7. glavna skupina - halogeni elementi

V VII. glavni skupini periodnega sistema so elementi fluor, klor, brom, jod in astat. Elementi imajo skupno ime halogeni. Ime halogen izvira iz grške besede (halos- sol, gennan-tvoriti) ,ki pomeni " solotvoren" in odraža sposobnost halogenov, da reagirajo s kovinami in tvorijo soli.

Klor je dobil ime po grški besedi "chloros" (rumeno zelen), brom po svojem ostrem vonju "bromus" (smrad) in jod, ker je sivkasta trdna snov, pare pa so vijolične "iodes" (vijoličen). Ime fluor pa izhaja iz latinske besede "fluo" (tečem).

Fluor in jod imata po en naravni izotop F in I,takšne elemente imenujemo čisti elementi. Naravna klorova izotopa sta Cl in Cl, znan pa je tudi umetni izotop Cl. Izotopa Br in Br sta naravna bromova izotopa.

Astat je umetni in radioaktiven element z razpolovnim časom 8ur,zaradi tega ga je težko izolirati in so njegove kemijske lastnosti proučene na podlagi radioaktivnosti podobnih spojin, na primer jodovih, onesnaženih z zelo malo astata.

Elektronska konfiguracija elementov VII. skupine

Elektronska konfiguracija valenčnih elektronov

ns2 np5

Vsi halogeni elementi umajo enako elektronsko konfiguracijo v zadnji lupini ns2np5, kjer je n število periode. Razlikujejo se samo po številu elektronov.

Iz elektronske konfiguracije lahko sklepamo, kakšne kemijske vezi lahko tvorijo atomi halogenov .

1.Če atom halogena sprejme en elektron, nastane negativni ion. Ionske spojine, v katerih so takšni ioni, imenujemo s skupnim imenom halogenidi (halidi),ione pa halogenidne (halidne) ione X- (F-, Cl-, Br-, I-). Reakcija, pri kateri nastane iz atoma halogena halogenidni ion, je eksotermna

X + e- = x­- H < 0

Energijo,ki se pri takšni reakciji sprošča, imenujemo elektronska afiniteta, ki pa se pri halogenih ne razlikujejo bistveno. Vrednosti elektronskih afinitet so odvisne od zanesljivosti in natančnosti podatkov v Haber- Bornovem ciklu, po katerem so izračunane.

Um + Utvor. = Hsublimacija + ½ Hdisociacija +Eionizacija + Eelektr.afiniteta

Halogenidni ioni tvorijo ionske kristale.

2.Zaradi visoke ionizacijske energije je izključen nastanek kationov X+ pri vseh halogenidih, razen pri jodu, katerega ionizacijska energija je mnogo nižja. Atomi halogenov(razen fluorovih) so lahko pozitiven del v nekaterih kovalentno zgrajenih molekulah npr: ClNO3, BrF in ICN.

3.Atomi halogenov lahko tvorijo tudi kovalentne vezi.Ker ima atom le en samski elektron v eni od zunanjih p- orbital, nastane pogosto le ena sigma vez, na primer:

-v dvoatomnih molekulah X- X (F2, Cl2, Br2, I2),

-v spojinah z vodikom, to je v hidridih X- H (HF, HCl, HBr, HI) ali

-alkilhalogenidih R-X (X je halogen, R alkil:-CH3, -C2H5 npr: CH3Br, C2H5Cl)

4.Halogeni razen fluora lahko tvorijo po več kovalentnih vezi .

Glede na možnosti nastanka kemijskih vezi ima fluor le formalni oksidacijski števili -1 (na primer:HF, CH3F) in 0(v elementarnem stanju F2), ostali halogeni pa oksidacijska števila od -1 do +7.Primeri spojin klora z naraščajočimi oksidacijskimi števili, -1, 0, +1, +3, +4, +5 in +7 so:HCl, Cl2, HClO, HClO2, ClO2, HClO3 in HClO4.

Široko območje oksidacijskih števil halogenov pomeni, da ti elementi pogosto sodelujejo pri redoks reakcijah.

Halogeni so v elementarnem stanju v dvoatomnih molekulah, za katere so značilne kovalentne vezi. Vezi med posameznimi molekulami so šibke, saj delujejo izključno šibke Van der Waalsove sile,ki so večje pri atomih z večjo molekulsko maso in večjo polarizabilnostjo.Posledice so višja vrelišča in tališča broma in joda, v primerjavi z ostalimi halogeni.

Halogeni so močno elektronegativni elementi.Elektronegativnost po skupini navzdol pada, se pravi pada z naraščajočim vrstnim številom. Posledica je težnja po sprejemanju elektronov,zatorej delujejo kot oksidanti.Največjo elektronegativnost ima fluor, ki je v kemijskih reakcijah tudi najmočnejši oksidant.Oksidacijska sposobnost elementov pada po skupini navzdol, kar pomeni, da je fluor najmočnejši oksidant, jod pa najšibkejši med njimi. Med halogenidnimi ioni pa je jod najmočnejši, fluorov ion pa najšibkejši reducent.

Oksidacijsko sposobnost elementov lahko razvrstimo:

F2 > Cl2 > Br2 > I2

Velika elektronegativnost fluora močno prispeva k polarnosti molekul.S kovinami, ki imajo elektronegativnost manjšo od 2, tvori fluor soli z ionskim značajem.Klor in brom tvorita ionske spojine samo z najbolj elektropozitivnimi elementi, medtem ko jod tudi stemi elementi ne tvori pretežno ionskih spojin.

Tabela: Razdalje vezi in disociacijska energija

Fluor je izredno reaktiven element.Glavni razlog za reaktivnost je razmeroma majhna energija vezi , ki je potrebna za razpad molekule F2 na atome, posledica so večje reakcijske hitrosti.

Fluor tvori na splošno šibkejše vezi od klora.Jakost vezi pada po vertikali navzdol od klora proti jodu..

V primeru fluorovega atoma, ki je majhen , slabijo kovalentno vez v molekuli nevezni elektronski pari,ki so sorazmerno blizu drug drugemu.Vemo, da se tako elektroni kot elektronski pari izogibajo drug drugega in se odbijajo zaradi tako imenovanih Paulijevih odbojnih sil. Pri kloru takega slabljenja vezi ni, saj je povprečna razdalja med elektronskimi pari v molekuli večja in zato ne pride do odboja.Dodatno pa lahko predpostavimo, da je vez med atomoma klora v molekuli Cl2 močnejša zaradi delnega prekrivanjapolnih 3py- in 3pz- orbital enega atoma s praznimi 3dxy- in 3dyz- orbitalami drugega atoma in vez ki nastane imenujemo PI vez.Tako se fluor razlikuje od ostalih elementov skupine,ker nima možnosti dodatne vezave, ki jih ponujajo d- orbitale.Pri fluoru pride do tako imenovane anomalije v elektronski afiniteti ki je zelo majhna.Namreč nov elektron vstopa v gosto valenčno lupino , kjer pride do odboja njenih sedmih elekronov.