卤素元素 课件

卤素元素周期表中的活跃家族卤素元素是元素周期表中第族元素的总称，包括氟、氯、溴、碘17F ClBr和砹五种元素这一族元素因其极高的化学活性和广泛的应用而在化学I At领域占据重要地位卤素一词来源于希腊语（盐）和（生成），意为盐的生成者halos genes，因为它们能与金属元素直接反应生成盐类物质它们不仅在自然界广泛存在，还在我们的日常生活、医药、农业和工业等领域发挥着不可替代的作用本课件将系统介绍卤素元素的基本性质、化学反应、制备方法以及在各个领域的重要应用，帮助你全面了解这个神奇的元素家族目录卤素元素基础知识1卤素元素的定义、周期表位置、电子构型以及基本物理性质概述卤素元素的化学性质2氧化性、还原性、单质间反应以及与其他元素的反应性研究卤素化合物3卤化氢及含氧化合物的性质、制备及应用卤素的制备与应用4实验室与工业制备方法，以及在各个领域的广泛应用环境影响与未来展望5卤素元素的环境考量、研究进展及未来发展方向什么是卤素元素？第17族元素电子构型特点名称由来卤素元素是元素周期表卤素元素的最外层电子卤素一词源自希腊语，中第族（原第族）数为，只差一个电子即意为盐的生成者，因17VIIA7的元素总称，从上到下可达到稳定的惰性气体为它们能与金属直接反依次为氟F、氯Cl、结构，因此具有很强的应生成盐类化合物在溴Br、碘I和砹At得电子能力，化学性质自然界中，卤素通常以它们都位于周期表右侧，极为活泼化合物形式存在，很少属于非金属元素以单质状态出现卤素元素在元素周期表中的位置1周期表右侧2分布在不同周期卤素元素位于元素周期表的右氟位于第二周期，氯位于第三侧倒数第二列，即第17族（旧周期，溴位于第四周期，碘位分类法中的VIIA族）它们是于第五周期，砹位于第六周期典型的非金属元素，与贵族气随着周期数的增加，元素的非体相邻金属性逐渐减弱，砹甚至表现出一定的金属性3与相邻元素的关系卤素元素左侧是氧族元素（如氧、硫），右侧是惰性气体（如氦、氖）卤素元素比氧族元素的电负性更强，比惰性气体的稳定性更差，这决定了它们独特的化学性质卤素元素的电子构型元素原子序数电子排布价电子数氟F91s²2s²2p⁵7氯Cl171s²2s²2p⁶3s²3p⁵7溴Br351s²2s²2p⁶3s²3p⁶73d¹⁰4s²4p⁵碘I531s²2s²2p⁶3s²3p⁶73d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁵砹At851s²2s²2p⁶3s²3p⁶73d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰4f¹⁴5s²5p⁶5d¹⁰6s²6p⁵卤素元素的电子构型特点是最外层含有7个电子（ns²np⁵配置），只差一个电子就能达到稳定的满层结构（ns²np⁶）这一特点使得卤素元素具有很强的得电子能力，易于形成阴离子（X⁻）随着原子序数的增加，卤素元素的电子层数增加，核外电子受到核引力的影响减弱，使得原子半径逐渐增大，得电子能力逐渐减弱，这解释了为什么氟的化学活性最强，而砹的活性相对较弱卤素元素的物理性质概述物态变化颜色特征物理常数趋势随着原子序数增加，卤素元素的物态呈现卤素元素的颜色也呈现规律性变化氟呈从氟到砹，熔点、沸点、密度逐渐升高，规律性变化氟和氯在室温下为气体，溴浅黄色，氯呈黄绿色，溴呈红棕色，碘呈原子半径和离子半径逐渐增大，而电离能为液体，碘为固体，砹为放射性固体这紫黑色并能升华产生紫色蒸气砹极其稀和电负性则逐渐降低这些趋势是原子结种变化与原子间的范德华力有关，原子量少，其颜色特性尚不完全确定构和周期律的直接体现越大，分子间作用力越强氟的物理性质基本特性物理参数氟（F）是卤素家族中最轻的元素，氟的熔点为-

