הלוגנים בטבלה המחזורית ממוקמים משמאל לגזים האצילים. חמשת היסודות הרעילים הלא מתכתיים הללו נמצאים בקבוצה 7 של הטבלה המחזורית. אלה כוללים פלואור, כלור, ברום, יוד ואסטטין. למרות שאסטטין הוא רדיואקטיבי ויש לו איזוטופים קצרי חיים בלבד, הוא מתנהג כמו יוד ולעתים קרובות מסווג כהלוגן. מכיוון שליסודות ההלוגן יש שבעה אלקטרונים ערכיים, הם צריכים רק אלקטרון אחד נוסף כדי ליצור אוקטטה מלאה. מאפיין זה הופך אותם ליותר תגובתיים מקבוצות אחרות של לא-מתכות.
מאפיינים כלליים
הלוגנים יוצרים מולקולות דו-אטומיות (מהסוג X2, כאשר X מציין אטום הלוגן) - צורה יציבה של קיומם של הלוגנים בצורת יסודות חופשיים. הקשרים של מולקולות דו-אטומיות אלו אינם קוטביים, קוולנטיים ויחידים. התכונות הכימיות של הלוגנים מאפשרות להם להשתלב בקלות עם רוב היסודות, כך שהם לעולם אינם מתרחשים ללא שילוב בטבע. פלואור הוא ההלוגן הכי פעיל ואסטטין הכי פחות.
כל ההלוגנים יוצרים מלחים מקבוצה I עם דומיםנכסים. בתרכובות אלו, הלוגנים קיימים כאניונים הלידים בעלי מטען של -1 (לדוגמה, Cl-, Br-). הסיום -id מציין נוכחות של אניונים הלידים; למשל, Cl- נקרא "כלוריד".
בנוסף, התכונות הכימיות של הלוגנים מאפשרות להם לפעול כחומרי חמצון - לחמצון מתכות. רוב התגובות הכימיות המערבות הלוגנים הן תגובות חיזור בתמיסה מימית. הלוגנים יוצרים קשרים בודדים עם פחמן או חנקן בתרכובות אורגניות שבהן מצב החמצון שלהם (CO) הוא -1. כאשר אטום הלוגן מוחלף באטום מימן הקשור קוולנטי בתרכובת אורגנית, ניתן להשתמש בקידומת halo- במובן כללי, או בקידומת פלואור-, כלורו-, ברום-, יוד- עבור הלוגנים ספציפיים. ניתן לקשור יסודות הלוגן ליצירת מולקולות דו-אטומיות עם קשרים בודדים קוולנטיים קוטביים.
כלור (Cl2) היה ההלוגן הראשון שהתגלה ב-1774, ואחריו יוד (I2), ברום (Br) 2), פלואור (F2) ואסטטין (At, התגלה לאחרונה, ב-1940). השם "הלוגן" מגיע מהשורשים היווניים hal- ("מלח") ו-gen ("ליצור"). יחד, משמעות המילים הללו היא "יוצר מלח", תוך שימת דגש על העובדה שהלוגנים מגיבים עם מתכות ויוצרים מלחים. הלייט הוא שמו של מלח סלע, מינרל טבעי המורכב מנתרן כלורי (NaCl). ולבסוף, נעשה שימוש בהלוגנים בחיי היומיום - פלואוריד נמצא במשחת שיניים, כלור מחטא מי שתייה, ויוד מקדם את ייצור ההורמונים.בלוטת התריס.
אלמנטים כימיים
פלואור הוא יסוד עם מספר אטומי 9, המסומן בסמל F. פלואור יסודי התגלה לראשונה בשנת 1886 על ידי בידוד מחומצה הידרופלואורית. במצבו החופשי, הפלואור קיים כמולקולה דו-אטומית (F2) והוא ההלוגן השכיח ביותר בקרום כדור הארץ. פלואור הוא היסוד האלקטרונילי ביותר בטבלה המחזורית. בטמפרטורת החדר, זהו גז צהוב חיוור. לפלואור יש גם רדיוס אטומי קטן יחסית. CO שלו הוא -1, למעט המצב הדיאטומי היסודי, שבו מצב החמצון שלו הוא אפס. פלואור הוא תגובתי ביותר ומקיים אינטראקציה ישירה עם כל היסודות מלבד הליום (He), ניאון (Ne) וארגון (Ar). בתמיסת H2O, חומצה הידרופלואורית (HF) היא חומצה חלשה. למרות שהפלואור הוא אלקטרוני שלילי חזק, האלקטרושליליות שלו אינה קובעת את החומציות; HF היא חומצה חלשה בשל העובדה שיון הפלואור הוא בסיסי (pH> 7). בנוסף, פלואור מייצר חומרים מחמצנים חזקים מאוד. לדוגמה, פלואור יכול להגיב עם הגז האינרטי קסנון ליצירת חומר חמצון חזק קסנון דיפלואוריד (XeF2). לפלואור שימושים רבים.
