17. skupine. dr.sc. M. Cetina, doc. Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Transcript

1 Elementi 17. skupine Elementi 17. skupine nazivaju se halogenim elementima (grč.-háls + génesis tvorac soli ). U prirodi se nalaze kao soli. Halogeni elementi su nemetali: fluor (F), klor (Cl), brom (Br), jod (I) i astat (At). Astat je radioaktivni element. Pri sobnoj temperaturi fluor je svijetložuti plin, klor žutozeleni plin, brom crvenosmeđa tekućina, a jod tamnoljubičasta krutina. Agregacijska stanja halogenih elemenata posljedica su porasta Londonovih sila duž skupine, a u elementarnom stanju nalaze se u obliku dvoatomnih molekula, X 2 (X X). Svi halogeni elementi imaju sedam valentnih elektrona: [X] ns 2 np 5. 1

2 Fizička svojstva halogenih elemenata Fluor Klor Brom Jod Agregacijsko stanje X 2 plinovito plinovito tekuće čvrsto Kovalentni polumjer / pm Ionski polumjer X / pm Talište / o C Vrelište / o C Elektronegativnost 4,0 3,2 3,0 2,7 E Θ / V: X 2 +2e 2 X 2,87 1,36 1,09 0,54 Kemijska svojstva halogenih elemenata Halogeni elementi su oksidacijska sredstva, a oksidacijska moć pada duž skupine odozgo prema dolje (vidi E Θ ), kao i koeficijent elektronegativnosti. Duž skupine odozgo prema dolje pada nemetalni i raste metalni karakter elemenata. Halogeni elementi tvore ionske spojeve s metalima i kovalentne s nemetalima. 2

3 U spojevima s metalima primanjem jednog elektrona stvaraju stabilan halogenidni ion, X (X = F,Cl,Br, I ). U spojevima s nemetalima manje elektronegativnosti grade kovalentne spojeve s jednostrukom σ-vezom (npr. HCl), a s nemetalima veće elektronegativnosti mogu tvoriti i više kovalentnih veza (npr. IF 7, HClO 3 ). Rasprostranjenost halogenih elemenata Fluor w =6, %; fluorit (CaF 2 ), kriolit (Na 3 AlF 6 ), fluorapatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 F) Klor w =5, %; Cl u morskoj vodi, halit (NaCl), silvin (KCl) Brom w =1, %; Br u morskoj vodi i slanim jezerima Jod w = 3, %; I u morskoj vodi, NaIO 3 u nalazištima salitre (NaNO 3 ) 3

4 Fluor Svijetložuti plin, F 2 (g), otrovan, izaziva opekline. lat. fluere teći Prvi je puta dobiven godine elektrolizom. Fluor je od svih tvari najjače oksidacijsko sredstvo (oksidira i kisik iz vode) i može se jedino dobiti elektrolizom otopine KF u bezvodnom HF, jer bezvodni HF ne provodi struju. F 2 nagriza gotovo sve metale osim nekih koji se prevlače zaštitnim slojem fluorida. Klor Žutozeleni plin, Cl 2 (g), otrovan grč. chloros žutozeleno Dobiva se elektrolizom vodene otopine natrijeva klorida: K( ): 2H 2 O+2e H 2 (g) + 2OH (aq) A(+): 2Cl (aq) Cl 2 (g) + 2e. Industrijski se dobiva i kao nusproizvod pri dobivanju metala kao npr. Na, Mg, Ca itd. 4

5 Brom Gusta tamnocrvena tekućina, Br 2 (l), otrovan, izaziva rane na koži. grč. bromos smrad Brom je samo djelomično topljiv u vodi. Dobiva se oksidacijom bromidnog iona klorom: 2Br (aq) + Cl 2 (g) Br 2 (l) + 2Cl (aq) Jod ljubičasta krutina metalnog sjaja grč. Ioides ljubičasto Jod sublimira Dobiva se oksidacijom jodidnog iona klorom: 2I (aq) + Cl 2 (g) I 2 (aq) + 2Cl (aq) 5

