ฮาโลเจน

ลักษณะของฮาโลเจน

อะตอมขององค์ประกอบเหล่านี้มีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 7 ตัว และ การจัดเรียงอิเล็กตรอน ในสถานะพื้นฐานคือ s ² p ⁵ . ฮาโลเจนขาดอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่จะถึงออคเต็ตเต็ม ซึ่งเป็นโครงร่างอิเล็กตรอนของ ก๊าซมีตระกูล ที่ใกล้ที่สุด พวกมันแสดงแนวโน้มที่สูงมากที่จะดึงดูดอิเล็กตรอนที่หายไปและสร้างไอออน X ^– แอนไอออนที่เป็นโมโนเนกาติตี หรือหากความแตกต่างในอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของฮาโลเจนรวมถึงองค์ประกอบที่พันธะด้วยนั้นไม่สูงเพียงพอ ก็สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้ แรงดึงดูดของอิเล็กตรอนสัมพันธ์กับความจริงที่ว่าฮาโลเจนแสดงความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนสูง เพราะเช่นเดียวกับอะตอมออกซิเจน การที่อิเล็กตรอนเกาะติดกับอะตอมอิสระทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงาน ในทางตรงกันข้าม การแยกอิเล็กตรอนออกจากฮาโลเจนที่มีอิเลคโตรเนกาติตีสูงเพื่อผลิตไอออน ^บวก X ต้องใช้พลังงานจำนวนมหาศาล ฮาโลเจนแสดงปฏิกิริยาที่สูงมาก โดยเป็นสารที่มีฤทธิ์ทางเคมีมากที่สุดชนิดหนึ่ง ที่อุณหภูมิห้อง พวกมันมีส่วนในการทำปฏิกิริยากับสารประกอบเคมีหลายชนิดและเกิดพันธะกับธาตุหลายอย่างทันที ปฏิกิริยาดังกล่าวจะลดลงจากฟลูออรีนไปเป็นไอโอดีน เนื่องจากพลังงานที่ค่อนข้างต่ำของพันธะเคมีในโมเลกุลฮาโลเจนแบบไดอะตอมมิกทำให้พวกมันแตกตัวได้ง่าย คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งของฮาโลเจนก็คือพวกมันเป็นสารออกซิไดซ์ที่แรงมาก ศักยภาพมาตรฐานมีดังนี้:

• ฟลูออรีน: 2.866,
• คลอรีน : 1.35827,
• โบรมีน: 1.0873,
• ไอโอดีน: 0.5355,
• แอสทาทีน: 0.3

ด้วยศักยภาพที่สูง ฟลูออรีนจึงเป็นสารออกซิแดนท์ที่แรงที่สุดในกลุ่มและเป็นหนึ่งในสารออกซิแดนท์ที่แรงที่สุดในตารางธาตุทั้งหมด

คุณสมบัติทางกายภาพของฮาโลเจน

เมื่อเปรียบเทียบกับองค์ประกอบที่มีตำแหน่งใกล้ใน ตาราง ธาตุ ฮาโลเจนแสดงพลังงานไอออไนเซชันที่สูงมาก พลังงานไอออไนเซชันแรกที่แสดงเป็น [kJ ·mol ^-1] สำหรับฟลูออรีน คลอรีน โบรมีน และไอโอดีน ตามลำดับคือ 1681.0; 1251.1; 1139.9; 1008.4. ค่าเหล่านี้สูง แต่จะลดลงอย่างมากพร้อมกับ เลขอะตอม ที่เพิ่มขึ้น ในทำนองเดียวกัน เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น จำนวนเปลือกอะตอมและรัศมีอะตอมก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ผลที่ตามมาคือแรงดึงดูดของเวเลนซ์อิเล็กตรอนต่อนิวเคลียสลดลง เมื่อดูคาบต่างๆ ในตารางธาตุ เราจะสังเกตได้ว่าค่าต่อไปนี้สูงกว่าค่าในกลุ่มอื่นๆ

• ระดับความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน: F: 328.2 [kJ ·mol ^-1]; Cl: 348.6 [kJ ·โมล ^-1]; Br: 324.5 [kJ ·โมล ^-1]; I: 295.2 [kJ ·mol ^-1] และ
• พลังงานไอออไนเซชัน