כלור הוא יסוד עם מספר אטומי 17 וסמל כימי Cl. התגלה בשנת 1774 על ידי בידודו מחומצת הידרוכלורית. במצבו היסודי, הוא יוצר מולקולה דו-אטומית Cl2. לכלור יש מספר COs: -1, +1, 3, 5 ו7. בטמפרטורת החדר, זהו גז ירוק בהיר. מכיוון שהקשר שנוצר בין שני אטומי כלור חלש, למולקולת Cl2 יש יכולת גבוהה מאוד להיכנס לתוך תרכובות. כלור מגיב עם מתכות ויוצר מלחים הנקראים כלורידים. יוני כלור הם היונים הנפוצים ביותר שנמצאים במי הים. לכלור יש גם שני איזוטופים: 35Cl ו-37Cl. נתרן כלורי הוא הנפוץ ביותר מכל הכלורידים.
ברום הוא יסוד כימי עם מספר אטומי 35 וסמל Br. הוא התגלה לראשונה בשנת 1826. בצורתו היסודית, ברום הוא מולקולה דו-אטומית Br2. בטמפרטורת החדר, זהו נוזל חום אדמדם. CO שלו הוא -1, +1, 3, 4 ו-5. ברום פעיל יותר מיוד, אבל פחות פעיל מכלור. בנוסף, לברום יש שני איזוטופים: 79Br ו-81Br. ברום מופיע כמלחי ברומיד המומסים במי ים. בשנים האחרונות גדל באופן משמעותי ייצור הברומיד בעולם הודות לזמינותו וחייו הארוכים. כמו הלוגנים אחרים, ברום הוא חומר מחמצן והוא רעיל מאוד.
יוד הוא יסוד כימי עם מספר אטומי 53 וסמל I. ליוד יש מצבי חמצון: -1, +1, +5 ו-+7. קיימת כמולקולה דיאטומית, I2. בטמפרטורת החדר זהו מוצק סגול. ליוד יש איזוטופ יציב אחד, 127I. התגלה לראשונה בשנת 1811עם אצות וחומצה גופרתית. כיום ניתן לבודד יוני יוד במי ים. למרות שיוד אינו מסיס מאוד במים, ניתן להגביר את מסיסותו על ידי שימוש ביודים נפרדים. ליוד תפקיד חשוב בגוף, משתתף בייצור הורמוני בלוטת התריס.
אסטטין הוא יסוד רדיואקטיבי עם מספר אטומי 85 וסמל At. מצבי החמצון האפשריים שלו הם -1, +1, 3, 5 ו-7. ההלוגן היחיד שאינו מולקולה דו-אטומית. בתנאים רגילים, זהו מוצק מתכתי שחור. אסטטין הוא יסוד נדיר מאוד, ולכן מעט ידוע עליו. בנוסף, לאסטטין יש זמן מחצית חיים קצר מאוד, לא יותר מכמה שעות. התקבל בשנת 1940 כתוצאה מסינתזה. מאמינים כי אסטטין דומה ליוד. כולל מאפיינים מתכתיים.
הטבלה למטה מציגה את המבנה של אטומי הלוגן, מבנה השכבה החיצונית של אלקטרונים.
| Halogen | תצורת אלקטרונים |
| פלואור | 1s2 2s2 2p5 |
| כלור | 3s2 3p5 |
| Bromine | 3d10 4s2 4p5 |
| יוד | 4d10 5s2 5p5 |
| Astatine | 4f14 5d106 שניות2 6p5 |
מבנה דומה של השכבה החיצונית של אלקטרונים קובע שהתכונות הפיזיקליות והכימיות של הלוגנים דומות. עם זאת, כאשר משווים אלמנטים אלה, נצפים הבדלים גם.
מאפיינים תקופתיים בקבוצת הלוגן
מאפיינים פיזיים של חומרים פשוטים הלוגנים משתנים עם עלייה במספר היסודות. להבנה טובה יותר ובהירות רבה יותר, אנו מציעים לך מספר טבלאות.