6 Laboratorijsko dobivanje klora, broma i joda Klor, brom i jod se laboratorijski mogu dobiti djelovanjem jakog oksidacijskog sredstva (MnO 2,KMnO 4,K 2 Cr 2 O 7 )na koncentriranu vodenu otopinu HCl(aq), HBr(aq), HI(aq). Npr. dobivanje klora reakcijom sa klorovodičnom kiselinom: MnO 2 (s) + 2Cl (aq) + 4H + (aq) Cl 2 (g) + Mn 2+ (aq) + 2H 2 O(l) 2MnO (c) + 10Cl (aq) + 16H (aq) 5Cl 2 (g) + 2Mn (aq) + 8H 2 O(l). Dobivanje klora, broma i joda 2KMnO 4 (c) + 16HCl(aq) 5Cl 2 (g) + 2MnCl 2 (aq) + 2KCl(aq) + 8H 2 O(l) Cl 2 (g) + 2KBr(aq) Br 2 (l) + 2KCl(aq) Cl 2 (g) + 2KI(aq) I 2 (aq) + 2KCl(aq) Cl 2 (g) + 2NaOH(aq) NaCl(aq) + NaClO(aq) + H 2 O(l). 6

7 Spojevi halogenih elemenata Halogeni elementi tvore svoje spojeve na više načina: Primanjem elektrona pri čemu nastaje halogenidni ion, X : X + e X Otpuštanjem elektrona, ali vrlo rijetko i samo u ekstremnim uvjetima (npr. ClNO 3 ): X X + +e Sparivanjem elektrona pri čemu nastaje σ-veza (X-Y). Halogeni elementi reagiraju sa svim elementima osim s He, Ne, Ar, dok Br 2 i I 2 ne reagiraju s plemenitim plinovima. Tvore spojeve u kojima im oksidacijski brojevi iznose od -1 do +7 (stabilniji su s neparnim oksidacijskim brojem), a jedino F samo spojeve s oksidacijskim brojem -1. Metalni halogenidi Halogenidi metala mogu se dobiti na različite načine: 1. Suhi postupak (za halogenide koji hidroliziraju, AlCl 3, SiCl 4 ): 2Al(s) + 3Cl 2 (g) 2AlCl 3 (s), dimer Al 2 Cl 6 (g). SiO 2 (s) + 2C(s) + 2Cl 2 (g) SiCl 4 (g) + 2CO(g). 2. Otapanjem metala, oksida ili hidroksida metala u kiselinama : Zn(s) + 2HCl(aq) ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) MgO(s) + 2HCl(aq) MgCl 2 (aq) + H 2 O(l) 7

8 3. Taloženjem: Pb 2+ (aq) + 2 I (aq) PbI 2 (s) 4. Neutralizacijom: NaOH(aq) + HBr(aq) NaBr(aq) + H 2 O(l) 5. Reakcijom odgovarajućih soli i halogenovodičnih kiselina: CaCO 3 (s) + 2HCl(aq) CaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(l). Halogenovodici Halogenovodici se dobivaju reakcijom vodika i halogenog elementa, s time da je intenzitet reakcija različit od F 2 do I 2 duž skupine: H 2 (g) + F 2 (g) 2HF(g) H 2 (g) + I 2 (s) 2HI(g) eksplozivna reakcija na sobnoj temperaturi spora reakcija. HF i HCl mogu se dobiti i djelovanjem j sumporne kiseline na odgovarajuće soli: CaF 2 (s) + H 2 SO 4 (aq) 2HF(g) + CaSO 4 (s) 2NaCl (s) + H 2 SO 4 (aq) 2HCl(g) + Na 2 SO 4 (s). 8

