HALOGENI ELEMENTI HALOGENI ELEMENTI. Elektronska konfiguracija ns 2 np 5

Transcript

1 17. grupa Periodnog sistema elemenata. Zajednički simbol X. Ne nalaze se u prirodi u elementarnom stanju (zbog velike reaktivnosti), već u obliku: F minerala fluorita (CaF 2 ) Cl minerala halita (NaCl) i Cl -jona u morskoj vodi Br Br -jona u prirodnim vodama I I -jona u prirodnim vodama, Ca(IO 3 ) 2 i NaIO 3 uz čilsku šalitru (NaNO 3 ) Elektronska konfiguracija ns 2 np 5 Najreaktivniji elementi u PSE za postizanje stabilne elektronske konfiguracije narednog plemenitog gasa potreban je samo 1 e. U odgovarajućoj periodi imaju najveće vrednosti energije jonizacije i elektronegativnosti, kao i najveći afinitet prema elektronu. Jaka oksidaciona sredstva. Reaktivnost i oksidaciona sposobnost opadaju u grupi, sa porastom Z. E ө : F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

2 U elementarnom stanju javljaju se kao dvoatomski molekuli X 2. Fluor gas, svetložute boje Hlor gas, zelenožute boje Brom tečnost, smeđe boje Jod čvrsta supstanca, tamnoljubičaste boje, metalnog izgleda Astat radioaktivni element, vrlo redak Sa porastom veličine molekula i broja elektrona, raste polarizabilnost molekula i time jačina međumolekulskih (Londonovih) sila: rastu temperature topljenja (t m ) i ključanja (t b )u grupi, F 2 i Cl 2 su gasovi, Br 2 je tečan, a I 2 čvrst. Element Relativna veličina t m, o C t b, o C Agregatno stanje F g Cl g Br l I s

3 Dobra rastvorljivost u organskim rastvaračima (mogućnost ekstrakcije iz vode). Mala rastvorljivost u vodi rastvori se nazivaju hlorna, bromna i jodna voda, a koriste se kao zamena za elementarne halogene. I 2 u: CHCl 3 H 2 O H 2 O (+ skrob) Dokazna reakcija (sa skrobom gradi adiciono jedinjenje plave boje) Pri rastvaranju u vodi dolazi do disproporcionisanja halogena: X 2 + H 2 O H + + X + HXO (X = Cl, Br, I) Cl 2 + H 2 O H + + Cl + HClO DISPROPORCIONISANJE I 0 I HCl Cl 2 HClO 0 +e Cl I Cl e Cl 0 I Cl SINPROPORCIONISANJE

4 Uz zagrevanje, HXO dalje disproporcioniše: Fluor, F 2 I I V 3HXO 2X + XO 3 + 3H + Zbog malih dimenzija atoma i F -jona, specifičan je kao: najreaktivniji element (superhalogen) najelektronegativniji element (χ = 4,0) najjače poznato oksidaciono sredstvo (najveća vrednost E ө ) U molekulu F 2, slobodni elektronski parovi na susednim atomima se nalaze blizu i međusobno odbijaju, što čini F-F vezu slabijom nego što je očekivano. Energija veze, kj mol 1 F Cl Br I Reaguje sa vodom na sobnoj t i oksiduje je: 2F 2 (g) + 2H 2 O(l) O 2 (g) + 4HF(aq) Jod, I 2 Veliki napon pare u čvrstom stanju zbog čega sublimuje (s g). Zagrevanje Kristali joda

5 DOBIJANJE I PRIMENA Fluor, F 2 Dobija se elektrolizom rastopa soli. Koristi se za dobijanje: UF 6 u proizvodnji goriva za nuklearne reaktore fluorida monomera za sintezu teflona, politetrafluoroetena (PTFE), (CF 2 CF 2 ) n Hlor, Cl 2 U laboratoriji se dobija reakcijom između jakih oksidacionih sredstava (MnO 2, PbO 2, MnO 4, Cr 2 O 7 2 ) i koncentrovane HCl: MnO 2 (s) + 4H + (aq) + 2Cl (aq) Cl 2 (g) + Mn 2+ (aq) + 2H 2 O(l) U industriji se dobija elektrolizom rastvora ili rastopa soli. DOBIJANJE I PRIMENA Elektroliza rastvora NaCl NaCl Cl 2 H 2 Anoda (+): 2Cl Cl 2 + 2e Katoda ( ): 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH 2Cl (aq) + 2H 2 O(l) Cl 2 (g) + H 2 (g) + 2OH (aq) Membrana propustljiva samo za jone, čime se održava elektroneutralnost u ćeliji. Lakša je redukcija vode (E ө = 0,83 V) nego Na + -jona (E ө = 2,71 V). Rastvor oko katode postaje jako bazan uparavanjem se dobija NaOH. Svi dobijeni proizvodi (Cl 2, H 2 i NaOH) su važne sirovine za hemijsku industriju.

