【卤素】卤素的作用及原因

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【答案】 卤素,卤族元素的简称,是元素周期表上的第ⅦA族元素(IUPAC新规定：17族).
　　　　由于卤素可以和很多金属形成盐类,因此英文卤素（halogen）来源于希腊语halos（盐）和gennan（形成）两个词.在中文里,卤的原意是盐碱地的意思.
　　　　卤素分子拥有国际统一的命名和命名方式,比如根据国际通用的IUPAC原则：
　　　　CH3
　　　　|
　　　　CH2
　　　　|
　　　　CH3-C-Cl
　　　　|
　　　　CH3-CH2-CH-(CH2)6-CH3
　　　　可命名为：（Chloro-1,methyl-1,propyl)-2,decane
　　　　卤素的物理、化学特性
　　　　通常来说,液体卤素分子的沸点均要高于它们所对应的烃链(alcane).这主要是由于卤素分子比烃链更加电极化,而分子的电极化增加了分子之间的连接力（正电极与负电极的相互吸引）,这使我们需要对液体提供更多的能量才能使其蒸发.
　　　　卤素的物理特性和化学特性明显区分与于它对应的烃链的主要原因,在于卤素原子（如F,Cl,Br,I)与碳原子的连接,即C-X的连接,明显不同于烃链C-H连接.
　　　　* 由于卤素原子通常具有较大的负电性,所以C-X连接比C-H连接更加电极化,但仍然是共价键.
　　　　* 由于卤素原子相较于碳原子,通常体积和质量较大,所以C-X连接的偶极子矩（Dipole Moment)和键能量（Bonding Energy)远大于C-H,这些导致了C-X的连接力（Bonding strength)远小于C-H连接.
　　　　* 卤素原子脆弱的p轨道（Orbital）与碳原子稳定的sp3轨道相连接,这也大大降低了C-X连接的稳定性.
　　　　位于元素周期表右方的卤族元素是典型的非金属.卤素的电子构型均为ns2np5,它们获取一个电子以达到稳定结构的趋势极强烈.所以化学性质很活泼,自然状态下不能以单质存在,一般化合价为-1价,即卤离子（X-）的形式.
　　　　卤素单质都有氧化性,氧化性从氟到碘依次降低.碘单质氧化性比较弱,三价铁离子可以把碘离子氧化为碘.
　　　　卤素单质在碱中容易歧化,方程式为：
　　　　3X2 + 6OH- = 5X- + XO3- + 3H2O
　　　　但在酸性条件下,其逆反应很容易进行：
　　　　5X- + XO3- + 6H+ = 3X2 + 3H2O
　　　　这一反应是制取溴和碘单质流程中的最后一步.
　　　　卤素的氢化物叫卤化氢,为共价化合物；而其溶液叫氢卤酸,因为它们在水中都以离子形式存在,且都是酸.氢氟酸一般看成是弱酸,pKa=3.20.氢氯酸（即盐酸）、氢溴酸、氢碘酸都是化学中典型的强酸,它们的pKa均为负数,酸性从HCl到HI依次增强.
　　　　卤素可以显示多种价态,正价态一般都体现在它们的含氧酸根中：
　　　　+1: HXO（次卤酸）
　　　　+3: HXO2（亚卤酸）
　　　　+5: HXO3（卤酸）
　　　　+7: HXO4（高卤酸）
　　　　卤素的含氧酸均有氧化性,同一种元素中,次卤酸的氧化性最强.
　　　　卤素的氧化物都是酸酐.像二氧化氯（ClO2）这样的偶氧化态氧化物是混酐.
　　　　只由两种不同的卤素形成的化合物叫做互卤化物,其中显电正性的一种元素呈现正氧化态,氧化态为奇数.这是由于卤素的价电子数是奇数,周围以奇数个其它卤原子与之成键比较稳定(如IF7).互卤化物都能水解.
　　　　卤素的有机化学反应
　　　　在有机化学中,卤族元素经常作为决定有机化合物化学性质的官能团存在.
　　　　氯的存在范围最广,按照氟、溴、碘的顺序减少,砹是人工合成的元素.卤素单质都是双原子分子,都有很强的挥发性,熔点和沸点随原子序数的增大而增加.常温下,氟、氯是气体、溴是液体,碘是固体.
