Nemesgázok. Nemesgázok. Nemesgázok. Nemesgázok. Nemesgázok. Nemesgázok. Atomi sajátságok: ns 2 np 6 He: 1s 2

Átírás

1 Atomi sajátságok: ns 2 np 6 He: 1s 2 nemesgáz-héj: stabilis, nem reaktiv az előfordulás egyetlen formája az egyatomos molekula molekularács (rácspontokban atomok vannak, közöttük csak diszperziós kölcsönhatás van) Fizikai sajátságok ideális gázok színtelen, szagtalan alacsony op, fp (a He légköri nyomáson nem kristályosítható) cseppfolyós hélium: szuperfolyékony (nincs belső súrlódás) Kémiai tulajdonságok: Szokványos reakcióik nem ismertek Zárvány vegyületek: E 6H 2, 0 C alatt, jégszerű szerkezet 1962: Bartlet Xe + 2PtF 6 [XeF] + [PtF 6 ] + PtF 5 Xe F kovalens kötés Kémiai tulajdonságok: reakcióképesség: Rn > Xe >> Kr sorrendben csökken reakció: a legnagyobb EN-ú elemekkel (, F) lehetséges oxidációs számok: +2, +4, +6, +8 Xe - oxidok, fluoridok XeF 2, XeF 4, XeF 6 Xe 3, Xe 4 Xe 2 F 2 Előfordulás: He gyakori a világegyetemben (2.) A Földön ritka elemek, az atmoszférában: 0,93% Ar, 1, % Ne, % He: Σ ~ 1% He és Rn földgázban, ásványi zárványokban Rn: atomerőművekben is képződik levegő cseppfolyósitása és desztillációja He: földgáz (USA, Lengyelország) Felhasználás inert gáz (hegesztés, kémiai reakciók): pl. Ar fénycsövek izzók töltése (Ne, Ar, Xe, Kr) cseppfolyós He: hűtőközeg NMR-mágnesek léggömbök: meterológia "Stomatol - the only way to obtain healthy and strong teeth!" The toothpaste brand Stomatol was during the first half of the 1900s, one of the Swedish brands that used media and, thus, could be seen the most. There were ads and commercials for Stomatol in the press and on film, as well as on enamel and neon signs. The famous sign for Stomatol at Slussen in Stockholm was, to begin with, placed on the elevator Katarinahissen. In fact, it can still be seen in the vicinity.

2 sóképző (fémekkel) NaClősidők óta ismert, de az elemek előállítása csak a XIX. sz. elején vált lehetségessé Felfedezés: Cl 2 : 1810, Davy F 2 : , Ampére-Davy Br 2 : 1826, Balard (23 éves francia) I 2 : 1811, Courtois Atomi paraméterek elektronszerkezete: ns 2 np 5 egy elektron felvételével elérik a nemesgáz-szerkezetet nagy elektronaffinitás, nagy EN, nagy reakciókészség jellemző A csoportban lefelé haladva fizikai és kémiai tulajdonságok fokozatosan változnak Molekularács, rácspontokban X 2 molekulák xidációs állapot általános: 1, ionos és és kovalens vegyületekben F kivétel: +1 +7, nagy EN-ú elemekkel (F,) alkotott vegyületekben F-nek nincs pozitív oxidációs állapotú vegyülete Elem op. fp X X [pm] dissz. energia [kj/mol] EN (Paulingféle) ε [V] F ,0 2,85 Cl , ,0 1,36 Br -7,2 58, ,8 1,07 I 113,5 184, ,5 0,54 At - (302) - - 2,2 - Elem op. fp X X [pm] dissz. energia [kj/mol] EN (Paulingféle) ε [V] F ,0 2,85 Cl , ,0 1,36 Br -7,2 58, ,8 1,07 I 113,5 184, ,5 0,54 At - (302) - - 2,2 - Fluor: disszociációs energia: igen kis érték, oka a nagy mag-mag és e -e taszítás legnagyobb EN Elem op. fp X X [pm] dissz. energia [kj/mol] EN (Paulingféle) ε [V] F ,0 2,85 Cl , ,0 1,36 Br -7,2 58, ,8 1,07 I 113,5 184, ,5 0,54 At - (302) - - 2,2 - Fizikai tulajdonságok op. fp. monoton nő a rendszám, atomméret növekedésével F 2 nehezen cseppfolyósítható gáz Cl 2 gáz (könnyen cseppfolyósítható) Br 2 folyadék (erősen párolgó) I 2 szilárd (szublimál) At fémes jelleg Fizikai tulajdonságok szín mélyül az oszlopban lefele: fluor: sárgászöld klór: zöldessárga bróm: vörösbarna jód: szürke (gőze lila)