219.6℃，沸点为-原子序数为9，相对原子质量为

188.1℃，临界温度为-129℃

19.0氟气（F₂）在标准状态是所有元素中电负性最高的（保下是一种淡黄色的有刺激性气体，利电负性

4.0），因此极易获取电密度比空气略重子形成氟离子（F⁻）溶解性氟气微溶于水，但会与水发生反应生成氢氟酸和氧气在液态时呈浅黄色，固态时呈现淡黄色晶体由于高活性，纯氟气必须储存在特殊的容器中，通常使用镍或含镍合金容器氯的物理性质-

34.6熔点℃氯的熔点较低，在标准大气压下为-

34.6℃-

101.5沸点℃氯气在-

101.5℃时会凝结成液体

2.5密度倍数氯气的密度约为空气密度的

2.5倍

3.16电负性氯的电负性仅次于氟，为

3.16（保利标度）氯（Cl）是一种黄绿色有刺激性气味的气体，原子序数为17，相对原子质量为

35.5液态氯呈琥珀色，固态氯形成黄色结晶氯气对眼睛、呼吸道和皮肤有强烈的刺激作用，浓度过高可能致命，因此操作时需要特别注意安全防护溴的物理性质液态状态溴蒸气溶解性溴在室温下是唯一呈液态的非金属元素，呈溴的蒸气呈现红棕色，密度较大，在空气中溴微溶于水，呈现橙黄色溴水它易溶于大深红棕色，具有刺激性气味溴蒸气呈红棕会向下扩散这种扩散现象是溴气体特性的多数有机溶剂，如四氯化碳、氯仿等，溶液色，同样具有强烈刺激性直观体现通常呈现橙红色溴（）的原子序数为，相对原子质量为熔点为℃，沸点为℃电负性为，低于氟和氯，因此化学活性相对较弱Br

3579.9-

7.

258.

82.96溴的密度为，远高于水的密度

3.1g/cm³碘的物理性质颜色特征溶解特性1碘为紫黑色带金属光泽的固体结晶，加热微溶于水呈棕色溶液，易溶于有机溶剂如2后直接升华产生紫色蒸气四氯化碳、氯仿等呈紫色溶液升华性质物理参数4在常温下缓慢升华，加热迅速升华形成醒熔点

113.7℃，沸点

184.4℃，密度

4.933目的紫色气体g/cm³，电负性

2.66碘（）的原子序数为，相对原子质量为它是卤素家族中最重的稳定元素，在常温常压下呈现固态碘单质不易燃烧，但能助燃，I

53126.9与燃料混合可能发生爆炸碘的水溶液与淀粉反应呈现特征性的蓝色，这是检验碘的经典方法，也是实验室中常用的演示实验砹的物理性质放射性特征砹是一种放射性元素，自然界几乎不存在，所有同位素均不稳定，半衰期最长的砹-210半衰期仅约

8.1小时，因此对其物理性质的研究极为有限推测物理状态根据理论推测，砹在室温下应为银灰色或黑色固体，可能具有金属光泽与同族其他元素不同，砹可能表现出一定的金属性质，这是重卤素元素的特征物理参数估计砹的熔点估计为302℃，沸点估计为337℃，密度估计为7g/cm³电负性约为

2.2，低于其他卤素元素，表明其得电子能力较弱研究难点由于高放射性和极短的半衰期，砹只能以微量形式合成，难以进行宏观物理性质研究目前的性质数据多基于理论计算和间接测量卤素元素的化学性质概述强氧化性1能夺取其他原子的电子形成阴离子X⁻活性递减2化学活性依次为FClBrIAt直接置换反应3活泼卤素能置换出不活泼卤素多价性4除F外均可表现-