6 RAZLIKA IZMEĐU ELEKTROHEMIJSKE I ELEKTROLITIČKE ĆELIJE e e ANODA ( ) KATODA (+) Elektrohemijska ćelija: spontana redoks reakcija stvara se električna energija anoda je negativna elektroda (katoda je pozitivna) ANODA (+) KATODA ( ) Elektrolitička ćelija: redoks reakcija nije spontana troši se električna energija anoda je pozitivna elektroda (katoda je negativna) DOBIJANJE I PRIMENA Hlor se koristi: u proizvodnji hlorovanih organskih jedinjenja (npr. PVC) u proizvodnji HCl i hlorida kao sredstvo za beljenje kao sredstvo za dezinfekciju kao sredstvo za hlorisanje vode za piće Brom, Br 2 Dobija se oksidacijom bromida (iz prirodnih voda) pomoću hlora: Cl 2 (g) + 2Br (aq) 2Cl (aq) + Br 2 (l) Koristi se za proizvodnju organskih jedinjenja koja su: pesticidi usporivači gorenja benzinski aditivi

7 DOBIJANJE I PRIMENA Jod, I 2 Dobija se oksidacijom jodida (iz prirodnih voda) pomoću hlora: Cl 2 (g) + 2I (aq) 2Cl (aq) + I 2 (s) Koristi se: za proizvodnju organskih jedinjenja kao sredstvo za dezinfekciju (jodna tinktura) Ulazi u sastav hormona štitne žlezde, pa njegov nedostatak dovodi do uvećanja štitne žlezde. Zbog toga se kuhinjskoj soli dodaje KI ili NaI jodirana so. Oksidacioni brojevi: najčešće I (F isključivo), I, III, V, VII Halogenovodonici, HX Gasovite supstance, izuzev HF: HF je tečnost sa visokom t b (20 o C) zbog jakih vodoničnih veza molekuli HF povezani H-vezama obrazuju planarne cik-cak lance

8 Halogenovodonici se dobijaju: iz halogenida dejstvom kiseline koncentrovana H 2 SO 4 se koristi za dobijanje HF i HCl CaF 2 (s) + H 2 SO 4 (konc.) 2HF(g) + CaSO 4 (s) slabija kiselina (H 3 PO 4 ) se koristi za dobijanje HBr i HI jer bi konc. H 2 SO 4 oksidovala halogenid-jone do halogena direktnom sintezom iz elemenata (izuzetak HF) H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl(g) Rastvaranjem halogenovodonika (HX, g) u vodi nastaju halogenovodonične kiseline (HX, aq). Halogenovodonične kiseline, HX(aq) HCl, HBr, HI jake kiseline: HX(g) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + X (aq) K a > 10 3 Jačina kiselina raste u nizu: HCl < HBr < HI, jer opada jačina veze. HF slaba kiselina: H F H Cl H Br H I Energija veze, kj mol HF(g) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + F (aq) K a = 1,1 10 3

9 HF je veoma korozivna, iako je slaba kiselina: Jedina kiselina koja rastvara SiO 2 i staklo. SiO 2 (s) + 4HF(aq) SiF 4 (g) + 2H 2 O(l) Reakcija je favorizovana zbog nastanka gasovitog SiF 4. Halogenidi, X Soli halogenovodoničnih kiselina. Skoro svi elementi grade halogenide: veze su u rasponu od jonskih do kovalentnih. Većina jonskih halogenida (hlorida, bromida i jodida) je dobro rastvorljiva u vodi, a većina fluorida je nerastvorljiva. Zbog porasta kovalentnog karaktera veze, rastvorljivost halogenida opada u nizu: MCl n > MBr n > MI n Halogenidi srebra (AgCl, AgBr i AgI) su nerastvorni (slabo rastvorni) u vodi pa je dokazna reakcija za halogenid-jone: Ag + (aq) + X (aq) AgX(s) Rastvorljivost opada u nizu: AgCl > AgBr > AgI K s (AgCl) > K s (AgBr) > K s (AgI) 1, > 3, > 1, Rastvorljivost fluorida je obično različita od rastvorljivosti ostalih halogenida: AgF je rastvoran u vodi. Halogenidi se dobijaju: dejstvom HX(aq) na metale, okside, hidrokside ili karbonate direktnom sintezom iz elemenata 2Fe(s) + 3Cl 2 (g) 2FeCl 3 (s) P 4 (s) + 6Cl 2 (g) 4PCl 3 (l)