3 ldódás: Szerves oldószerekben: C 6 H 6 barnás lila CH 3 H sárgásbarna CCl 4 lila X-X : S (S = oldószer), δ - δ + S I 2 töltésátvitel Töltésátviteli sáv létrejötte magyarázza az erős, látható tartományba eső szint Hasonló töltésátvitel: keményítő jód esetén KI I 2 oldatban (Lugol oldat, KI 3 -oldat) Kísérlet: keményítőoldat + jód az oldat megkékül Melegítés: a kék szín eltűnik Hűtés: a kék szín újra megjelenik Magyarázat: keményítőoldat + jód töltésátvitel alakul ki Melegítés: a kölcsönhatás megszűnik Hűtés: a kölcsönhatás újra kialakul ldódás vízben: Vízzel: klatrátok (Cl 2 8H 2, Br 2 10H 2 ) Víz: nem csak oldószer Fluor: oxidálja a vizet: F 2 = 2 HF + 0,5 2 ldódás vízben: Klór, bróm, jód X 2 XH + HX Diszproporcionálódás savas közegben erősen visszaszorul, különösen a Cl 2 esetében, ahol egy további (erősen ph függő) folyamat is bonyolítja a helyzetet HCl = 2 HCl + HCl 3 Mivel a I 2 alig oldódik, valójában csak a brómos víz tekinthető Br 2.aq oldatnak, ami ~0,2 M-os Kémiai tulajdonságok Reakciók hidrogénnel: H 2 + X 2 = 2 HX (Lásd 1.ea.) fémekkel: pl. 2 Na + Cl 2 = 2 NaCl félfém: 2Sb+3Cl 2 =2 SbCl 3 2Sb+5Cl 2 =2SbCl 5 (Cl 2 :Sb aránytól is függ) átmenetifém: 2 Fe + 3 Cl 2 = Fe 2 Cl 6 A nedves Cl 2 reaktívabb! (víz-katalízis) nemfémekkel: 2,N 2 közvetlenül nem reagálnak P Cl 2 = 4 PCl 5 Kémiai tulajdonságok Reakciók halogénekkel: Cl 2 >Br 2 > I 2 irányban csökken az oxidálóképesség Kísérlet: kevés, majd több klóros vizet adunk a) KBr-oldathoz (+kloroform) szerves fázis vörösbarna, majd halványsárga b) KI-oldathoz (+kloroform) szerves fázis lila, majd színtelen c) KBr-ot és KI-ot tartalmazó oldathoz (+kloroform) szerves fázis lila, majd vörösbarna