1、+

1、+

3、+

5、+7多种价态单质二原子分子5卤素单质均以X₂形式存在，具有共价键卤素元素的化学性质主要由其电子构型决定最外层含有7个电子，易得到1个电子形成-1价离子达到稳定构型氟的电负性最大，化学活性最强；随着原子序数增大，原子半径增大，核外电子受核吸引力减弱，氧化性逐渐减弱卤素元素的活性特征使它们在自然界很少以单质形式存在，通常以化合物形式存在，如NaCl、KBr等它们与多种元素都能发生反应，形成多样的化合物卤素的氧化性卤素元素具有很强的氧化性，能从许多物质中夺取电子氧化性大小顺序为F₂Cl₂Br₂I₂，这与它们的标准电极电位成正比氟气是自然界中最强的氧化剂之一，几乎能氧化所有元素（除He、Ne和Ar外）卤素的氧化性在化学反应中表现为能使低价态元素氧化为高价态，如将Fe²⁺氧化为Fe³⁺；能使非金属负离子失去电子，如将S²⁻氧化为单质S；能使部分非金属单质失去电子形成正价化合物，如将P氧化为H₃PO₄这些反应在分析化学、有机合成和工业生产中有广泛应用卤素的还原性负一价状态当卤素元素以⁻、⁻、⁻、⁻等阴离子形式存在时，表现出还原性还F ClBr I原性强弱顺序⁻⁻⁻⁻，与它们的氧化性顺序相反IBrClF碘化物的经典还原作用碘离子⁻的还原性最强，可以还原⁺、⁺等离子在分析化学中，IFe³Cu²KI常作为还原剂使用，例如可以与H₂O₂反应2I⁻+H₂O₂+2H⁺→₂₂I+2H O卤素氢化物的还原性卤化氢的还原性其中是强还原剂，可HX HIHBrHClHF HI用于有机化学中的还原反应这种还原性同样与卤素原子半径和电负性有关卤素元素既可表现出强氧化性，也可在特定情况下表现出还原性，这种两面性是其化学性质的重要体现卤素离子的还原性在化学分析、有机合成和电化学电池等方面有重要应用卤素单质之间的反应活泼的卤素单质能置换出化合物中较不活泼的卤素，这是卤素的一个重要化学性质化学反应遵循F₂Cl₂Br₂I₂的活性顺序进行，可以用以下置换反应表示Cl₂+2KBr→2KCl+Br₂（氯气可以从溴化钾溶液中置换出溴）Br₂+2KI→2KBr+I₂（溴可以从碘化钾溶液中置换出碘）F₂+2NaCl→2NaF+Cl₂（氟气可以从氯化钠中置换出氯）反向反应则不能自发进行这种规律在分析化学和卤素制备中有重要应用，如利用氯气制备溴和碘等卤素与氢的反应反应活性比较反应方程式卤素与氢反应的活性顺序₂卤素与氢的反应方程式₂FX+₂₂₂氟与氢在室温₂（代表卤素元素）ClBrI H→2HX X下暗处即猛烈反应；氯与氢混合具体如₂₂；F+H→2HF在阳光或火花作用下爆炸；溴与₂₂；₂₂Cl+H→2HCl Br+H氢需加热或光照才反应；碘与氢；₂₂→2HBr I+H→2HI需高温催化才能反应产物性质反应生成的卤化氢（）均为无色气体，溶于水形成酸性溶液为弱HX HF酸，而、、均为强酸酸性强度，与卤HCl HBrHI HIHBrHClHF素的电负性顺序相反卤素与金属的反应钠与氯气反应铁与溴反应铝与碘反应钠在氯气中燃烧，发出明亮的黄色火焰，生铁丝在溴蒸气中燃烧生成棕色的溴化铁铝箔与碘晶体混合后加水或酒精催化，反应成白色的氯化钠₂₂₃金属与卤素反放热并生成碘化铝₂₃2Na+Cl→2NaCl2Fe+3Br→2FeBr2Al+3I→2AlI这是一个强烈的放热反应，反映了钠和氯气应活性取决于金属的活性和卤素的氧化性，这个反应虽然不如钠与氯的反应剧烈，但仍之间的高度反应活性两者活性越强，反应越激烈然能明显观察到放热现象卤素与金属反应生成盐，反应活性顺序₂₂₂₂大多数金属能与卤素直接反应，尤其是碱金属和碱土金属这些反应FClBrI广泛应用于无机合成和材料制备中卤素与非金属的反应与磷的反应与碳的反应卤素与磷反应生成磷卤化物例如P₄+6Cl₂→4PCl₃，P₄+卤素与碳反应生成碳的卤化物例与硫的反应10Cl₂→4PCl₅三氯化磷和如C+2F₂→CF₄，C+2Cl₂与其他非金属的反应五氯化磷是重要的氯化试剂，常用→CCl₄四氯化碳是重要的有机卤素与硫反应生成硫的卤化物例卤素能与大多数非金属元素反应，于有机合成中溶剂，四氟化碳是温室气体如S+F₂→SF₂/SF₄/SF₆，如硅、锗、砷等，生成相应的卤化S+Cl₂→S₂Cl₂/SCl₂，反物这些反应在无机合成、半导体应条件不同，产物也不同硫的氟制造等领域有重要应用化物是常用的氟化试剂2314卤化氢的性质物理性质溶解性化学性质四种卤化氢（HF、HCl、HBr、HI）在卤化氢均易溶于水，溶解度非常大HCl、水溶液中的卤化氢表现出酸性，能与碱、标准状态下均为无色气体，有强烈的刺激HBr和HI的水溶液分别称为盐酸、氢溴酸碱性氧化物、活泼金属等反应HCl、性气味它们的沸点顺序为和氢碘酸，均为强酸的水溶液称为和还具有还原性，还原性强弱顺序HF-HF HBrHI

