Halogener

Egenskaperna hos halogener

Atomerna i dessa element innehåller 7 valenselektroner, och deras elektronkonfiguration i grundtillståndet är s ² p ⁵ . Halogener saknar bara en elektron för att nå hela oktetten, vilket också är elektronkonfigurationen för den närmaste ädelgasen . De visar en extremt hög tendens att attrahera de saknade elektronerna och producera en mononegativ X ^– anjon eller, om skillnaden i elektronegativitet för en halogen inklusive elementet som binder därmed inte är tillräckligt hög, att producera en kovalent bindning. Elektronattraktionen är relaterad till det faktum att halogener visar hög elektronaffinitet eftersom, precis som syreatomer, orsakar bindningen av en elektron till en fri atom utsläpp av energi. Tvärtom, att lossa en elektron från en mycket elektronegativ halogen för att producera en X ⁺ -katjon kräver en enorm energitillförsel. Halogener uppvisar mycket hög reaktivitet och är bland de mest kemiskt aktiva substanserna. Vid rumstemperatur deltar de i reaktioner med många kemiska föreningar och binder abrupt till många grundämnen. Den reaktiviteten minskar från fluor till jod, eftersom den relativt låga energin hos kemiska bindningar i diatomiska halogenmolekyler gör att de lätt bryts av. En annan viktig egenskap hos halogener är att de är mycket starka oxidanter. Deras standardpotentialer är följande:

• fluor: 2,866,
• klor : 1,35827,
• brom: 1,0873,
• jod: 0,5355,
• astatin: 0,3.

Med sin höga potential är fluor den starkaste oxidanten i gruppen och en av de starkaste i hela det periodiska systemet.

Fysikaliska egenskaper hos halogener

Jämfört med grundämnen med en nära placering i det periodiska systemet visar halogener mycket höga joniseringsenergier. De första joniseringsenergierna uttryckta i [kJ ·mol ^-1] för fluor, klor, brom respektive jod är 1681,0; 1251,1; 1139,9; 1008,4. Dessa värden är höga, men de minskar avsevärt i takt med att atomnumret ökar. På samma sätt, när atomnumret växer, ökar också antalet atomskal och atomradien. Som en konsekvens blir attraktionen av valenselektroner av kärnan svagare. När vi tittar på olika perioder i det periodiska systemet kan vi observera att följande värden är högre än i andra grupper:

• elektronaffinitetsnivåer: F: 328,2 [kJ ·mol ^-1]; Cl: 348,6 [kJ-mol ^-1]; Br: 324,5 [kJ-mol ^-1]; I: 295,2 [kJ ·mol ^-1], och
• joniseringsenergier.

På grund av dessa egenskaper uppvisar halogener den högsta elektronegativiteten under sina respektive perioder. Fluor har det högsta elektronegativitetsvärdet av alla grundämnen. Dessa värden är: 4,10 för fluor, 2,83 för klor, 2,74 för brom, 2,21 för jod och 1,90 för astatin. Atommassan växer från fluor till astatin, precis som smält- och kokpunkterna.

Tabell 1. Lista över de fysiska egenskaperna hos halogener. Under normala förhållanden är fluor och klor gaser, brom är en vätska med högt ångtryck och jod är ett fast ämne. Den senare uppvisar ett avsevärt högt ångtryck under smältpunkten, vilket gör att den kan sublimeras vid tillräcklig uppvärmning. Denna egenskap utnyttjas ofta vid rening av jod. De diskuterade elementen är färgade: fluor har en lätt gul-och-grön nyans, klor är grön-gul, bromångor är tydligt röd-och-bruna, medan ångorna av jod är violetta. Brom som vätska är mörkbrunt, och jod i fast tillstånd har formen av kristaller med en grå-svart färg och metallisk glans. I gasformigt tillstånd avger alla halogener en stark, irriterande lukt. Ångor av fluor, klor och brom har en särskilt stark effekt på människokroppen. Jod är dock lika giftigt men har ett mycket lägre ångtryck i rumsförhållanden.

Oxidationstillstånden för halogener

Oxidationstillståndet -I är det mest stabila för atomerna av klor, brom och jod, oavsett om det är i sura eller basiska lösningar. För fluor är det det enda oxidationstillståndet som grundämnet tar i kemiska föreningar. Andra, genom att använda d- orbitaler, kan också byta till positiva oxidationstillstånd, mest till I, III, V och VII, främst i interhalogena föreningar, oxider och oxisyror. Gruppen i vilken halogener klassificeras (17) antyder det högsta acceptabla oxidationstillståndet (VII). Klor, brom och jod tar sådana elektronkonfigurationer. Vare sig det är vid noll eller positivt oxidationstillstånd, uppvisar halogener starka oxiderande egenskaper, särskilt i sura lösningar.