4 Magyarázat: a) Cl I = 2 Cl + I Cl 2 + I H 2 = 10 Cl + 2 I H + b) Cl Br = 2 Cl + Br Cl 2 + Br 2 = 2 BrCl Előfordulás Elemi előfordulás nincs Fő előfordulás: halogenid ( 1 ox.állapot) Fluor 554 ppm (13. a földkéregben): CaF 2 - fluorit, folypát Ca 5 (P 4 ) 3 F - fluor-apatit Na 3 AlF 6 -kriolit c) A két reakció (a),b)) egymást követően játszódik le Előfordulás Klór: 126 ppm (20. a földkéregben) sótelepek (pl. Parajd Erdélyben) tengervíz ~3,4 % NaCl (1,9 % Cl) óriási készlet: ~ Észak-Amerika tengerszint feletti részével azonos térfogatú kupac lenne Parajd, Románia fluorit fluor-apatit kriolit Bróm: 2,5 ppm Sótelepek fedőrétege, arkansasi sósvíz Holt tenger Chapel of Saint Kinga, Wieliczka Salt mine, Poland Előfordulás Jód : 0,5 ppm, ritka, de könnyen elérhető Fedősó: KI Chilei salétrom: kísérő vegyület: KI 3 ~ t/ év (415 Japán) Biológiai szerep: elemi állapot: fluor, klór, bróm belélegezve mérgező bróm: bőrre jutva: fekélyes seb jód: fertőtlenítés vegyület: fluorid: csontok, fogak klorid: testnedvek (sóháztartás szabályozása) bromid: biológiai szerep nem köthető hozzá, nyugtató Thyrozin hormon: jód-tartalmú (struma/golyva betegség)

5 Moissan Fluor: Ipari előállítás: 1886, Moissan (1906, Nobel díj) KF-HF = 1:2 elegy olvadékelektrolízise (op. ~72 C) Vaskatód : FeF 2 réteg védi, szénanód I = A, U = 8-12 V, ~1 t elektrolit ~5000 t / év USA Szállítás: cseppfolyós N 2 -nel (-195,8 C fp.) hűtött tartályokban vagy ClF 3 -ként Érdekesség: kémiai előállítás: K 2 MnF SbF 5 = 2 KSbF 6 + MnF 3 + 0,5 F 2 Klór: Laboratóriumi: oxidációval, pl. Mn 2 v. KMn KMn HCl = 2 MnCl KCl + 5 Cl H 2 Ipari: elektrolízis Bróm: xidáció klórral Jód: KI-ból: oxidáció (Cl 2 ) Chilei salétromból: KI 3 redukciója (NaHS 3 ) vizes oldat olvadék (Cl 2,NaHés H 2 ) (Na fém, Cl 2 ) Felhasználás: Fluor: UF 6 uránizotópok szétválasztása (atomerőművek) SF 6 - dielektrikum (üvegház-hatás, környezetszennyező) teflon freon: hűtő-, habosító anyag (ózon pajzsot károsítja) EF 6 (W, Re fémbevonat) F 2 rakéta hajtóanyag 19 F nmr, I= ½ jó mag Felhasználás: Klór: 70% vinil-klorid (CH 2 =CH-Cl) PVC 20% fehérítés (papír, textil) fertőtlenítés (uszoda, ivóvíz, szennyvíz) 10% szervetlen vegyipar HCl, Cl 2, TiCl 4, FeCl 3 stb Bróm: MetBr (CH 3 Br) talajfertőtlenítő (Br 2 C 3 H 5 ) 3 P - tris-dibromo-propil-foszfát: tűzálló anyagok impregnálása AgBr fotográfia Fúróemulziók Gyógyszerek

6 Felhasználás: Jód: Sok kicsi sokra megy AgI gyors filmek I 2 -tinktúra: gyógyászat KI: kémiai analízis 131 I: radioaktív (t 1/2 = 8 nap), képződik az atomreaktorban (Csernobil, 1986: védelem elmaradt) A halogének vegyületei 1-es oxidációs állapotú vegyületek: kovalens molekularácsos halogenidek (nagy EN-ú nemfémes elemekkel) ionrácsos halogenidek (kis EN-ú fémekkel) egyéb halogenidek: kovalens kötésű nem molekularácsos vegyületek (p-, d-mező egyes elemeivel) kovalens, molekularácsos vegyületek gázhalmazállapotú, kellemetlen szagú vegyületek op., fp. nem monoton változik HF anomális viselkedés az erős H-kötés miatt xhf (HF) x x=4, F H F 249 pm H 120,1 F H 92 pm F-H erősen poláris, a H- elektronhiányát a F nemkötő elektronpárjai pótolják HF HCl HBr HI Cl-H: poláris a kötés, de H-kötés nem jön létre összes HX könnyen cseppfolyósítható, reális gázként viselkednek ldódás: Vízben jól oldódnak 1 tf víz 450 tf HCl gázt old Kísérlet: A felső lombikot megtöltjük HCl-dal + egy-két csepp víz szökőkútszerűen felmegy a víz a felső lombikba Magyarázat: az egy-két csepp víz feloldotta a HCl teljes mennyiségét nyomáskülönbség a yomáskülönbség kiegyenlítődik a víz beáramlásával Vízben savként viselkednek HX H X HX HF HCl HBr HI K s 10-3, , HF erőssége kb. a hangyasavéval azonos HCl, HBr, HI: erős savak, a HCl HI irányban nő a savi erősség, ami az EN alapján nem magyarázható