เนื่องจากคุณลักษณะเหล่านี้ ฮาโลเจนจึงแสดงค่าอิเลคโตรเนกาติวีตี้สูงสุดในช่วงเวลาที่เกี่ยวข้อง ฟลูออรีนมีค่าอิเลคโตรเนกาติวีตี้สูงสุดในบรรดาองค์ประกอบทั้งหมด ค่าเหล่านี้ได้แก่ 4.10 สำหรับฟลูออรีน 2.83 สำหรับคลอรีน 2.74 สำหรับโบรมีน 2.21 สำหรับไอโอดีน และ 1.90 สำหรับแอสทาทีน มวลอะตอมเพิ่มขึ้นจากฟลูออรีนไปเป็นแอสทาทีน เช่นเดียวกับจุดหลอมเหลวและจุดเดือด

ตารางที่ 1. รายการลักษณะทางกายภาพของฮาโลเจน ในสภาวะปกติ ฟลูออรีนและคลอรีนถือเป็นก๊าซ โบรมีนเป็นของเหลวที่มีความดันไอสูง และไอโอดีนเป็นของแข็ง อย่างหลังแสดงความดันไอที่สูงมากต่ำกว่าจุดหลอมเหลว ซึ่งช่วยให้สามารถระเหิดได้เมื่อได้รับความร้อนอย่างเพียงพอ ลักษณะนี้มักถูกนำมาใช้ประโยชน์ในการทำให้ไอโอดีนบริสุทธิ์ องค์ประกอบที่กล่าวถึงจะเป็นการใช้สี: ฟลูออรีนมีโทนสีเหลืองและเขียวเล็กน้อย คลอรีนมีสีเขียวและเหลือง ไอระเหยของโบรมีนมีสีแดงและน้ำตาลอย่างชัดเจน ในขณะที่ไอของไอโอดีนเป็นสีม่วง โบรมีนในฐานะของเหลวจะมีสีน้ำตาลเข้ม และไอโอดีนในสถานะของแข็งจะอยู่ในรูปของผลึกที่มีสีเทาและดำและความมันวาวของโลหะ ในสถานะก๊าซ ฮาโลเจนทั้งหมดจะปล่อยกลิ่นรุนแรงและระคายเคือง ไอระเหยของฟลูออรีน คลอรีน และโบรมีนมีผลกระทบอย่างมากต่อร่างกายมนุษย์ อย่างไรก็ตาม ไอโอดีนมีความเป็นพิษพอๆ กัน แต่มีความดันไอต่ำกว่ามากในสภาพห้อง

สถานะออกซิเดชันของฮาโลเจน

สถานะออกซิเดชัน –I เสถียรที่สุดสำหรับอะตอมของคลอรีน โบรมีน และไอโอดีน ไม่ว่าจะอยู่ในสารละลายที่เป็นกรดหรือเบส สำหรับฟลูออรีน เป็นเพียงสถานะออกซิเดชันเดียวที่องค์ประกอบนั้นรับเข้าไปในสารประกอบทางเคมี อย่างอื่นโดยใช้ d ออร์บิทัล สามารถเปลี่ยนไปสู่สถานะออกซิเดชันเชิงบวกได้ ส่วนใหญ่เป็น I, III, V และ VII โดยส่วนใหญ่อยู่ในสารประกอบระหว่างฮาโลเจน ออกไซด์ และออกซิแอซิด กลุ่มที่ฮาโลเจนถูกจำแนกประเภท (17) แนะนำสถานะออกซิเดชันที่ยอมรับได้สูงสุด (VII) คลอรีน โบรมีน และไอโอดีนมีโครงสร้างอิเล็กตรอนเช่นนี้ ไม่ว่าจะอยู่ที่ศูนย์หรือที่สถานะออกซิเดชันที่เป็นบวก ฮาโลเจนจะแสดงคุณสมบัติออกซิเดชันที่แรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารละลายที่เป็นกรด