10 Oksidi hlora Binarna jedinjenja sa kiseonikom nisu tipična za halogene elemente, a većina je nestabilna i čak eksplozivna. Najznačajniji su oksidi hlora: Cl 2 O, hlor(i)-oksid ClO 2, hlor(iv)-oksid Gasovite supstance sa izraženim oksidacionim svojstvima, zbog čega se koriste kao sredstva za beljenje i dezinfekciju (hlorisanje) vode umesto hlora. Cl 2 O je dobro rastvoran u vodi i ponaša se kao anhidrid hipohloraste kiseline: Cl 2 O(g) + H 2 O(l) 2HClO(aq) Kiseonične kiseline i njihove soli Oksidacioni broj X I III V VII Formula kiseline HXO HXO 2 HXO 3 HXO 4 Naziv kiseline Hipohalogenasta Halogenasta Halogena Perhalogena Naziv soli Hipohalogeniti Halogeniti Halogenati Perhalogenati HClO HIPOHLORASTA (hipohloriti, ClO ) X = Cl HClO 2 HLORASTA (hloriti, ClO 2 ) HClO 3 HLORNA (hlorati, ClO 3 ) HClO 4 PERHLORNA (perhlorati, ClO 4 )

11 Kiseonične kiseline (ili oksokiseline) i anjoni imaju tetraedarski raspored atoma kiseonika i slobodnih elektronskih parova oko X. Građa molekula i jona: ClO ClO savijena 2 2 savijena ClO ClO 3 trougaona 3 piramida ClO ClO tetraedar 4 4 Jačina kiseoničnih kiselina raste sa porastom oksidacionog broja X: K a (HClO) < K a (HClO 2 ) < K a (HClO 3 ) < K a (HClO 4 ) 3, <1, <10 3 <10 10 Prema Polingovom pravilu, jačina kiseonične kiseline je proporcionalna razlici između broja atoma O (b) i broja atoma H (a) u formuli kiseline (H a XO b ): Oksidacioni broj X I III V VII Formula kiseline HXO HXO 2 HXO 3 HXO 4 b a Jačina kiseline vrlo slaba slaba jaka vrlo jaka Za isti oksidacioni broj X, jačina kiseoničnih kiselina raste u nizu: I < Br < Cl HClO 4 je jedna od najjačih kiselina.

12 Oksidacioni broj broj II Hipohalogenaste kiseline (HXO) se dobijaju rastvaranjem halogenih elemenata u vodi, pri čemu dolazi do disproporcionisanja halogena: X 2 + H 2 O H + + X + HXO Uvođenjem halogena u rastvor baze takođe dolazi do disproporcionisanja, a nastaju hipohalogeniti: X 2 + 2OH XO + X + H 2 O Hipohlorasta kiselina nastaje i rastvaranjem Cl 2 O u vodi. HClO i njene soli (npr. NaClO) su oksidaciona sredstva i koriste se kao sredstva za dezinfekciju i beljenje ( varikina, Domestos): 2HClO(aq) + 2H + (aq) + 2e Cl 2 (g) + 2H 2 O(l) ClO (aq) + H 2 O(l) + 2e Cl (aq) + 2OH (aq) E ө = 1,61 V E ө = 0,84 V Ne smeju da se mešaju sa drugim sredstvima za čišćenje. U prisustvu H + -jona, ClO -jon gradi HClO, a zatim dolazi do reakcije sinproporcionisanja i izdvajanja toksičnog hlora: HClO + H + + Cl Cl 2 + H 2 O Oksidacioni broj broj V Halogenati nastaju uvođenjem halogena u vreli rastvor baze, pri čemu dolazi do disproporcionisanja: 3X 2 + 6OH XO 3 + 5X + 3H 2 O U kiseloj sredini, halogenati su jaka oksidaciona sredstva i oksiduju halogenide do halogena u reakciji sinproporcionisanja: XO 3 + 5X + 6H + 3X 2 + 3H 2 O

13 Hlorati alkalnih metala se razlažu pri žarenju: 400 4KClO o C 3 KCl + 3KClO 4 U prisustvu katalizatora, pri termičkom razlaganju nastaje kiseonik (laboratorijsko dobijanje O 2 ): t, katalizator 2KClO 3 2KCl + 3O 2 KClO 3 se koristi: kao oksidaciono sredstvo u proizvodnji šibica i pirotehničkih sredstava Oksidacioni broj broj VII VII HClO 4 najjača neorganska kiselina i izuzetno jako oksidaciono sredstvo: u kontaktu sa organskim supstancama eksplodira. Najznačajnija so perhlorne kiseline je NH 4 ClO 4. Koristi se kao sastojak raketnog goriva: 70% NH 4 ClO 4, ostatak je prah Al. Space Shuttle tokom leta potroši 700 t NH 4 ClO 4. Iznad 200 o C se razlaže uz oslobađanje velike količine gasova i toplote (može dovesti do eksplozije): 2NH 4 ClO 4 (s) N 2 (g) + Cl 2 (g) + 2O 2 (g) + 4H 2 O(g)