هالوژن ها – گروه ۱۷ جدول تناوبی
عناصر گروه ۱۷ جدول تناوبی به نام هالوژن ها برگرفته از زبان یونانی به معنای نمک ساز است. این گروه شامل فلوئور، کلر، برم، ید و استاتین می باشد که به صورت مولکول های دو اتمی وجود دارند.
هالوژن ها را بارون جانز شیمیدان سوئدی نام گذاری کرده است. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی خواص و کاربردهای عناصر این گروه از جدول تناوبی می پردازد.
خواص فیزیکی هالوژن ها
در این گروه با حرکت از بالا به پایین جدول با افزایش عدد اتمی و جرم مولکولی، نقاط ذوب و جوش افزایش یافته و طول پیوند در مولکول هالوژن (X۲) زیاد می شود. چون نیروی بین مولکولی در این گروه از نوع لاندون است، مولکول I۲ به دلیل بزرگتر بودن قوی ترین نیروی جاذبه بین مولکولی را دارد. به همین دلیل است که بیشترین نقطه ذوب و جوش را دارد. در گروه عناصر گروه ۱۷ فلوئور (رنگ زرد) و کلر (زرد مایل به سبز) به حالت گاز، برم به شکل مایع مایل به قرمز تیره و ید به شکل جامد سیاه با رنگ بنفش و استاتین جامد فلزی تیره و براق است. قدرت الکترونگاتیوی و اکسندگی نیز از فلوئور تا ید کاهش می یابد.
عناصر گروه هفتم اصلی ترکیباتی غیرقطبی هستند. به جز فلوئور بقیه این عناصرحلالیت کمی داشته محلول های رنگی می دهند. در حلال های غیر قطبی راحت حل شده و بسته به نوع حلال محلول های رنگی مختلفی می دهند. فلوئور یک ایزوتوپ پایدار فلوئور-۱۹ و کلر دو ایزوتوپ پایدار کلر-۳۵ و کلر-۳۷ دارد.
خواص شیمیایی هالوژن ها
عناصر گروه هفتم اصلی چون فقط یک الکترون کمتر نسبت به گاز نجیب بعد از خود در جدول تناوبی دارند که به آرایش اوکتت برسند تمایل زیادی به جذب یک الکترون داشته و به یون X– تبدیل می شوند. به همین جهت این عناصر واکنش پذیری بالایی داشته و شدت این واکنش پذیری از بالا به پایین کاهش می یابد. فلوئور با پیوند ضعیف F-F به دلیل واکنش پذیری بالا و خورندگی زیادش در واکنش با شیشه تولید تترافلوئورید سیلیسیم (SiF۴) می کند. به همین جهت نگهداری و حمل ونقل آن با ظروف تفلونی انجام می شود. چون اتم فلوئور کوچک و بار موثر هسته آن زیاد است همپوشانی بین اوربیتال های پیوندی کم شده و نیروی دافعه بین جفت الکترون های تنهای روی این دو اتم زیاد می شود. این دلایل باعث کاهش انرژی پیوندی و ضعیف بودن پیوند فلوئور-فلوئور است.
تهیه هالوژن ها
همه عناصر گروه هفتم اصلی به جز فلوئور از اکسایش هالیدها در مقابل اکسنده هایی مثل دی اکسید منگنز و پرمنگنات پتاسیم به دست می آیند. واکنش اکسایشی هالیدها به این شکل است :
۲X– → X۲ + ۲e–
اما فلوئور چون اکسنده ای بسیار قوی است نمی توان آن را از راه اکسیداسیون تهیه کرد. بنابراین این مولکول را از راه الکترولیز، در محلول الکترولیتی که شامل پتاسیم فلوئورید حل شده در هیدروژن فلوئورید مایع است به دست می آورند.
ترکیبات هالوژن ها
هیدروژن هالیدها
همه عناصر گروه ۱۷ جدول تناوبی با سرعت های واکنش پذیری مختلف با هیدروژن واکنش می دهند. فلوئور حتی در تاریکی با هیدروژن واکنش انفجاری دارد. کلر در مقابل نور و گرما به حالت انفجاری هیدروژن هالید می دهد. برم با هیدروژن در حضور گرما و ید و استاتین به مقدار جزئی با هیدروژن واکنش می دهد. هالیدهای هیدروژن گازهای بی رنگی هستند که در آب به صورت اسیدهیدروهالیک می باشند. این اسیدها خاصیت اسیدی قوی دارند به جز اسیدهیدروفلوئوریک که اسید ضعیفی است.