การเกิดฮาโลเจนตามธรรมชาติ

ฮาโลเจนธรรมชาติเกิดขึ้นในสถานะที่ถูกผูกไว้เท่านั้น ปริมาณฟลูออรีนสูงสุดที่มีอยู่ใน เปลือกโลก อยู่ที่ประมาณ 5.85·10 ^-2 %โดยน้ำหนัก ตามด้วยคลอรีน: 1.45·10 ^-2 %โดยน้ำหนัก ลำดับดังกล่าวจะกลับกันในน้ำทะเล โดยมีปริมาณคลอรีนประมาณ 1.901 และมีฟลูออรีนประมาณ 1.3·10 ^-2 %โดยน้ำหนัก ในทางกลับกัน โบรมีนและไอโอดีนในปัจจุบันแสดงความเข้มข้นที่ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญในทั้งสองโซน ในเปลือกโลก มีค่าเท่ากับ 2.4·10 ^-4 และ 4.5·10 ^-5 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ในน้ำทะเล ค่าเหล่านี้จะเปลี่ยนเป็น 6.73·10 ^-4 และ 6·10 ^-6 แอสทาทีนสามารถผลิตได้โดยการสังเคราะห์เท่านั้น แต่มี ไอโซโทป กัมมันตรังสีระยะสั้นตามธรรมชาติจำนวนหนึ่งซึ่งมีปริมาณในเปลือกโลกเกิน 3·10 ^-24 %โดยน้ำหนัก ปริมาณฟลูออรีนสูงสุดในเปลือกโลกเกิดขึ้นในรูปของฟลูออไรต์ CaF ₂ อะพาไทต์ Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ และไครโอไลท์ Na ₃ AlF ₆ วัตถุดิบสำคัญและเป็นวัตถุดิบที่พบมากที่สุดในธรรมชาติซึ่งใช้ในการผลิตคลอรีนและสารประกอบของคลอรีนคือโซเดียมคลอไรด์ โดยเกิดขึ้นในปริมาณที่ค่อนข้างสูงในน้ำทะเล ร่วมกับคลอไรด์ของโลหะกลุ่ม 1 และ 2 อื่นๆ นอกจากนั้น เนื่องจากกระบวนการทำให้แห้งในทะเลเป็นเวลานาน จึงมีหลายพื้นที่ที่โซเดียมคลอไรด์สะสมตัวเป็นวงกว้าง นอกจากนี้ยังมีแร่ธาตุจำนวนมากที่มีคลอรีน ซึ่งรวมถึงซิลไวน์ (KCl), คาร์นัลไลต์ (KMgCl ₃ ·6 H ₂ O) และไคไนต์ (KMgCl(SO ₄ ) ·3 H ₂ O) ซึ่งเกิดขึ้นโดยเฉพาะในแหล่งสะสมของเกลือที่เกิดขึ้นจากการทำให้พื้นที่ทะเลปิดแห้ง ไอโอดีนในรูปของสารประกอบอินทรีย์เกิดขึ้นในปริมาณเล็กน้อยในน้ำทะเล เมื่อก่อนเคยผลิตจากเถ้าสาหร่าย แต่ปัจจุบันส่วนใหญ่ได้มาจากโซเดียมไนเตรตที่มีไอโอเดต (V) และไอโอเดต (VII) แหล่งสะสมที่ใหญ่ที่สุดของพวกเขาตั้งอยู่ในชิลีและโบลิเวีย และสารประกอบไอโอดีนที่มีอยู่ในนั้นกลายเป็นน้ำด่างที่เป็นผลึกของเสีย ไอโอดีนยังเกิดขึ้นในต่อมไทรอยด์ของมนุษย์ และการขาดแคลนไอโอดีนทำให้เกิดอาการของโรค

