A halogének

A halogének a periódusos rendszer VII-es főcsoportjában, (IUPAC szerinti 17-es csoportjában) található elemek. A fluor (F), klór (Cl), bróm (Br), jód (I), asztácium (At) és az ununszeptium (Uus) tartozik ebbe a csoportba. A halogén szó jelentése: sóképző.

Az asztácium elektronszerkezete miatt már a félfémek közé is besorolható, nem túl jelentős, radioaktív elem. Az ununszeptiumot 2009. októberében sikerült először előállítani az oroszországi Dubnában. (Mindössze 6 atomot sikerült kimutatni.)


Elnevezésüket a görög sóképző szóból kapták, mivel fémekkel sókat hoznak létre. Elemi állapotban kétatomos molekulákat alkotnak. A magas reakciókészségük miatt a természetben csak vegyületként, főleg ionként találhatóak meg. Mivel külső elektronhéjukról csak egy elektron hiányzik a telített állapot (nemesgázszerkezet) eléréséhez, általában elektron felvétele során lépnek reakcióba (oxidálószerek). Az így létrejövő egyszeres negatív töltésű ionjaikat halogenid-ionoknak nevezzük, ezek sóit pedig halogenideknek. A halogenid-ionok megtalálhatóak sok ásványban és a tengervízben is.

Vegyértékhéjuk ns2np5 konfigurációjú, azaz hét külső elektronnal rendelkeznek. A fluor a legnagyobb elektronegativitású elem, elektronegativitása Pauling skálán 4, vegyületeiben oxidációs száma mindig -1. A többi halogénelem oxidációs száma vegyületeikben leggyakrabban -1, +1, +3, +5 vagy +7. A klórnak és a brómak +4-es és +6-os oxidációs számú vegyületei is léteznek (egyes oxidok). A vegyületeiket oxidációs számuk alapján tehát halogenidekre (-1) és halogenátokra (+1, +3, +5, +7) oszthatjuk fel. A halogének az elemek legreakcióképesebb, legpozitívabb standardpotenciálú csoportja, emiatt főként oxidáló hatásúak a reakciók során. Ez a hatás a F → I irányában csökken. Emiatt egy halogén a periódusos rendszerben alatta lévőt képes ionvegyületeiből elemi állapotúvá oxidálni.

Cl2 + 2NaBr → Br2 + 2NaCl

A halogének egymással alkotott vegyületeit interhalogéneknek nevezzük. A fluort kivéve oxidjaik savanhidridnek tekinthetők, belőlük oxosavak származtathatók. Például a diklór-monoxid a hipoklórossav, a diklór-heptaoxid a perklórsavanhidridje, a klór-dioxid a klórossav és a klórsav vegyes anhidridjének tekinthető. 

Elemei kétatomos molekuláinak halmaza, melyek apolárisak, de könnyen polarizálhatóak. Ez összhangban van a diszperziós kölcsönhatás erősségével, mely fentről lefelé növekszik és így meghatározza a halmazállapotukat is. Hidrogénvegyületeik erősen polárisak, melyek vizes oldatai erős savi tulajdonságokat mutatnak. 

  • olvadáspontjuk, forráspontjuk és sűrűségük a csoportban lefelé haladva nő,
  • szobahőmérsékleten a fluor és a klór gáz, a bróm folyékony, a jód szilárd halmazállapotú,
  • elektronegativitásuk nagy, ami a csoporton belül lefelé haladva csökken,
  • a legerősebb oxidáló tulajdonságú elemek, ez a tulajdonságuk a csoporton belül lefelé haladva csökken,
  • vízben oldódnak (a fluor még a víz oxigénjét is képes oxidálni, miközben reakcióba lép a vízzel).
  • látható fénnyel gerjeszthetőek

A természetben elsősorban a tengervízben, ásványvizekben fordulnak elő vegyületeik. Jelentősek a nátriummal alkotott sóik, a nátrium-halogenidek (például: NaF rovarirtószer).

 

A fluor

A fluor (régies magyar nevén folyany) a halogének csoportjába tartozó kémiai elem, a vegyjele F és a rendszáma 9. A fluor kétatomos molekulaként fordul elő elemi állapotban (F2); ez a legreaktívabb és legelektronegatívabb az összes elem közül.