ترکیبات بین هالوژنی
این ترکیبات دو هالوژن مختلف را در ساختار خود دارند که فرمول آن ها به شکل XYn (n=1‚۳‚۵‚۷) است. واکنش پذیری این ترکیبات نسبت به X2 بیشتر است (البته به استثنای فلوئور). نمونه ای از این ترکیبات IF7 است.
اکسی اسیدهای هالوژن ها
اکسی اسیدهای عناصر گروه ۱۷ به صورت های هیپوهالواسید (HOX)، هالواسید (HXO2)، هالیک اسید (HXO3) و پرهالیک اسید (HXO4) وجود دارد. هرچه تعداد اتم های اکسیژن در این ترکیبات بیشتر باشد قدرت اسیدی بیشتری دارند. اسیدپربرمیک و اسیدپرکلریک و اسیدهالیک جزء اسیدهای قوی هستند. اکسی اسیدهای هالوژن ها خاصیت اکسیدکنندگی دارند که این خصوصیت در محیط های اسیدی بیشتر از محیط های بازی است.
ارگانوهالوژن ها
این ترکیبات که به هالیدهای آلی معروف هستند ترکیبات آلی هستند که در زنجیر آن ها هالوژن ها جایگزین یک یا چند اتم هیدروژن شده اند. در این گروه می توان فلوئوروآلکان ها، کلروآلکان ها، برموآلکان ها و یدوآلکان ها را نام برد. پلاستیک های پلیمری از ترکیبات آلی هالوژن دار هستند. در تولید هورمون تیروئید مثل تیروکسین ترکیب آلی ید نقشی اساسی دارد.
واکنش هالوژن ها با نافلزات دیگر به جز هیدروژن
فلوئور به دلیل واکنش پذیری بسیار بالا با تمام نافلزات واکنش می دهد. نافلزات استثنا در این مبحث نیتروژن، هلیم، نئون و آرگون می باشد. فلوئور در مقابل گرما با گاز بی اثر (نجیب) زنون طبق معادله زیر واکنش می دهد.
Xe + 2F۲ → XeF۴
فلوئور در مقابل گرما با الماس CF۴ و با سیلیس SiF۴ می دهد. اما کلر و برم با بسیاری از نافلزها مانند گازهای نجیب، کربن و نیتروژن مستقیما واکنش نمی دهند.
واکنش هالوژن ها با فلزها
عناصر گروه ۱۷ به سرعت با فلزات واکنش می دهند. در این میان فلوئور واکنش پذیری بسیار بالا دارد و ید به کندی با فلزات واکنش می دهد. فلزات بلوک S با هالوژن ها هالیدهای یونی می دهند. فلزات بلوک P و فلزات واسطه با هالوژن ها هالیدهایی می دهد که عدد اکسایش آن ها ۳+ و بالاتر است ودر نهایت نافلزات با هالوژن ها هالیدهای مولکولی (با پیوند کووالانسی) می دهند. آهن با فلوئور به سرعت واکنش داده و فلوئورید آهن (III) سفید رنگ را می دهد. کلر در مجاورت گرما با آهن کلرید آهن (III) سیاه رنگ را داده اما ید با آهن در حضور گرما یدید آهن (II) می دهد.
خواص متفاوت فلوئور (کوچک بودن، الکترونگاتیوی بالا و قطبش پذیری بالا) باعث متفاوت بودن ترکیبات آن با فلزات نسبت به عناصر دیگر در این گروه شده است. به عنوان نمونه فلوئورید آلومینیم یونی، اما آلومینیم هالیدهای دیگر ترکیبات کووالانسی هستند.
واکنش هالوژن ها با بازها
کلر، برم و ید با بازها در دمای ۱۵ درجه سانتیگراد واکنش داده و هالیدها (X–) و هیپوهالیت (XO–) و هالات (XO۳–) می دهند. کلر در واکنش با محلول سدیم هیدروکسید در دمای ۱۵ درجه سانتیگراد NaClOو در دمای ۷۰ درجه سانتیگراد NaClO۳ را تولید می کند. در واکنش ید با محلول سدیم هیدروکسید به طور همزمان در محصول واکنش NaIO و NaIO۳ را داریم. این نوع واکنش ها که ید در یک واکنش هم اکسید شده و هم کاهش یافته است به واکنش های تسهیم نامتناسب معروف هستند.
واکنش هالوژن ها با آب
فلوئور با آب واکنش داده اکسیژن و فلوئورید هیدروژن می دهد.