7 Az oxidatív stabilitás HF HI irányban csökken 2 HI + 0,5 2 = H 2 + I 2 Erős savként sok fémmel reagálnak pl. Fe + 2 HCl = FeCl 2 Gyenge savak sóit cserebomlási reakcióban bontják CaC HCl = CaCl 2 + C 2 A HF megtámadja az üveget is: Si HF = SiF 4 +2H 2 SiF 4 +2HF= H 2 [SiF 6 ] HF: CaF 2 S 4 = CaS 4 + 2HF ~1 millió t/év, szállítás: acéltartályban HCl: 5 millió t/év NaCl S 4 = NaHS 4 + HCl (laboratóriumi) 6 C NaCl + NaHS 4 = Na 2 S 4 + HCl A cc. H 2 S 4 nem illékony, a HCl igen! b) H 2 + Cl 2 = 2 HCl szintézis exoterm, robbanás veszélyes c) R CH 2 -H + Cl 2 = R CH 2 -Cl + HCl szubsztitúció mellékterméke HBr, HI: a cc.kénsavas eljárás nem jó, oxidáció miatt PBr H 2 = H 3 P HBr konzerválás vörös foszforral: 2 P + 3 Br 2 = 2 PBr 3 Felhasználás HF: C n Cl x F y : freon Na 3 AlF 6 mesterséges kriolit UF 6 uránizotóp dúsítás rozsdamarók veszélyes méreg üvegmaratás SnF 2 fogkrémek H 2 SiF 6 ivóvíz fluorozása Felhasználás HCl: HCl oldat (37%m/m) vízkőoldó zselatin gyártás keményítő hidrolízis (etanol-üzemanyag!) PVC vízmentes kloridok: 2 Al + 6 HCl = Al 2 Cl H 2 E=Cl, Br, I X=F, Cl, Br n=1,3,5,7 Interhalogének: EX n EX ClF BrF BrCl IF ICl IBr EX 3 ClF 3 BrF 3 IF 3 ICl 3 EX 5 ClF 5 BrF 5 IF 5 ICl 5 EX 7 IF 7 Kovalens kötésű, molekularácsos halogenidek Nagyobb rendszámú halogének arányának növekedésével mélyül a szín, nő az op., fp.