Az elemi fluor erősen maró, halványsárga színű gáz. Erős oxidálószer, könnyen reagál a legtöbb elemmel, még a nemesgázokkal (kripton, xenon és radon) is. A hidrogénnel hidegen, sötétben is robbanásszerűen reagál. A nedves levegőben reagál a vízzel; a vízgőz fluor áramban fényes lánggal ég, és a veszélyes hidrogén-fluorid (más néven folysav) (HF) keletkezik. Nagy reaktivitása miatt a természetben csak vegyületekben fordul elő. Megtámadja a szilícium-dioxidot, ezért nem lehet előállítani és tárolni üvegedényekben, hanem speciális védőréteggel (fluorozott szénhidrogénnel) ellátott kvarcpalackban tárolják. Egyes fémeket (réz, nikkel) nem támadja meg a száraz, hideg fluorgáz, mert a felületen ellenálló fluoridréteg keletkezik. Melegítés hatására a fluor reagál a legtöbb fémmel, még az arany és a platina sem tud ellenállni.

A természetben vegyület formájában található. Fontosabb ásványai:

  • fluorit CaF2 vagy folypát,
  • kriolit Na3AlF6,
  • fluorapatit Ca5(PO4)3F.

Az egyetlen iparilag is alkalmazott előállítási módszere a kálium-fluorid (KF) száraz hidrogén-fluoridos (HF) oldatának elektrolízise. Az oldatban a fluor mint difluorid ion van jelen (KHF2). Az elektrolízist réz- vagy nikkeledényekben végzik, melyek egyben a katódot képezik, és ahol keletkezik a fluor, és a grafitanódnál hidrogén fejlődik. A 

Az elemi fluor, a fluor-hidrogén és a vízben oldódó szervetlen fluoridok, nagyon mérgezők és maró hatásúak. Ezért nagy elővigyázattal kell kezelni és kerülni, hogy a bőrre vagy a szembe kerüljenek. Mint említettük a fluor nagyon reaktív és szerves anyaggal érintkezvén, ebből hidrogént von el és hidrogén-fluorid (HF) keletkezik, ez az első lépés a bőr roncsolásában. A keletkezett HF, ellentétben más erős savakkal, a bőrfelületben egyre mélyebbre hatol, és ez a második és veszélyesebb lépés a bőr roncsolásában. Ezt még fokozza az is hogy az idegvégződések is károsodnak és az első fázisokban az égés fájdalom mentes. A hidrogén-fluorid reagálhat a csont kalciumával és idült csontkárosodást okoz. Ennél veszélyesebb, a szervezetben lévő kalcium megkötése, ami szívritmuszavart okoz és szívmegállás következhet be. Ha a HF a bőrfelület 2,5%-át érinti (ez kb. 23 cm2) és nem mossák le azonnal bő vízzel, a sebesült nyílt, nehezen gyógyuló sebeket szerez, ha még sikerül is túlélni a balesetet.

  • Fluorra ipari mennyiségben szükség volt az atombomba kivitelezésénél a második világháború idején. A természetes urán kis mennyiségben tartalmaz láncreakcióra képes 235U izotópot, és nagy mennyiségben 238U izotópot. Az izotópok elválasztása elég nehéz művelet, mivel legtöbb tulajdonságuk megegyezik. Urán esetében urán-hexafluoridot (UF6) állítottak elő, amit felhevítve elpárologtattak, és ezt egy speciális rácson diffundáltatták. Az 235U fluoridja gyorsabban diffundál, és így „dúsított uránt” lehetett előállítani. Az újabb eljárás ugyancsak UF6 használ, de diffúzió helyett speciális centrifugálást alkalmaz.
  • A félvezető ipar és az új nanotechnológia maratásra használja a fluorplazmát.
  • Egyes eljárások használják a hidrogén-fluoridot matt üveg előállítására (marja az üveget).
  • Fluorozott polimereket használnak mint tapadásgátló bevonatokat: teflon.
  • A hűtőgépek még használják a freonokat mint hőszállító közeget. A freonok az ózon ellenségei, és ezért mind kevésbé használják. A freon negatív hatásáért nem a fluor a felelős, hanem a klór.
  • Az egészségügyben a fluor jelen van egyes érzéstelenítőkben, antibiotikumokban, gombaölőszerekben, adalékként egyes fogpasztákban mint fogszuvasodást gátló szer.
  • A nátrium-fluoridot mint rovarirtót és patkányirtót használják.
  • A hatvanas években kísérletek folytak a fluornak rakétaüzemanyagként történő alkalmazására. Mérgező és maró hatása miatt a kutatások abbamaradtak.

