无机化学考研辅导（下）
第五讲 卤 素
一、卤素单质的通性 1、分子结构和性质
元素的价电子构型为ns2np5，易得一个电子形成全满结构，单质均为双原子分子。最显著的性质是气态的F2、Cl2、Br2、I2的颜色变化,从近无色→紫色，分子最大吸收渐向长波方向移动。说明双原子MO中最高充满的σ和π*至最低未满的空的σ*轨道之间能量差自上而下减小。另外，卤素分子的离解能从F2到I2分别为159kj·mol－1，243kJ·mol－1，193kJ·mol－1和151kJ·mol－1。.除F2外,随着离子半径的增加，键渐弱，因而离解能渐低。 2、反应活性
（1）卤素标准电极电势： I2+2e-=2I- φ=0.52V Br2+2e-=2Br- φ=1.06V Cl2+2e-=2Cl- φ=1.36V F2+2e-=2F- φ=2.87V
氧化能力：F2>Cl2>Br2>I2（还原能力：I->Br->Cl->F-）
（2）所以F2,Cl2可与所有金属作用，F2还能与稀有气体作用：形成XeF2,XeF4,XeOF4等化合物。Br2,I2可与除贵金属外的所有金属作用。
（3）卤素与水作用发生下述两类反应 1X2+H2O→2H++2X-+1/2O2
F2极易发生此反应，日光下Cl2反应慢，Br2,I2无明显反应。 2X2+H2O→H++X-+HOX X2+2OH-→XO-+X-+H2O
第 2类反应即为卤素特征的OX-Re反应即歧化反应。在酸性条件下，卤素歧化反应不易发生，如Cl2的K=4.0×10-4；而在碱性条件下，歧化极易进行，且XO-还可继续歧化（3XO-→2X-+XO3-）。Cl2在70摄氏度，Br2在室温，I2在0℃即可发生上述反应。所以室温下将Cl2，Br2,I2分别加入碱中生成的是ClO-,BrO3-和IO3-。 3、单质制备 （1）F2
1工业制备：电解KHF2与HF混合液 阳极（石墨）：2F-=F2↑+2e-
阴极（电解槽）：2HF2-+2e-=H2↑ +4F- 电解总反应：2KHF2=2KF+H2↑+F2↑ 2实验室制法：BrF5(g)=BrF3(g)+F2(g)
1986年：4KMnO4+4KF+20HF→4K2MnF6+3O2+10H2O 2K2MnF6+4SbF5=4KSbF6+F2↑+2MnF3
（2）Cl2
1工业制备：电解NaCl水溶液
2实验室制法：MnO2+HCl(浓)= KMnO4+HCl(浓)= （3）Br2
1工业制法：海水制Br2。Cl2通入pH=3～5的海水中：Cl2+2Br-=Br2+2Cl-压缩空气吹出Br2，碱液中歧化：3Br2+3CO32-=5Br-+BrO3-+3CO2↑，浓缩在酸性条件下：5Br-+BrO3-+6H+=3Br2+3H2O 实验室：Cl2+2Br-=Br2+2Cl- （4）I2
工业制法：适量NaHSO3还原IO3-: IO3-+3HSO3-=I-+3SO42-+3H+ IO3-+5I-+6H+=3I2+3H2
海藻和海洋生物中提取I2:侵取液通入Cl2(适量):2I-+Cl2=I2+2Cl-
或侵取液中加MnO2: 2I-+MnO2+4H+=Mn2++I2+2H2O，用CS2或CCl4萃取分离
实验室: 2I-+Cl2(适量)=I2+2Cl- 二、卤化氢 1、制备
实验室常用卤化物与高沸点酸反应制取相应卤化氢： CaF2+H2SO4(浓)=CaSO4+2HF(g) NaCl+H2SO4(浓)=NaHSO4+HCl(g)
HBr,HI不能: 2HBr+H2SO4(浓)=SO2(g)+2H2O+Br2
8HI+H2SO4(浓)=H2S(g)+4H2O+4I2
HBr,HI制备:
NaX+H3PO4=NaH2PO4+HX(g) (Br,I) 3P+3X2+6H2O=3H3PO3+6HX(g) 2. 性质：
HX性质随原子序数增加呈现规律性变化
其中HF因生成氢键，熔沸点比HCl高。高温下HF不分解，而HI在300℃就发生分解，HF具有强腐蚀性，并能腐蚀玻璃（SiO2+4HF=SiF4+2H2O） 三、卤化物
1、卤化物的水解性
（1）离子型卤化物：除少数活泼金属卤化物外，均发生不同程度的水解.如：
MgCl2+H2O=Mg(OH)Cl↓+HCl SnCl2+H2O=SM(OH)Cl↓+HCl
BiCl3+H2O=BiOCl↓+HCl （2）共价型卤化物（三种类型）
1生成含氧酸和卤化氢，如 BX3+3H2O=B(OH)3+3HX SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HCl PCl3+3H2O=H3PO3+3HCl PCl5+4H2O=H3PO4+5HCl
2生成非金属氢化物和卤素含氧酸，如： NCl3+3H2O=NH3=3HOCl
3不与水发生反应，如：CCl4，SF6等。主要因为中心原子C，S等已达最高配位数，水分子中的氧原子无法再配位上去了，故其水解速率很小。
（3）共价型卤化物水解机理
本质上是Lewis酸碱的相互作用，其过程可以分为亲电机理或亲核机理。