8 A halogének oxidjai xidok Kovalens kötésű molekularácsos vegyületek p, fp. kicsi X- kötési energia kicsi termikus stabilitás kicsi (mennyire állják a melegítést), hidrolitikus stabilitás kicsi (víz/vízgőz hatására bomlanak-e) A halogének oxidjai és oxisavai Klór-, bróm- és jód-oxidok X 2 X 2 X 2 5 X 3 X 2 7 (X 2 6 ) Az oxigén-fluoridok nem jelentősek 2 F 2, F 2 a legismertebb, gyakorlati jelentőségük nincs A halogének oxidjai Cl 2 : klór-dioxid >10 5 t/év (USA), főleg ivóvízkezelésére 40 C felett, illetve szobahőmérsékleten már 0,05-0,1 bar nyomáson robban nem szállítható, helyszínen kell előállítani: pl KCl H 2 C 2 4 = 2 Cl C 2 + K 2 C H 2 (C 2 hígító ) A halogének oxidjai I 2 5 : dijód-pentaoxid a legstabilisabb halogén-oxid színtelen, kristályos anyag valódi savanhidrid (jódsav) I 2 5 = 2 HI 3 Vegyes anhidrid: Cl KH = KCl 2 + KCl 3 x. Sav Név sója X szám +1 HX hipohalogénessav hipohalogenit (F),Cl,Br,I +3 HX = HX 2 halogénessav halogenit Cl,(Br?) +5 HX 2 halogénsav halogenát Cl,Br,I = HX 3 +7 HX 3 = HX 4 perhalogénsav perhalogénát Cl,Br,I bomlékonyak tisztán csak a HCl 4, HI 3, HI 4 állítható elő, de ezek is robbanásveszélyesek, emiatt cc. formában csak speciális laborban használjuk ezeket. a sóik általában stabilisabbak Kísérlet: KCl 3 + porcukor keverékére kénsavat cseppentünk meggyullad

9 xidatív erősség: ( milyen készségesen redukálódik ) HCl 4 HCl csökken I 3 Cl 3 nő savi erősség : HX HX 4 nő (általános) HCl 4 HI 4 csökken Gyakorlati alkalmazásuk HCl, NaCl (hipoklórossav, nátrium-hipoklorit) előállítás: Cl 2 + NaH = NaCl + NaCl - hypo 10 5 t/év 2 NaCl = 2 NaCl + 2 erős oxidálószer. Háztartási hypo: ~ 5% szabad klór + NaH Tilos megsavanyítani! (pl. vízkőoldóval) NaCl + 2 H + 2HCl Cl 2 + 0,5 2 vagy Cl 2 H + + Cl + HCl Gyakorlati alkalmazásuk HX 3 és sói előállítás: elektrokémiai oxidációval 10 5 t/év NaCl 3 : t/év, felhasználás: Cl 2 előállítás KCl 3 : felhasználás: gyufa (+S, Sb 2 S 3, üvegpor, dextrin pép) nem higroszkópos oxidálószer KBr 3 : analitika, bromatometria Br Br + 6 H + = 3 Br H 2 Gyakorlati alkalmazásuk HX 4 és sóik: X = Cl, I HCl 4 perklórsav: legerősebb sav 70%-os oldata biztonságos (HCl 4 H 2 ) Cl 4 nem koordinálódó anion HI 4 - perjódsav H 5 I 6 orto-perjódsav H H H I H H Gyakorlati alkalmazásuk NaCl 4 nátrium-perklorát elektrolízis előállítás: NaCl 3 NaCl I= 5000 A, U= 6V 4 (robbanásveszély) NH 4 Cl 4 ammónium-perklorát: rakéta hajtóanyag 700 t / hajtómű, űrrakétában (Al-port oxidál) Mg(Cl 4 ) 2 magnézium-perklorát: elektrolit száraz elemekben KCl 4 kálium-perklorát: pirotechnikai eszközök, tüzijáték Special use of halogen-compounds The chemistry of lift-off The chemistry of the solid rocket booster propellant can be summed up in this reaction: 10 Al + 6 NH 4 Cl 4 4 Al AlCl H N 2 nce ignited, the fuel-burning reaction cannot be stopped. xygen from ammonium perchlorate combines with aluminum metal to produce aluminum oxide (the white solid, Al 2 3 ), aluminum chloride (AlCl 3 ), water vapour and nitrogen gas. This reaction heats the inside of the solid rocket boosters to 3,200 o C, causing the two gases to expand rapidly. The expanding water vapour and nitrogen lift the rocket boosters with a tremendous force. All the fuel is burned in about two minutes. The two solid rocket boosters provide about 71% of the total upward thrust at lift-off. Meanwhile, the main orbiter engines are also humming, making use of liquid hydrogen and oxygen fuel from the orange external tank: 2 H H 2 This reaction also generates extremely high temperatures (around 3,300 o C), expanding the water vapour and generating additional upward thrust.