19.5℃HI-

35.4℃HBr-

66.8℃氢氟酸，为弱酸，但具有强烈的腐蚀性，HIHBrHCl HF有特殊的腐蚀性能，HCl-

85.1℃HF沸点异常高是由于能腐蚀玻璃和许多金属能与SiO₂反应生成气态SiF₄分子间存在氢键卤化氢的制备方法氟化氢制备通常通过氟化钙与浓硫酸反应制备₂₂₄CaF+H SO→₄反应需在铅或铂容器中进行，因为会腐蚀玻CaSO+2HF HF璃工业上氟化氢主要用于生产制冷剂和含氟聚合物氯化氢制备实验室中常用浓硫酸与氯化钠反应制备₂₄NaCl+H SO→₄工业上主要采用氯气与氢气直接合成法₂NaHSO+HCl H₂，或作为氯化有机物生产的副产品+Cl→2HCl溴化氢和碘化氢制备可通过非金属卤化物（如₃、₃）与水反应制备₃PBr PIPBr₂₃₃或通过溴、碘与还原剂（如红+3H O→H PO+3HBr磷、₂等）反应₂₂（为或）H S X+H S→2HX+SXBr I卤化氢的酸性比较卤化氢在水溶液中的酸性强弱顺序为HIHBrHClHF这种顺序与卤素原子的电负性呈反比，与H-X键能也呈反比原子电负性越小，H-X键越容易断裂，形成H⁺的能力越强，酸性越强HCl、HBr和HI在水中几乎完全电离，属于强酸，而HF仅部分电离，属于弱酸这一特性在酸碱滴定、酸催化反应和化学分析中有重要应用尽管HF是弱酸，但其腐蚀性非常强，主要由于F⁻能与多种物质形成络合物，特别是与硅形成SiF₆²⁻，导致玻璃被腐蚀卤化氢的还原性比较碘化氢HI1还原性最强，能将许多氧化物还原，如CuO+2HI→CuI₂+H₂O溴化氢HBr2还原性次之，能还原浓硫酸，如2HBr+H₂SO₄→Br₂+SO₂+2H₂O氯化氢HCl3还原性较弱，但仍能被强氧化剂氧化，如4HCl+MnO₂→MnCl₂+Cl₂+2H₂O氟化氢HF4几乎没有还原性，不被一般氧化剂氧化卤化氢的还原性与H-X键能呈反比HI的H-X键能最小，最易断裂释放氢原子，因此还原性最强这种还原性在有机化学中有重要应用，如HI可用于醇的脱羟基反应，HBr可用于烯烃的加成反应等在有机合成中，利用不同卤化氢的还原性差异，可以选择性地进行特定的还原反应，这为有机化学提供了丰富的合成手段卤素的含氧化合物概述氧化态氟氯溴碘+1-HClO次氯HBrO次溴HIO次碘酸酸酸+3-HClO₂亚HBrO₂亚HIO₂亚碘氯酸溴酸酸+5-HClO₃氯酸HBrO₃溴酸HIO₃碘酸+7-HClO₄高HBrO₄高HIO₄高碘氯酸溴酸酸卤素除氟外，都能形成多种含氧酸和含氧酸盐这些含氧化合物中，卤素表现出+