נקודות ההיתוך והרתיחה של הקבוצה עולות ככל שגודל המולקולה גדל (F <Cl
טבלה 1. הלוגנים. תכונות פיזיקליות: נקודות התכה ורתיחה
| Halogen | T Melting (˚C) | נקודת רתיחה (˚C) |
| פלואור | -220 | -188 |
| כלור | -101 | -35 |
| Bromine | -7.2 | 58.8 |
| יוד | 114 | 184 |
| Astatine | 302 | 337 |
הרדיוס האטומי עולה
גודל הגרעין גדל (F < Cl < Br < I < At), ככל שמספר הפרוטונים והנייטרונים גדל. בנוסף, עם כל תקופה מתווספות עוד ועוד רמות אנרגיה. זה מביא למסלול גדול יותר, ולכן עלייה ברדיוס האטום.
טבלה 2.הלוגנים. תכונות פיזיקליות: רדיוסים אטומיים
| Halogen | רדיוס קוולנטי (pm) | Ionic (X-) רדיוס (pm) |
| פלואור | 71 | 133 |
| כלור | 99 | 181 |
| Bromine | 114 | 196 |
| יוד | 133 | 220 |
| Astatine | 150 |
אנרגיית היינון פוחתת
אם אלקטרוני הערכיות החיצוניים אינם קרובים לגרעין, אז לא יידרש הרבה אנרגיה כדי להסיר אותם ממנו. לפיכך, האנרגיה הנדרשת כדי לדחוף את האלקטרון החיצוני החוצה אינה גבוהה כל כך בתחתית קבוצת היסודות, מכיוון שיש יותר רמות אנרגיה. בנוסף, אנרגיית היינון הגבוהה גורמת לאלמנט להפגין איכויות לא מתכתיות. תצוגת יוד ואסטטין מפגינים תכונות מתכתיות מכיוון שאנרגיית היינון מופחתת (במספר < I < Br < Cl < F).
טבלה 3. הלוגנים. תכונות פיזיקליות: אנרגיית יינון
| Halogen | אנרגיית יינון (kJ/mol) |
| fluorine | 1681 |
| כלור | 1251 |
| bromine | 1140 |
| iodine | 1008 |
| astatine | 890±40 |
השליליות האלקטרונית פוחתת
מספר האלקטרונים הערכיים באטום גדל עם עליית רמות האנרגיה ברמות נמוכות יותר. האלקטרונים מתרחקים בהדרגה מהגרעין; לפיכך, הגרעין והאלקטרונים לא נמשכים שניהם זה לזה. נצפית עליה במיגון. לכן, האלקטרונליליות פוחתת עם התקופה הגוברת (ב-< I < Br < Cl < F).
טבלה 4. הלוגנים. תכונות פיזיקליות: אלקטרושליליות
| Halogen | Electronegativity |
| fluorine | 4.0 |
| כלור | 3.0 |
| bromine | 2.8 |
| iodine | 2.5 |
| astatine | 2.2 |
זיקה לאלקטרונים יורדת
ככל שגודלו של אטום גדל עם הזמן, זיקת האלקטרונים נוטה לרדת (B < I < Br < F < Cl). יוצא דופן הוא פלואור, שהזיקה שלו קטנה מזו של כלור. ניתן להסביר זאת על ידי הגודל הקטן יותר של הפלואור בהשוואה לכלור.
טבלה 5. זיקה אלקטרונית של הלוגנים
| Halogen | זיקה לאלקטרונים (kJ/mol) |
| fluorine | -328.0 |
| כלור | -349.0 |
| bromine | -324.6 |
| iodine | -295.2 |
| astatine | -270.1 |
תגובתיות של אלמנטים יורדת
התגובתיות של הלוגנים יורדת עם התקופה הגוברת (ב-<I
כימיה אי-אורגנית. מימן + הלוגנים
הליד נוצר כאשר הלוגן מגיב עם יסוד אחר, פחות אלקטרונילי, ליצירת תרכובת בינארית. מימן מגיב עם הלוגנים ליצירת הלידים HX:
- מימן פלואוריד HF;
- מימן כלורי HCl;
- מימן ברומיד HBr;
- הידרויודין HI.
הלידי מימן מתמוססים בקלות במים ויוצרים חומצות הידרותליות (הידרופלואוריות, הידרוכלוריות, הידרוברומיות, הידרויודיות). התכונות של חומצות אלו ניתנות להלן.
חומצות נוצרות מהתגובה הבאה: HX (aq) + H2O (l) → Х- (aq) + H 3O+ (aq).
כל הלידי המימן יוצרים חומצות חזקות מלבד HF.
החומציות של חומצות הידרותליות עולה: HF <HCl <HBr <HI.