1亲核机理：如SiCl4水解
这一过程首先中心原子有可提供使用的空轨道。水解过程还包括构型转变，键的生成与消去的能量变化过程 2亲电机理：如NCl3水解
3亲核亲电同时进行：如PCl3水解（产物为何与NCl3不同？） PCl3+3H2O=H3PO3+3HCl
由于P是第三周期元素，有空的d轨道（可以接受孤对电子进攻），同时P上由一对孤对电子，可以接受质子的亲电进攻，加上PCl3中配位数仅为3，远未达到第三周期最大配位数为6这一数值，PCl3既是Lewis酸，又是Lewis碱，因此有条件亲电与亲核过程。同时分子几何构型发生从sp3到sp3d的转变，待脱去一分子的HCl后，
不再具有孤对电子，只能发生水分子的亲核进攻，分子进一步发生构型转化及脱去HCl的变化，最终生成H3PO3。
为何NF3不易水解？
在NF3中价电子构型为四面体，N原子采用sp3杂化，N原子上有一对孤对电子，由于F原子电负性较大，NF3的碱性显然比NCl3要小得多，因此亲电水解不可能发生，同时N是第二周期元素，只有4个价轨道，不可能有空轨道接受亲核试剂的进攻。加上N-F键能较N-Cl键能大，因此NF3不会水解。
卤化物水解过程，有热力学因素外，卤素中心原子结构特征，如最大配位数，第几周期元素，有无孤对，有无空轨道，发生什么机理水解，水解过程能量变化（即键能大小）等及动力学因素。 2、氟的特殊性
（1）低氧化态：F只有-1氧化态，而其它卤素有-1，+1，+3，+5，+7等。
（2）F-F键能（解离能）反常小:主要原因是半径特别小,使孤对—孤对排斥力较大；另外还与F处于第二周期，不存在空d轨道，不可能像Cl，Br，I可以形成d—pπ键，而使键加强。
（3）F电子亲和能反常小：而卤素电子亲和能是Cl>Br>I，而AF
（4）易形成高配位化合物：由于半径小原因。同时化合物具有较大的键能或晶格能和生成热；由于电负性大，金属氟化物离子性强；与第二周期元素形成化合物时。易形成p-p大π键，增加稳定性等。
例1：举例说明离子型和共价型二元金属卤化物的性质。 例2：为什么卤素的键离解能变化依次为：F-F
例3：SiCl4和SiF4，哪一个水解更为剧烈？为什么？ 四、拟卤素和多卤化物 1、拟卤素
有些化合物的性质与卤素十分相似，称之为拟卤素。如(CN)2，(SCN)2等。与卤素相似，(CN)2在气相中也发生热离解和光离解，产生的CN·自由基和卤素原子等叶瓣，可发生与卤素原子类似的反应：
NC-CN=2CN· H2+CN·→HCN+H· H·+NC-CN→HCN+CN· 总反应：H2+(CN)2→2HCN 像卤素一样，能还原为-1价负离子：NC-CN(aq)+2e-→2CN-(aq) 例4：举例说明拟卤素和卤素在化学性质上的相似性？ 2、卤素互化物
指卤素原子间形成的化合物，通式XX’n。一般较重的电负性较低的卤素原子（X）为中心原子，n一般为奇数。常见有： IF(g)，IF3(g)，IF5(g)，IF7(g)，ICl(g)，BrF(g)，BrF3(g)，BrF5(g)，BrCl(g)，ClF(g)，ClF3(g)，ClF5(g)，IBr(g)
卤素互化物的分子结构一般可由VSEPR预测，其物理性质介于组成元素的分子性质之间。所有卤素互化物均为氧化剂。 3、多卤化物
指金属卤化物与卤素单质或卤素互化物的加合物（一般氟化物晶格能较高，不易形成多卤化物）。如：CsBr+IBr→CsIBr2
加热多卤化物则离解为简单的卤化物和卤素单质。CsBr3CsBr+Br2
若为多种卤素的多卤化物，则离解生成具有最高晶格能的一种卤化物，如：
CsICl2=CsCl+ICl 而不是CsI+Cl2
例5：试解释下列卤素互化物的稳定性次序： IF>BrF>ClF>ICl>IBr>BrCl 五、卤素含氧酸及其盐的性质
1、卤素含氧酸的酸性大小变化规律
（1）对同一元素，随卤素氧化数的增加，酸性增强。 HClO （2）对同一氧化态的含氧酸，由于Cl→I原子半径增大，酸性就减弱： HClO>HBrO>HIO；HClO3>HBrO3>HIO3 变化规律可用R-OH模型解释。 2、氧化性变化规律 （1）酸性条件下氧化性大于碱性，HXO>XO-，HXO3>XO3-，HXO4>XO4-。 （2）对于HXO： HClO>HBrO>HIO； ClO->BrO->IO- 对于HXO3： HClO3～HBrO3>HIO3； ClO3-～BrO3->IO3- 对于HXO4： HClO4 以Cl为例归纳如图： 练习1：为什么蒸汽态的卤素有不同的颜色？而I2在CCl4和环己烷溶液中为紫色，在醇中为橙色？ 练习2：氯的含氧酸的氧化性为什么是ClO->ClO3->ClO4-？ 练习3：为何卤素离子与一些金属离子可形成配合物的稳定性顺序为F->Cl->Br-I-？与另外一些金属离子形成配合物稳定顺序为F- 练习4：为什么振荡反应大多以卤素含氧阴离子为基础？ 练习5：根据下述标准电极电势数据，预测当将KMnO4溶液缓缓加到pH=0的HI溶液中时得到的反应产物是什么？说明理由，写出反应方程式。