1、+

3、+

5、+7等多种正价态氟由于电负性最大，不能与比自己电负性更大的氧形成稳定化合物，因此不存在含氧酸随着卤素正价态的增加，含氧酸的酸性增强，氧化性减弱例如，HClO₄高氯酸酸性最强但氧化性最弱，而HClO次氯酸酸性最弱但氧化性最强这些含氧酸及其盐在漂白、消毒、氧化反应、分析化学和有机合成中有广泛应用次卤酸及其盐1次氯酸HClO2次溴酸HBrO和次碘酸HIO3漂白机理次氯酸是一种不稳定的弱酸，只能以次卤酸的漂白作用是通过氧化作用实溶液形式存在，具有强氧化性和漂白次溴酸和次碘酸与次氯酸性质相似，现的，它能破坏有色物质的发色团，作用它可以通过氯气与水反应制备但稳定性更差，氧化性依次减弱它使其失去颜色例如，次氯酸钠漂白Cl₂+H₂O⇌HClO+HCl次氯们主要存在于溴水和碘水中，也具有液能氧化血迹中的血红蛋白，使其褪酸钠NaClO是常见的漂白剂和消毒一定的消毒和漂白作用，但应用不如色漂白过程中释放出原子氧剂，用于自来水消毒和纺织品漂白次氯酸广泛HClO→HCl+[O]亚卤酸及其盐1亚氯酸HClO₂2亚溴酸和亚碘酸亚氯酸是一种不稳定的中强酸，亚溴酸HBrO₂和亚碘酸通常以亚氯酸盐形式应用亚氯HIO₂相对亚氯酸更不稳定，酸钠NaClO₂是重要的亚氯酸其盐类研究较少，应用较为有限盐，具有较强的氧化性和漂白作亚溴酸盐和亚碘酸盐可通过类似用，但比次氯酸盐稳定亚氯酸的方法制备，但更容易分解，使盐可通过二氧化氯与碱反应制备用时需要特别注意稳定性问题2ClO₂+2OH⁻→ClO₂⁻+₃⁻₂ClO+H O3工业应用亚氯酸钠主要用于造纸工业的纸浆漂白，水处理和纺织品漂白，具有环保、低残留的特点与次氯酸盐相比，亚氯酸盐的漂白效果更持久，对纤维的损伤更小，因此被广泛应用于高级纸张和纺织品的漂白过程卤酸及其盐氯酸HClO₃溴酸HBrO₃和碘酸HIO₃安全性与危险性氯酸是一种强酸，但其溶液不稳定，容易溴酸和碘酸也都是强酸，氧化性比氯酸弱，卤酸盐都是强氧化剂，与还原性物质（如分解，具有强氧化性氯酸钾KClO₃是但稳定性较好溴酸钾KBrO₃用于面硫、磷、有机物）混合后极易引起爆炸重要的氯酸盐，用作氧化剂、消毒剂和火粉改良和分析化学中的氧化剂碘酸例如，氯酸钾与糖混合，加入硫酸后会引柴制造的原料氯酸盐可以通过热次氯酸HIO₃是一种白色晶体，有较强的氧化起强烈燃烧，这是化学火山实验的原理盐制备3NaClO→NaClO₃+2NaCl，性，碘酸盐常用于分析化学和有机合成反使用过程中必须注意避免与易燃物质接触，或者通过氯气与热碱液反应3Cl₂+应中防止摩擦和撞击₃₂6NaOH→NaClO+5NaCl+3H