חומצה הידרופלואורית יכולה לחרוט זכוכית וכמה פלואורידים אנאורגניים במשך זמן רב.
זה אולי נראה מנוגד לאינטואיציה ש-HF היא החומצה ההידרופלית החלשה ביותר, שכן לפלואור יש את החומצה הגבוהה ביותראלקטרושליליות. עם זאת, הקשר H-F חזק מאוד, וכתוצאה מכך חומצה חלשה מאוד. קשר חזק נקבע על ידי אורך קשר קצר ואנרגיית דיסוציאציה גבוהה. מכל הלידי המימן, ל-HF יש את אורך הקשר הקצר ביותר ואת אנרגיית ניתוק הקשר הגדולה ביותר.
חומצות אוקסואציות הלוגן
חומצות אוקסואציות הלוגן הן חומצות עם אטומי מימן, חמצן והלוגן. ניתן לקבוע את החומציות שלהם באמצעות ניתוח מבנה. חומצות הלוגן אוקסואציות מופיעות להלן:
- חומצה היפוכלורית HOCl.
- חומצה כלורית HClO2.
- חומצה כלורית HClO3.
- חומצה פרכלורית HClO4.
- חומצה היפוכלורית HOBr.
- חומצה ברום HBrO3.
- חומצה ברום HBrO4.
- Hyiodic acid HOI.
- חומצה יודונית HIO3.
- חומצה מתאיודת HIO4, H5IO6.
בכל אחת מהחומצות הללו, פרוטון קשור לאטום חמצן, כך שהשוואת אורכי קשר פרוטונים היא חסרת תועלת כאן. האלקטרונגטיביות משחקת כאן תפקיד דומיננטי. פעילות החומצה עולה עם מספר אטומי החמצן הקשורים לאטום המרכזי.
מראה ומצב החומר
ניתן לסכם את התכונות הפיזיקליות העיקריות של הלוגנים בטבלה הבאה.
| מצב החומר (בטמפרטורת החדר) | Halogen | הופעה |
| hard | iodine | סגול |
| astatine | שחור | |
| נוזל | bromine | אדום-חום |
| gaseous | fluorine | שיזוף חיוור |
| כלור | ירוק חיוור |
הסבר המראה
צבע ההלוגנים הוא תוצאה של בליעת האור הנראה על ידי מולקולות, הגורם לעירור אלקטרונים. פלואור סופג אור סגול ולכן נראה צהוב בהיר. יוד, לעומת זאת, סופג אור צהוב ונראה סגול (צהוב וסגול הם צבעים משלימים). צבע ההלוגנים נעשה כהה יותר ככל שהתקופה מתגברת.
במכלים סגורים, ברום נוזלי ויוד מוצק נמצאים בשיווי משקל עם האדים שלהם, שניתן לראות אותם כגז צבעוני.
למרות שצבעו של אסטטין אינו ידוע, ההנחה היא שהוא חייב להיות כהה יותר מיוד (כלומר שחור) בהתאם לדפוס שנצפה.
עכשיו, אם ישאלו אותך: "אפיין את התכונות הפיזיקליות של הלוגנים", יהיה לך מה לומר.
מצב החמצון של הלוגנים בתרכובות
מצב חמצון משמש לעתים קרובות במקום "ערך הלוגן". ככלל, מצב החמצון הוא -1. אבל אם הלוגן נקשר לחמצן או להלוגן אחר, הוא יכול לקבל מצבים אחרים:חמצן CO -2 יש עדיפות. במקרה של שני אטומי הלוגן שונים הקשורים זה לזה, האטום האלקטרונילי יותר מנצח ולוקח CO -1.
לדוגמה, ביוד כלוריד (ICl) לכלור יש CO -1, ויוד +1. כלור הוא אלקטרונילי יותר מיוד, כך שה-CO שלו הוא -1.
בחומצה ברומית (HBrO4) לחמצן יש CO -8 (-2 x 4 אטומים=-8). למימן יש מצב חמצון כולל של +1. הוספת ערכים אלה נותנת CO -7. מכיוון שה-CO הסופי של התרכובת חייב להיות אפס, ה-CO של ברום הוא +7.
החריג השלישי לכלל הוא מצב החמצון של הלוגן בצורה יסודית (X2), כאשר ה-CO שלו הוא אפס.
| Halogen | CO בתרכובות |
| fluorine | -1 |
| כלור | -1, +1, +3, +5, +7 |
| bromine | -1, +1, +3, +4, +5 |
| iodine | -1, +1, +5, +7 |
| astatine | -1, +1, +3, +5, +7 |
מדוע ה-SD של פלואור הוא תמיד -1?
