- describe the colours and the trend in volatility of chlorine, bromine and iodine
- describe and explain the trend in the bond strength of the halogen molecules
- interpret the volatility of the elements in terms of instantaneous dipole–induced dipole forces
第17族
A-Level 化学 · 第 11 主题
11.1
第17族元素的物理性质
大纲
来源:剑桥国际大纲
卤素(halogens)是族(Group)17 的元素。它们以双原子分子存在($\text{Cl}_2$、$\text{Br}_2$、$\text{I}_2$)。沿族向下:
| 元素 | 室温下的颜色和状态 |
|---|---|
| chlorine 氯 | 浅绿色气体 |
| bromine 溴 | 红棕色液体 |
| iodine 碘 | 灰黑色固体(紫色蒸气) |
挥发性(volatility,一种物质变成蒸气的难易程度)沿族向下减小:氯是气体,而碘是固体。这是因为分子变大、有更多电子,所以它们之间的瞬时偶极(instantaneous dipole)和诱导偶极(induced dipole)力变强。更强的力更难断裂,所以沸点上升、挥发性下降。
$\text{X}\text{–}\text{X}$ 分子的键能(bond energy,键强度)总体上从 $\text{Cl}_2$ 到 $\text{I}_2$ 下降,因为在较大的原子中共享电子离原子核更远。
探索
Halogen physical trend lab
Follow halogens down the group and link state, colour and volatility.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| halogen | 卤素 | lǔ sù |
| group | 族 | zú |
| volatility | 挥发性 | huī fā xìng |
| instantaneous dipole | 瞬时偶极 | shùn shí ǒu jí |
| induced dipole | 诱导偶极 | yòu dǎo ǒu jí |
| bond energy | 键能 | jiàn néng |
11.2
卤素与卤化氢的化学性质
大纲
- describe the relative reactivity of the elements as oxidising agents
- describe the reactions of the elements with hydrogen and explain their relative reactivity in these reactions
- describe the relative thermal stabilities of the hydrogen halides and explain these in terms of bond strengths
来源:剑桥国际大纲
卤素作为氧化剂
每种卤素通过获得一个电子形成一个 $1-$ 离子来反应,所以它作为一种氧化剂(oxidising agent)。这种能力沿族向下减小,因为较大的原子对一个额外电子的吸引较弱。一种较活泼的卤素能从它的盐中把一种较不活泼的推出来:
$$\text{Cl}_2 + 2\text{KBr} \rightarrow 2\text{KCl} + \text{Br}_2$$
与氢的反应
每种卤素与氢反应形成一种卤化氢(hydrogen halide):
$$\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$$
反应沿族向下变得不那么剧烈:氯在光照下爆炸性地反应,溴需要加热,碘缓慢且只部分地反应。
卤化氢的热稳定性
卤化氢的热稳定性(thermal stability)沿族向下减小。随着卤素原子变大 H–X 键变弱,所以 HI 在轻微加热时分解,而 HCl 非常稳定。
探索
Halogen and hydrogen halide lab
Classify halogen chemistry by oxidising and reducing strength.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| oxidising agent | 氧化剂 | yǎng huà jì |
| hydrogen halide | 卤化氢 | lǔ huà qīng |
| thermal stability | 热稳定性 | rè wěn dìng xìng |
11.3
卤离子的一些反应
大纲
- describe the relative reactivity of halide ions as reducing agents
- describe and explain the reactions of halide ions with: (a) aqueous silver ions followed by aqueous ammonia (the formation and formula of the $[\text{Ag}(\text{NH}_3)_2]^+$ complex is not required) (b) concentrated sulfuric acid, to include balanced chemical equations
来源:剑桥国际大纲
卤离子作为还原剂
一个卤离子(halide ion,如 $\text{Cl}^-$)能给出一个电子,作为一种还原剂(reducing agent)。这种能力沿族向下增大,因为一个较大的离子把它的外层电子束缚得不那么紧。
与水合银离子的反应