O高氯酸及其盐高氯酸HClO₄高氯酸盐高溴酸和高碘酸高氯酸是卤素含氧酸中酸性最强的一种，高氯酸盐如高氯酸钾KClO₄、高氯高溴酸HBrO₄和高碘酸HIO₄的也是目前已知的最强无机酸之一纯高酸铵NH₄ClO₄等都是强氧化剂，同性质与高氯酸类似但稳定性更差，尤其氯酸是无色液体，具有强氧化性，高浓时具有很好的稳定性高氯酸铵是火箭是高溴酸极不稳定高碘酸有多种形式，度时极不稳定，易发生爆炸它通常以推进剂的重要成分，高氯酸钾用于烟火如HIO₄和H₅IO₆，其盐类在分析化60-72%的水溶液形式存在，此时相对制造和分析化学试剂高氯酸盐可通过学和有机合成中有一定应用，如用于醇稳定电解氯酸盐溶液制备类的氧化裂解反应卤素氧化物二氧化氯ClO₂七氧化二碘I₂O₇其他卤素氧化物二氧化氯是一种黄绿色气体，有强烈刺激性气七氧化二碘是一种白色晶体，在碘的氧化物中还有多种卤素氧化物，如Cl₂O（一氧化二味，极易爆炸，一般溶于水使用它是强氧化最稳定，由碘酸脱水得到它是强氧化剂，易氯）、Cl₂O₆（六氧化二氯）、Br₂O（一剂，在水处理、纸浆漂白和消毒领域有广泛应溶于水，溶解后生成高碘酸在有机合成中用氧化二溴）等这些化合物多数不稳定，容易用二氧化氯可通过氯酸钠与酸反应制备作氧化剂，能选择性地氧化某些官能团分解或爆炸，主要用于研究或特殊合成反应2NaClO₃+4HCl→2ClO₂+Cl₂+2NaCl氟不形成氧化物，因为氟的电负性大于氧₂+2H O卤素氧化物的稳定性随卤素原子序数增加而增加，但所有卤素氧化物的共同特点是氧化性强，多数不稳定且具有潜在爆炸危险，使用时需特别注意安全卤素的实验室制备方法氯气制备1实验室中常用二氧化锰与浓盐酸反应制备氯气MnO₂+4HCl→MnCl₂+Cl₂↑+2H₂O也可用高锰酸钾与浓盐酸反应2KMnO₄+16HCl→2KCl+2MnCl₂+8H₂O+5Cl₂↑制得的氯气需经水洗除去HCl，再经浓硫酸干燥溴的制备2实验室可通过氯气置换溴化物溶液制备溴Cl₂+2KBr→2KCl+Br₂也可通过溴化物与强氧化剂（如MnO₂、KMnO₄等）和浓硫酸反应2KBr+MnO₂+2H₂SO₄→K₂SO₄+MnSO₄+2H₂O+Br₂碘的制备3实验室中可用氯气或溴置换碘化物溶液制备碘Cl₂+2KI→2KCl+I₂也可用碘化物与强氧化剂（如MnO₂、FeCl₃等）反应2KI+MnO₂+2H₂SO₄→K₂SO₄+MnSO₄+2H₂O+I₂氟的实验室制备4由于氟的高反应活性，实验室制备困难且危险较安全的方法是通过电解无水氟化氢和氟化钾的混合物2KF·HF→H₂↑+F₂↑需使用特殊材料的电解槽，如镍或莫奈尔合金，且实验中需严格控制温度和电流卤素的工业制备方法氯气工业制备溴的工业制备1主要通过饱和食盐水电解法制备，同时生成氢从海水或盐卤中提取，利用氯气置换原理2气和氢氧化钠氟的工业制备碘的工业制备4电解KF与HF的混合物，需使用特殊材料电解从海藻灰或含碘矿物中提取，也可从油田卤水3槽中回收工业上氯气的主要来源是氯碱工业，通过电解饱和食盐水生产2NaCl+2H₂O→2NaOH+Cl₂↑+H₂↑这一过程同时生产出氢气和氢氧化钠，因此被称为氯碱工业现代氯碱工业主要采用隔膜法、离子膜法或水银法电解溴和碘的工业制备主要依靠其天然存在的资源，如海水、含碘海藻和地下卤水溴的制备通常使用氯气置换法，而碘的制备则根据原料不同采用多种方法，如海藻灰碱法、油田卤水提取法等这些工业制备方法需要综合考虑经济性和环保因素。