9 HBr i HI ne mogu se dobiti reakcijom sa H 2 SO 4 jer bi ona oksidirala Br ii do elemenata, Br 2 ii 2 : NaBr(s) + H 3 PO 4 (aq) HBr(g) + NaH 2 PO 4 (aq) NaI(s) + H 3 PO 4 (aq) HI(g) + NaH 2 PO 4 (aq). U vodenim otopinama daju kiseline. JAKOST KISELINA HF HCl HBr HI slaba kiselina jake kiseline Svojstva i nazivi halogenovodika HX(g) otapanjem u vodi daju jake jednoprotonske kiseline, asamohf(aq) je slaba kiselina: HX(g) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + X (aq). HF(aq) nagriza staklo te se zbog toga ne smije čuvati u staklenim bocama: SiO 2 (s) + 4HF(aq) SiF 4 (g) + 2H 2 O(l). Kiseline i naziv halogenovodičnih kiselina i njihovih soli HF(aq) fluorovodična (fluoridna) fluoridi HCl(aq) klorovodična (kloridna, solna) kloridi HBr(aq) bromovodična (bromidna) bromidi HI(aq) jodovodična (jodidna) jodidi. 9

10 Nazivi oksokiselina i njihovih soli Nazivi oksokiselina klora i njihovih soli: HClO - hipoklorasta kiselina hipokloriti HClO 2 - klorasta kiselina kloriti HClO 3 - klorna kiselina klorati HClO 4 - perklorna kiselina perklorati. Općenito se oksokiseline i njihove soli mogu dobiti otapanjem odgovarajućeg halogenog elementa u vodi ili otopini i hidroksida te daljnim disproporcioniranjemi i nastalog okso spoja ili elektrolizom halogenida i međusobnom reakcijom nastalih produkata. Otapanje klora u vodi i lužini Otapanjem klora u vodi opisuje sljedeća reakcija: Cl 2 (g) + 2H 2 O(l) H 3 O + (aq) + Cl (aq) + HClO(aq). Nastala HClO(aq) je nestabilna i raspada se na HCl(aq) i atomarni kisik. U lužnatom mediju dolazi do reakcije disproporcioniranja: Cl 2 (g) + 2NaOH(aq) NaCl(aq) + NaClO(aq) + H 2 O(aq). Zagrijavanjem otopine hipoklorita također dolazi do disproporcioniranja: 3ClO Δ (aq) ClO 3 (aq) + 2 Cl (aq). 10

11 Freoni Freoni su halogenirani derivati metana i etana, nisu otrovni, a kemijski su izuzetno inertni te se koriste kao otapala u elektroničkoj industriji i u uređajima za rashlađivanje. Freon je potisnut iz upotrebe jer razara ozonski omotač Zemlje koji štiti od štetnog UV zračenja iz Svemira. Freon 11 - CFCl 3 Freon 12 - CF 2 Cl 2 Freon 22 - CHF 2 Cl. Spojevi fluora Upotreba halogenih elemenata i njihovih spojeva koriste se za proizvodnju Teflon -a koji je poli(tetrafluoreten), (-CF 2 -CF 2 -) n, a dobiva se polimerizacijom tetrafluoretena CF 2 =CF 2. Teflon je kemijski inertan i stabilan pri visokim temperaturama. koristi se za proizvodnju freona iako se iz ekoloških razloga njihova primjena izbjegava. a Različiti organski fluorovi spojevi koriste se u farmaceutskoj industriji itd. 11

12 Upotreba halogenih elemenata i njihovih spojeva Klor i spojevi klora NaCl se koristi u prehrambenoj industriji (kuhinjska sol), farmaceutskoj i kemijskoj industriji i kao sirovina za različite spojeve klora. Cl 2 (aq), NaClO(aq) i klorno vapno, Ca(ClO)Cl(aq), koriste se za dezinfekciju vode Ugljikov(IV) klorid, CCl 4 (l), i trikloreten, CHCl=CCl 2 (l), trgovačkog imena trikloretilen koriste se kao sredstva za otapanje masnoća, između ostalog i na tekstilnom materijalu. HCl(g) i HCl(aq) se koriste u kemijskoj, farmaceutskoj industriji itd. NaClO 3 se koristi kao herbicid, dok se KClO 3 koristi u pirotehnici itd. Natrijev hipoklorit koristi se u tekstilnoj industriji za bijeljenje celuloznih materijala. Jod i spojevi joda I 2 (s) se koristi za jodiranje kuhinjske soli (nedostatak I 2 izaziva gušavost).. Spojevi I 2 koriste se u farmaceutskoj industriji, otopina joda u etanolu koristila se u medicini za dezinfekciju (jodna tinktura) itd. 12