgehalte rond de 1,901 ligt, en het fluorgehalte rond de ^1,3,10-2 gewichtsprocent. Aan de andere kant vertonen broom en jodium momenteel aanzienlijk lagere concentraties in beide zones. In de aardkorst vertegenwoordigen ze respectievelijk 2,4,10 ^-4 en 4,5,10 ^-5 procent per gewicht. In zeewater veranderen deze waarden naar 6,73·10 ^-4 en 6·10 ^-6 . Astatine kan alleen synthetisch worden geproduceerd, maar het bevat enkele natuurlijke, kortstondige radioactieve isotopen waarvan het gehalte in de aardkorst hoger is dan 3,10 ^-24 gewichtsprocent. De hoogste hoeveelheden fluor in de aardkorst komen voor in de vorm van fluoriet CaF ₂ , apatiet Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ en kryoliet Na ₃ AlF ₆ . De belangrijkste en meest voorkomende grondstof die in de natuur voorkomt en wordt gebruikt om chloor en zijn verbindingen te produceren, is natriumchloride. Het komt in relatief grote hoeveelheden voor in zeewater, samen met chloriden van andere metalen uit groep 1 en 2. Afgezien daarvan zijn er, als gevolg van het langdurige droogproces van de zee, veel gebieden waar natriumchloride uitgebreide afzettingen vormt. Er zijn ook veel mineralen die chloor bevatten. Deze omvatten sylvine (KCl), carnalliet (KMgCl ₃ ·6 H ₂ O) en kainiet (KMgCl(SO ₄ ) ·3 H ₂ O), die vooral voorkomen in zoutafzettingen die zijn gevormd als gevolg van het drogen van ingesloten zeegebieden. Jodium komt in de vorm van organische verbindingen in kleine hoeveelheden voor in zeewater. Vroeger werd het geproduceerd uit zeewieras, maar tegenwoordig wordt het vooral gewonnen uit natriumnitraat dat jodaten (V) en jodaten (VII) bevat. Hun grootste afzettingen bevinden zich in Chili en Bolivia, en de daarin aanwezige jodiumverbindingen worden omgezet in kristallijne afvallogen. Jodium komt ook voor in de menselijke schildklier en het tekort ervan veroorzaakt ziektesymptomen.

Productie van halogenen

De sleutelrol als industriële grondstof voor de productie van fluorverbindingen en zuiver fluor wordt gespeeld door fluoriet. Wanneer het wordt blootgesteld aan geconcentreerd zwavelzuur , produceert het calciumsulfaat en waterstoffluoride. Het wordt op zijn beurt vervolgens verwerkt tot fluoriden en vrije fluor. Fluor in vrije toestand kan echter alleen door elektrolyse worden geproduceerd. Omdat fluor abrupt op water inwerkt, wordt de elektrolyse niet uitgevoerd in waterige oplossingen, maar in een mengsel van gesmolten kaliumbifluoride met watervrij waterstoffluoride bij ongeveer 340–400 K. Chloor wordt op technische schaal geproduceerd door de elektrolyse van natriumchloride in een waterige oplossing of in de vorm van gesmolten zout. Op beide manieren wordt het product op de anode gevormd. Voor laboratoriumpraktijken wordt chloor gewoonlijk geproduceerd door inwerking van geconcentreerd zoutzuur op kaliumtetraoxomanganaat (VII) of mangaandioxide. Broom wordt op dezelfde wijze verkregen als chloor, door het uit bromiden te winnen. De meest populaire methode is om broom te vervangen door chloor, bijvoorbeeld tijdens de productie uit zeewater. Jodium wordt net als broom uit bromiden gewonnen uit jodiden. Jodaten verkregen uit salpeter worden gereduceerd met behulp van waterstofsulfaten (IV). De meest stabiele astatine-isotoop is ²¹¹ At, die kan worden verkregen door de ²⁰⁹ Bi-bismutkernen te bombarderen met alfamoleculen. Zo’n astatine kan vervolgens worden geproduceerd door het in een stikstofstroom of in vacuüm tot ongeveer 600–900 K te verwarmen. Het condenserende product is zichtbaar op de koude wand van het vat.

Toepassingen van halogenen

Op industriële schaal geproduceerd fluor is een materiaal voor de verwerving van UF ₆ en UF ₄ . De eerste wordt gebruikt bij het scheiden van uraniumisotopen, terwijl de laatste vervolgens wordt verwerkt tot metallisch uranium. Koolwaterstoffluorideringsproducten, dat wil zeggen verbindingen waarin waterstof is vervangen door fluor, worden ook steeds vaker gebruikt. Hun fysische eigenschappen zijn vergelijkbaar met die van koolwaterstoffen, behalve dat ze niet-ontvlambaar en niet-oxideerbaar zijn. Fluor wordt ook gebruikt voor de productie van een plastic materiaal dat Teflon wordt genoemd, dat wil zeggen gepolymeriseerd tetrafluorethyleen, en voor freon, wat difluordichloormethaan is, dat wordt toegepast in de koeltechnologie. Het elementaire chloor heeft witmakende eigenschappen en wordt daarom gebruikt in de textiel- en celluloseproductie-industrie . Het dient ook als desinfectiemiddel voor drinkwater en is een grondstof die wordt gebruikt voor de productie van veel anorganische verbindingen, waaronder chloraten en chloroform. Broom wordt toegepast in de farmaceutische industrie , omdat kaliumbromide een kalmerend middel is. Het wordt ook gebruikt voor de synthese van synthetische kleurstoffen, als zilverbromide in de fotografie of als herbicide in de vorm van methylbromide. In laboratoria dient broom vooral als oxidatiemiddel, vooral in de broomwateroplossing. Jodium in de vorm van jodiumtinctuur, dat wil zeggen een alcoholische jodiumoplossing, wordt in de geneeskunde als ontsmettingsmiddel gebruikt. Het heeft ook een groot aantal toepassingen in de analytische chemie , bijvoorbeeld als reagens in de jodometrie.