加入水合硝酸银,然后水合氨(ammonia),从卤化银沉淀(precipitate)的颜色辨认卤离子:
| 卤离子 | 与 $\text{Ag}^+$ 的沉淀 | 在氨中的溶解度 |
|---|---|---|
| $\text{Cl}^-$ | 白色 | 溶于稀氨 |
| $\text{Br}^-$ | 乳白色 | 只溶于浓氨 |
| $\text{I}^-$ | 黄色 | 不溶于氨 |
与浓硫酸的反应
所有卤化物首先给出卤化氢。较下方的卤化物随后被酸氧化,因为它们是更强的还原剂:
$$\text{NaCl} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{NaHSO}_4 + \text{HCl}$$
- 氯化物只给出 $\text{HCl}$(无氧化还原)。
- 溴化物还给出一些棕色的 $\text{Br}_2$ 和 $\text{SO}_2$。
- 碘化物给出 $\text{I}_2$ 和有臭味的气体 $\text{H}_2\text{S}$ 和 $\text{SO}_2$,因为 $\text{I}^-$ 是最强的还原剂。
探索
Halide ion test lab
Match halide ion evidence to the ion present.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| halide ion | 卤离子 | lǔ lí zi |
| reducing agent | 还原剂 | huán yuán jì |
| ammonia | 氨 | ān |
| precipitate | 沉淀 | chén diàn |
11.4
氯的反应
大纲
- describe and interpret, in terms of changes in oxidation number, the reaction of chlorine with cold and with hot aqueous sodium hydroxide and recognise these as disproportionation reactions
- explain, including by use of an equation, the use of chlorine in water purification to include the production of the active species $\text{HOCl}$ and $\text{ClO}^-$ which kill bacteria
来源:剑桥国际大纲
与氢氧化钠
与冷、稀的氢氧化钠,氯反应形成氯化物和氯酸盐(I):
$$\text{Cl}_2 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{NaClO} + \text{H}_2\text{O}$$
与热、浓的氢氧化钠,它形成氯化物和氯酸盐(V):
$$3\text{Cl}_2 + 6\text{NaOH} \rightarrow 5\text{NaCl} + \text{NaClO}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$$
在两者中,氯的氧化数(oxidation number)都(从 $0$)既升又降,所以两者都是歧化(disproportionation)反应。
氯在水净化中
一点氯被加入水中用于水净化(water purification)。它与水反应:
$$\text{Cl}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HOCl} + \text{HCl}$$
活性物种 $\text{HOCl}$ 和 $\text{ClO}^-$ 杀死细菌(bacteria),使水可安全饮用。
例题。 把固体 $\text{NaCl}$、$\text{NaBr}$ 和 $\text{NaI}$ 分别与浓 $\text{H}_2\text{SO}_4$ 加热。预测产物。还原能力沿族向下递增,所以每种卤离子把硫酸还原到什么程度并不相同。$\text{Cl}^{-}$ 太弱,根本不能还原它,所以只得到有雾状的 $\text{HCl}$ - 这是一个酸碱反应。$\text{Br}^{-}$ 能稍微还原它:得到 $\text{HBr}$ 以及棕色的 $\text{Br}_2$ 和 $\text{SO}_2$。$\text{I}^{-}$ 是最强的还原剂:得到 $\text{HI}$ 和 $\text{I}_2$,并把硫一直还原到 $\text{H}_2\text{S}$,带臭鸡蛋味。每一种卤离子都先生成卤化氢;只有当卤离子是足够强的还原剂去进攻硫时,额外的产物才会出现。
探索
Chlorine reaction route
Follow chlorine from water treatment to redox reactions.
词汇表
训练
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| oxidation number | 氧化数 | yǎng huà shù |
| disproportionation | 歧化 | qí huà |
| water purification | 水净化 | shuǐ jìng huà |
| bacteria | 细菌 | xì jūn |
11.4
考试技巧
- 卤素沿族向下变得不那么活泼(更难获得一个电子);氧化能力减小。
- 置换:一种较活泼的卤素置换一种较不活泼的卤化物——陈述颜色变化。
- 用 $\text{AgNO}_3$ 检验卤离子:白色($\text{Cl}^-$)、乳白色($\text{Br}^-$)、黄色($\text{I}^-$),然后用稀/浓氨确认。
- 氯与水和与冷 $\text{NaOH}$ 是歧化——显示氧化数的变化。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。