การผลิตฮาโลเจน

ฟลูออไรต์มีบทบาทสำคัญในฐานะวัตถุดิบทางอุตสาหกรรมที่ใช้ในการผลิตสารประกอบฟลูออรีน และฟลูออรีนบริสุทธิ์ เมื่อสัมผัสกับ กรดซัลฟิวริก เข้มข้น จะผลิตแคลเซียมซัลเฟตและไฮโดรเจนฟลูออไรด์ จากนั้นจะถูกแปรรูปเป็นฟลูออไรด์และฟลูออรีนอิสระ อย่างไรก็ตาม ฟลูออรีนในสถานะอิสระสามารถผลิตได้โดยอิเล็กโทรไลซิสเท่านั้น เนื่องจากฟลูออรีนกระทำกะทันหันบนน้ำ อิเล็กโทรไลซิสจึงไม่เกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ แต่อยู่ในส่วนผสมของโพแทสเซียมไบฟลูออไรด์หลอมเหลวกับแอนไฮดรัสไฮโดรเจนฟลูออไรด์ที่ประมาณ 340–400 เคลวิน คลอรีนถูกผลิตในระดับทางเทคนิคโดยอิเล็กโทรไลซิสของโซเดียมคลอไรด์ใน สารละลายที่เป็นน้ำหรืออยู่ในรูปของเกลือหลอมเหลว ทั้งสองวิธี ผลิตภัณฑ์จะเกิดขึ้นบนขั้วบวก สำหรับการปฏิบัติงานในห้องปฏิบัติการ คลอรีนมักจะผลิตโดยการแสดง กรดไฮโดรคลอริก เข้มข้นกับโพแทสเซียมเตตระออกโซแมงกาเนต (VII) หรือแมงกานีสไดออกไซด์ โบรมีนได้มาด้วยวิธีเดียวกับคลอรีน โดยการแยกโบรไมด์ออกจากโบรไมด์ วิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือการแทนที่โบรมีนด้วยคลอรีน เช่น ในขณะที่ผลิตจากน้ำทะเล ไอโอดีนได้มาจากไอโอไดด์เช่นเดียวกับโบรมีนจากโบรไมด์ ไอโอเดตที่ได้มาจากดินประสิวจะลดลงเมื่อใช้ไฮโดรเจนซัลเฟต (IV) ไอโซโทปแอสทาทีนที่เสถียรที่สุดคือ ²¹¹ At ซึ่งสามารถหาได้โดยการระดมยิงนิวเคลียสบิสมัท ²⁰⁹ Bi ด้วยโมเลกุลอัลฟา จากนั้นสามารถศึกษาแอสทาทีนดังกล่าวได้โดยการให้ความร้อนสูงถึงประมาณ 600–900 K ในฟลักซ์ไนโตรเจนหรือในสุญญากาศ สามารถสังเกตเห็นผลิตภัณฑ์ควบแน่นได้บนผนังเย็นของถัง

การใช้ฮาโลเจน

ฟลูออรีนที่ผลิตในระดับอุตสาหกรรมเป็นวัสดุในการรับ UF ₆ และ UF ₄ แบบแรกใช้ในการแยกไอโซโทปยูเรเนียม ในขณะที่แบบหลังจะถูกแปรรูปเป็นยูเรเนียมโลหะ ผลิตภัณฑ์ไฮโดรคาร์บอนฟลูออไรเดชันซึ่งเป็นสารประกอบที่แทนที่ไฮโดรเจนด้วยฟลูออรีนก็มีการใช้กันมากขึ้นเช่นกัน คุณสมบัติทางกายภาพคล้ายกับของไฮโดรคาร์บอน ยกเว้นว่าไม่ติดไฟและไม่ออกซิไดซ์ ฟลูออรีนยังใช้ในการผลิตสารพลาสติกที่เรียกว่าเทฟลอน ซึ่งเป็นโพลีเมอร์ไรซ์เตตราฟลูออโรเอทิลีน และฟรีออน ซึ่งเป็นไดฟลูออโรไดคลอโรมีเทนที่ใช้ในเทคโนโลยีทำความเย็น คลอรีนพื้นฐานมีคุณสมบัติใน การฟอกสี ดังนั้นจึงใช้ในอุตสาหกรรม สิ่งทอ และ การผลิตเซลลูโลส นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็น ยาฆ่าเชื้อในน้ำ ดื่มและเป็นวัสดุป้อนเข้าที่ใช้สำหรับการผลิตสารประกอบอนินทรีย์หลายชนิด รวมถึงคลอเรตหรือคลอโรฟอร์ม โบรเมียมถูกนำมาใช้ใน อุตสาหกรรมยา เนื่องจากโพแทสเซียมโบรไมด์เป็นยากล่อมประสาท นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการสังเคราะห์สีย้อมสังเคราะห์ เช่น ซิลเวอร์โบรไมด์ในการถ่ายภาพ หรือเป็นยากำจัดวัชพืชในรูปของเมทิลโบรไมด์ ในห้องปฏิบัติการ โบรมีนส่วนใหญ่จะทำหน้าที่เป็นสารออกซิแดนท์ โดยส่วนใหญ่อยู่ในสารละลายน้ำโบรมีน ไอโอดีนในรูปของทิงเจอร์ไอโอดีนซึ่งเป็นสารละลายไอโอดีนที่มีแอลกอฮอล์ใช้เป็น ยาฆ่าเชื้อ ในทางการแพทย์ นอกจากนี้ยังมีการนำไปประยุกต์ใช้มากมายใน เคมีวิเคราะห์ เช่น รีเอเจนต์ในไอโอโดเมทรี