۲F۲(g) + 2H۲O(l) → O۲(g) + 4HF(aq)
از واکنش کلر با آب مخلوط اسیدهیدرو کلریک و اسیدهیپوکلرو تشکیل می شود که در محلول های ضدعفونی کننده و وایتکس استفاده می شود. در نهایت از واکنش برم با آب اسیدهیدروبرمیک و اسیدهیپوبرمو حاصل می شود که این واکنش با توجه به روند سرعت واکنش پذیری عناصر گروه ۱۷ واکنش آهسته ای است. ید حلالیت بسیار کمی در آب دارد و با آب وارد واکنش نمی شود.
کاربردهای هالوژن ها
کاربرد فلوئور
بیشترین استفاده فلوئور در ترکیب خمیردندان است طوریکه حتی در بعضی از کشورها فلوئور را برای جلوگیری از پوسیدگی دندان به آب آشامیدنی اضافه می کنند. از ترکیبات فلوئور در داروهای بیهوش کننده، ساخت موشک، قلم زنی شیشه و ساخت تفلون استفاده می کنند. در گذشته از فلوئور در ترکیب فلوئوروکربن ها که برای ساخت اسپری آئروسل ها و پلیمرها بود استفاده می کردند. اما امروزه می دانند که این ترکیبات باعث تخریب لایه اوزون می شود و استفاده از آن ممنوع شده است.
کاربرد کلر
از کلر برای تصفیه آب فاضلاب، تولید حشره کش ها، حلال ها، رنگ های خوراکی، مسکن ها، داروهای ضد انعقاد، کلاه ها و تجهیزات آتش نشانی کاربرد دارد. کلر در ترکیب گاز خردل و تولید محصولات کاغذی استفاده می شود. کلر به عنوان بخشی از نمک در طبیعت وجود دارد.
کاربرد ید و برم
لامپ هالوژنی لامپ رشته ای است که در ترکیب گازهای آن ید و برم وجود دارد. برمید نقره در فیلم عکاسی استفاده می شود. یکی از ترکیب های داروهای ضد تشنج پتاسیم برمید است. ید یک آنتی اکسیدان در خون است. ید در درمان آلرژی، عفونت مثانه و آکنه کاربرد دارد. استاتین یک ردیاب رادیواکتیو است. در درمان سرطان از استاتین استفاده می شود.
حالت فیزیکی هالوژن ها در دمای اتاق
هالوژن ها، گروه ۷، گروه مهمی از عناصر هم از نظر شیمیایی و هم از نظر اجتماعی هستند. آنها از این نظر غیر معمول هستند که رنگی و دو اتمی هستند. آنها همچنین دارای ترتیب واکنش پذیری هستند که برعکس فلزات گروه ۱ و ۲ است. در واقع همه آنها بسیار واکنش پذیر هستند، فلوئور واکنش پذیرترین غیر فلز است. این عناصر در دماهای مختلف اشکال مختلفی دارند که بهتر است برای کاربرد بهتر از آنها آگاه باشیم.
این عناصر در دمای اتاق به اشکال مختلفی وجود دارند. در واقع در دمای اتاق عناصر گروه هالوژن ها در سه حالت مجزای ماده قرار دارند. در بین این عناصر ید و استاتین جامد هستند در حالیکه برم مایع است و فلوئور و کلر گاز هستند. در واقع در شرایط محیطی عناصر پایین گروه به دلیل افزایش جرم به شکل جامد هستند. عناصر موجود در بالای گروه در دمای نرمال به دلیل جرم مولکولی کمتر، گاز هستند. برم که در وسط گروه قرار دارد و جرم مولکولی خیلی بالا یا خیلی پایینی ندارد، جامد است. بنابراین عنصر برم در دمای محیط مایع است. این عناصر از نظر رنگ نیز با یکدیگر متفاوت هستند. بطوریکه برم قرمز رنگ، ید و استاتین تقریبا سیاه و فلوئور و کلر به رنگ سبز هستند.
هالوژن ها کاربردهای بسیاری در شیمی و صنایع دارند. خواص منحصر به فرد این ترکیبات در گروه ۷ جدول تناوبی باعث شده در بسیاری از واکنش ها مورد استفاده قرار بگیرند. خواص این ترکیبات مانند سایر گروه ها از ابتدای گروه به سمت پایین تغییر می کند. با استفاده از این خواص شما می توانید آنها را به راحتی در شرایط مختلف مورد استفاده قرار دهید. کلر یکی از پرکاربردترین عناصر موجود در گروه هالوژن ها است و بواسطه کاربرد گسترده بسیاری از مردم آن را کاملا می شناسند.