האלקטרוןשליליות עולה עם התקופה. לכן, לפלואור יש את האלקטרושליליות הגבוהה ביותר מכל היסודות, כפי שמעידה מיקומו בטבלה המחזורית. התצורה האלקטרונית שלו היא 1s2 2s2 2p5. אם הפלואור צובר אלקטרון אחד נוסף, ה-p-אורביטלים החיצוניים ביותר מתמלאים לחלוטין ומרכיבים אוקטטה מלאה. כי לפלואור ישאלקטרושליליות גבוהה, הוא יכול בקלות לקחת אלקטרון מאטום שכן. הפלואור במקרה זה הוא איזואלקטרוני לגז האינרטי (עם שמונה אלקטרונים ערכיים), כל האורביטלים החיצוניים שלו מלאים. במצב זה, הפלואור יציב הרבה יותר.
ייצור ושימוש בהלוגנים
בטבע, הלוגנים נמצאים במצב של אניונים, ולכן הלוגנים חופשיים מתקבלים על ידי חמצון על ידי אלקטרוליזה או באמצעות חומרי חמצון. לדוגמה, כלור מיוצר על ידי הידרוליזה של תמיסת מלח. השימוש בהלוגנים ובתרכובותיהם מגוון.
- פלואור. למרות שפלואור הוא מאוד תגובתי, הוא משמש ביישומים תעשייתיים רבים. לדוגמה, זהו מרכיב מפתח בפוליטטראפלואוראתילן (טפלון) וכמה פלואורפולימרים אחרים. CFCs הם כימיקלים אורגניים ששימשו בעבר כחומרי קירור והנעה באירוסולים. השימוש בהם הופסק עקב השפעתם האפשרית על הסביבה. הם הוחלפו בהידרוכלורופלואורופחמנים. פלואוריד מתווסף למשחת שיניים (SnF2) ולמי שתייה (NaF) כדי למנוע עששת. הלוגן זה נמצא בחימר המשמש לייצור סוגים מסוימים של קרמיקה (LiF), המשמשים באנרגיה גרעינית (UF6), לייצור האנטיביוטיקה פלואורוקינולון, אלומיניום (Na). 3 AlF6), לבידוד מתח גבוה (SF6).
- כלור מצא גם מגוון שימושים. הוא משמש לחיטוי מי שתייה ובריכות שחייה. נתרן היפוכלוריט (NaClO)הוא המרכיב העיקרי של אקונומיקה. חומצה הידרוכלורית נמצאת בשימוש נרחב בתעשייה ובמעבדות. כלור קיים בפוליויניל כלוריד (PVC) ובפולימרים אחרים המשמשים לבידוד חוטים, צינורות ואלקטרוניקה. בנוסף, הכלור הוכח כיעיל בתעשיית התרופות. תרופות המכילות כלור משמשות לטיפול בזיהומים, אלרגיות וסוכרת. הצורה הנייטרלית של הידרוכלוריד היא מרכיב בתרופות רבות. כלור משמש גם לעיקור ציוד בית חולים ולחיטוי. בחקלאות, כלור הוא מרכיב בחומרי הדברה מסחריים רבים: DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane) שימש כקוטל חרקים חקלאי, אך השימוש בו הופסק.
- ברום, בשל חוסר הבעירה שלו, משמש לדיכוי בעירה. הוא נמצא גם במתיל ברומיד, חומר הדברה המשמש לשימור יבולים ודיכוי חיידקים. עם זאת, השימוש המופרז במתיל ברומיד הופסק בהדרגה בשל השפעתו על שכבת האוזון. ברום משמש לייצור בנזין, סרטי צילום, מטפים, תרופות לטיפול בדלקת ריאות ואלצהיימר.
- ליוד תפקיד חשוב בתפקוד תקין של בלוטת התריס. אם הגוף לא מקבל מספיק יוד, בלוטת התריס גדלה. כדי למנוע זפק, הלוגן זה מתווסף למלח שולחן. יוד משמש גם כחומר חיטוי. יוד נמצא בתמיסות המשמשות עבורניקוי פצעים פתוחים, כמו גם בתרסיסי חיטוי. בנוסף, יודי כסף חיוני בצילום.
- אסטטין הוא הלוגן אדמה רדיואקטיבי ונדיר, ולכן עדיין לא נעשה בו שימוש בשום מקום. עם זאת, מאמינים שאלמנט זה עשוי לסייע ליוד בוויסות הורמוני בלוטת התריס.