　　　　卤素最常见的有机化学反应为亲核性取代反应(nucleophilic substitution).
　　　　通常的化学式如：
　　　　Nu:- + R-X ----> R-Nu + X-
　　　　Nu:-在这里代表亲核负离子,离子的亲核性越强,则产率和化学反应的速度越可观.
　　　　X在这里代表卤素原子,如F,Cl,Br,I,若X-所对应的酸(即HX)为强酸,那么产率和反应的速度将非常可观,如果若X-所对应的酸为弱酸,则产率和反应的速度均会下降.
　　　　在有机化学中,卤族元素经常作为决定有机化合物化学性质的官能团存在.卤素的有机化学反应
　　　　卤素的制成
　　　　* 从一个未饱和烃链制作卤素为最简单的方式,通过加成反应,如：
　　　　CH3-CH2-CH=CH2 + HBr ----> CH3-CH2-CH(Br)-CH3
　　　　不需要催化剂的情况下,产率90%以上.
　　　　* 如果希望将Br加在烃链第一个碳原子上,可以使用Karasch的方式：
　　　　CH3-CH2-CH=CH2 + HBr ----> CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
　　　　催化剂：H2O2
　　　　产率90%以上.
　　　　* 从苯制作卤素泽必须要通过催化剂,如：
　　　　C6H6 + Br2 ----〉 C6H5-Br
　　　　催化剂：FeBr3或者AlCl3
　　　　产率相当可观.
　　　　* 从酒精制作卤素,必须通过好的亲核体,强酸作为催化剂以提高产率和速度：
　　　　CH3-CH2-CH2-CH2-OH + HBr <----> CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
　　　　注意此反应为平衡反应,故产率和速度有限.
　　　　ⅦA 族元素包括氟（ F ）、氯 (Cl) 、溴（ Br ）、碘（ I ）、砹（ At ）,合称卤素.其中砹（ At ）为放射性元素,在产品中几乎不存在,前四种元素在产品中特别是在聚合物材料中以有机化合物形式存在.目前应用于产品中的卤素化合物主要为阻燃剂： PBB , PBDE , TBBP-A , PCB ,六溴十二烷,三溴苯酚,短链氯化石蜡；用于做冷冻剂、隔热材料的臭氧破坏物质： CFCs 、 HCFCs 、 HFCs 等.
　　　　危害：在塑料等聚合物产品中添加卤素（氟,氯,溴,碘）用以提高燃点,其优点是：燃点比普通聚合物材料高,燃点大约在 300℃ .燃烧时,会散发出卤化气体（氟,氯,溴,碘）,迅速吸收氧气,从而使火熄灭.但其缺点是释放出的氯气浓度高时,引起的能见度下降会导致无法识别逃生路径,同时氯气具有很强的毒性,影响人的呼吸系统,此外,含卤聚合物燃烧释放出的卤素气在与水蒸汽结合时,会生成腐蚀性有害气体（卤化氢）,对一些设备及建筑物造成腐蚀.
　　　　PBB , PBDE , TBBPA 等溴化阻燃剂是目前使用较多的阻燃剂,主要应用在电子电器行业,包括：电路板、电脑、燃料电池、电视机和打印机等等.
　　　　这些含卤阻燃剂材料在燃烧时产生二恶英,且在环境中能存在多年,甚至终身累积于生物体,无法排出.
　　　　因此,不少国际大公司在积极推动完全废止含卤素材料,如禁止在产品中使用卤素阻燃剂等.
　　　　目前对于无卤化的要求,不同的产品有不同的限量标准：
　　　　如无卤化电线电缆其中卤素指标为：所有卤素的值 ≦50PPM
　　　　(根据法规 PREN 14582) ;燃烧后产生卤化氢气体的含量＜100PPM
　　　　(根据法规 EN 5067-2-1) ;燃烧后产生的卤化氢气体溶于水后的 PH 值 ≧4.3( 弱酸性 )
　　　　(根据法规 EN-5 0267-2-2);产品在密闭容器中燃烧后透过一束光线其透光率 ≧60%
　　　　(根据法规 EN-50268-2) .