Den naturliga förekomsten av halogener

Naturliga halogener förekommer endast i bundet tillstånd. Den högsta mängden fluor finns i jordskorpan , detta är cirka 5,85·10 ^-2 viktprocent. Detta följs av klor: 1,45·10 ^-2 viktprocent. Den sekvensen är omvänd i havsvatten, där halten av klor är omkring 1,901, och av fluor, omkring 1,3·10 ^-2 viktprocent. Å andra sidan visar brom och jod för närvarande signifikant lägre koncentrationer i båda zonerna. I jordskorpan representerar de 2,4·10 ^-4 respektive 4,5·10 ^-5 viktprocent. I havsvatten blir dessa värden 6,73·10 ^-4 och 6·10 ^-6 . Astatin kan endast framställas syntetiskt, men det har ett fåtal naturliga, kortvariga radioaktiva isotoper vars innehåll i jordskorpan överstiger 3,10 ^-24 viktprocent. De högsta mängderna fluor i jordskorpan förekommer i form av fluorit CaF ₂ , apatit Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ och kryolit Na ₃ AlF ₆ . Nyckeln och den vanligaste råvaran som förekommer i naturen, som används för att producera klor och dess föreningar, är natriumklorid. Den förekommer i relativt stora mängder i havsvatten, tillsammans med klorider av andra grupp 1 och 2 metaller. Bortsett från det, på grund av den långvariga havstorkningsprocessen, finns det många områden där natriumklorid bildar omfattande avlagringar. Det finns också en hel del mineraler som innehåller klor. Dessa inkluderar sylvin (KCl), karnalit (KMgCl ₃ · 6 H ₂ O) och kainit (KMgCl(SO ₄ ) · 3 H ₂ O), som förekommer särskilt i saltavlagringar som bildas till följd av uttorkning av slutna havsområden. Jod i form av organiska föreningar förekommer i små mängder i havsvatten. Förr tillverkades den av tångaska, men idag hämtas den mest från natriumnitrat som innehåller jodater (V) och jodater (VII). Deras största fyndigheter finns i Chile och Bolivia, och jodföreningarna som finns däri förvandlas till kristallint avfallslut. Jod förekommer också i den mänskliga sköldkörteln, och bristen på detta orsakar sjukdomssymptom.

Produktion av halogener

Nyckelrollen som industriell råvara som används för att producera fluorföreningar och ren fluor spelas av fluorit. När den utsätts för koncentrerad svavelsyra , producerar den kalciumsulfat och vätefluorid. Det i sin tur bearbetas sedan till fluorider och fritt fluor. Fritillståndsfluor kan dock endast framställas genom elektrolys. Eftersom fluor verkar abrupt på vatten utförs elektrolysen inte i vattenlösningar utan i en blandning av smält kaliumbifluorid med vattenfri vätefluorid vid cirka 340–400 K. Klor framställs i teknisk skala genom elektrolys av natriumklorid i en vattenlösning eller i form av smält salt. På båda sätten bildas produkten på anoden. För laboratoriepraxis framställs klor vanligtvis genom att verka med koncentrerad saltsyra på kaliumtetraoxomanganat (VII) eller mangandioxid. Brom förvärvas med samma metoder som klor, genom att utbilda det från bromider. Den mest populära metoden är att ersätta brom med klor, till exempel när man producerar det från havsvatten. Jod framställs från jodider precis som brom från bromider. Jodater från salpeter reduceras med användning av vätesulfater (IV). Den mest stabila astatinisotopen är ²¹¹ At, som kan erhållas genom att bombardera ²⁰⁹ Bi-vismutkärnorna med alfamolekyler. En sådan astatin kan sedan utbildas genom att värma upp den till cirka 600–900 K i ett kväveflöde eller i vakuum. Den kondenserande produkten kan märkas på kärlets kalla vägg.

Tillämpningar av halogener

Fluor som produceras i industriell skala är ett material för att ta upp UF ₆ och UF ₄ . Den förra används vid separering av uranisotoper, medan den senare bearbetas till metalliskt uran. Kolvätefluorideringsprodukter, det vill säga föreningar i vilka väte har ersatts med fluor, används också alltmer. Deras fysikaliska egenskaper liknar de för kolväten, förutom att de är icke brandfarliga och icke-oxiderbara. Fluor används också för att tillverka ett plastmaterial som kallas teflon, det vill säga polymeriserad tetrafluoreten, samt freon, som är difluordiklormetan som används i kylteknik. Det elementära kloret har blekande egenskaper, så det används i textil- och cellulosaproduktionsindustrin . Det fungerar också som ett desinfektionsmedel för dricksvatten och är ett insatsmaterial som används för produktion av många oorganiska föreningar inklusive klorater eller kloroform. Brom används inom läkemedelsindustrin , eftersom kaliumbromid är ett lugnande medel. Det används också för att syntetisera syntetiska färgämnen, som silverbromid vid fotografering eller som herbicid i form av metylbromid. I laboratorier fungerar brom mest som oxidationsmedel, främst i bromvattenlösningen. Jod i form av jodtinktur, det vill säga en alkoholhaltig jodlösning, används som desinfektionsmedel inom medicinen. Den har också en mängd tillämpningar inom analytisk kemi , till exempel som reagens inom jodometri.