 

A klór

klór (régi magyar nevén: halvany) a periódusos rendszer egy kémiai elemeVegyjele Clrendszáma 17. A VII. főcsoportba, a halogének közé tartozik. Erősen mérgező, a szerves anyagokat – így az emberi szöveteket is – erősen roncsolja, oxidálja. Szúrós szagú, zöldes-sárga színű gáz, melyet kétatomos, apoláris klórmolekulák (Cl2) alkotnak. Reakciókészsége nagy, csaknem minden elemmel reagál. Egy elektron felvételével éri el a nemesgáz-szerkezetet. Vízben viszonylag jól oldódik (standard oldhatósága 641mg/100g víz), mivel kémiailag is reagál a vízzel. A levegőnél nagyobb sűrűségű. Olvadás- és forráspontja alacsony. Elektronegativitása 3. Vegyületeiben lehet 1, 3, 5, és 7 vegyértékű.

Rendkívül reakcióképes, a legtöbb elemet, vegyületet oxidálni képes. Hidrogénnel elegyítve klórdurranógázt alkot, mely hő vagy fény hatására robbanással reagál, a folyamat láncmechanizmusú. 

H2 + Cl2 → 2HCl

Vízben oldva diszproporcionálódik, az egyensúlyi folyamat során sósav és hipoklórsav képződik. A keletkezett hipoklórsav tovább bomlik, mely során naszcensz oxigén képződik. Emiatt a klóros víz rendkívül hatékony fertőtlenítő hatással bír. Az oldódás még hatékonyabb, ha a víz alkáli hidroxidot is tartalmaz, így készül a hypo (NaOCl).

Cl2 + H2is in equilibrium with HCl + HClO

HClO → HCl + ‚O’

Fontosabb vegyülettípusai az oxidációs állapot szerint:  

Oxidációs 
állapot
Név

Képlet

Jellemző vegyületek
-1 kloridok Cl-
ionos kloridok, szerves kloridok, sósav
0 klór Cl2 elemi klór
1 hipokloritok ClO-
nátrium-hipoklorit
3 kloritok ClO2- nátrium-klorit
4 klór (IV) ClO2 klór-dioxid
5 klorátok ClO3-  kálium-klorát 
6 klór (VI) Cl2O6 diklór-hexoxid. 
7 perklorátok ClO - 
4
perklórsav

 

A legtöbb fémmel, félfémmel gyakran reagál. Ha a fémeket előtte felhevítjük, akkor a reakció heves, fényjelenséggel jár.

Na + Cl2 → 2NaCl

Mg + Cl2 → MgCl2

Cu + Cl2 → CuCl2

2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3 

A folyamat során a redukáló hatású fémek az oxidáló hatású klórral fém-klorid sókat képeznek. Fontos megjegyezni, hogy a vas a klór oxidáló hatása miatt vörösesbarna vas(III)-ionná oxidálódik, nem pedig vas(II)-ionná. A pozitív standardpotenciálú fémeket az elemi klór nem támadja meg, a naszcensz klór viszont kémiailag oldja ezeket a fémeket.

Nemfémes elemekkel is redoxireakcióban reagál. A vörösfoszforral annak trikloridjává alakul.

2P + 3Cl2 → 2PCl

Nátrium-hidroxiddal egyensúlyi reakcióban lép kölcsönhatásba, a folyamat eredményeképpen keletkezett nátrium-hipoklorit bomlása szintén naszcensz oxigén felszabadulással jár, emiatt erélyes oxidáló, fertőtlenítő hatású. Ez a vegyület az alapanyaga a háztartásban használatos hyponak is. 

Cl2 + NaOH is in equilibrium with NaCl + NaOCl + H2O

A hypo nem használható együtt sósavval, mert klórgáz szabadul fel. A folyamat redoxi szempontból diszproporció (a hipokloritban a klór +1, a hidrogén-kloridban -1, míg az elemi klórban 0 oxidációs számmal szerepel)

NaOCl + 2HCl → NaCl + H2O + Cl2

 

Előfordulása

Nagy reakciókészsége miatt elemi állapotban nem fordul elő (vulkáni gázokat alkothatja). Vegyületei (elsősorban a kloridok) gyakoriak és nagy jelentőségűek.

Előállítás

Sósav oxidálásával, ahol a (-1)-es kloridból elemi klór szabadul fel

4 HCl + O2 → 2 H2O + Cl2

2 KMnO4 + 16 HCl → 2 KCl + 2 MnCl2 + 8 H2O + 5Cl2

4 HCl + MnO2 → MnCl2 + 2 H2O + Cl2

Nemesfém-kloridok termikus bomlása során:

2 AuCl3 → 2 Au + 3 Cl2