Szervetlen kémia · Nemfémek · Halogének

Halogénvegyületek

A halogének (F, Cl, Br, I) a legreakcióképesebb nemfémek — vegyületeik mindenütt körülvesznek minket: a konyhasótól a gyomorsavon át a fényképfilmig és a fertőtlenítő hipóig. Ebben a fejezetben a hidrogén-halogenidektől és a haloidsavaktól a fémhalogenideken, az ezüst-halogenideken át a hipokloritig és az oxosavakig építjük fel a képet — mindig a szerkezet → tulajdonság → felhasználás logikája mentén.

hidrogén-halogenidek haloidsavak kősó (NaCl) ezüst-halogenidek hipó · oxosavak kimutatás

A) Áttekintés

01

A halogénvegyületek csoportosítása

A halogének a periódusos rendszer VII. főcsoportjának (17. csoport) nemfémes elemei: fluor (F), klór (Cl), bróm (Br), jód (I). Hét vegyértékelektronjuk van, ezért egyetlen elektron felvételével vagy egy kötés kialakításával érik el a nemesgáz-szerkezetet. Vegyületeikben a halogén oxidációs száma kétféle lehet — és ez a legfontosabb rendező elv:

A halogénvegyületek két nagy családja
Halogénvegyület Halogenidek a halogén oxidációs száma −1 (negatív) HCl, NaCl, AgBr, CCl₄, AlCl₃, CaF₂ Oxosavak és sóik a halogén oxidációs száma +1, +3, +5, +7 HClO, HClO₃, HClO₄, NaOCl (hipó) A negatív oxidációs számú vegyületek a halogenidek; a pozitívak az oxigéntartalmú savak (halogenátok).
A halogén oxidációs száma dönti el a családot: negatív (−1) → halogenid; pozitív (+1…+7) → oxosav vagy annak sója.

Csoportosítás kötéstípus szerint

A halogenideken belül azt is meg kell néznünk, milyen kötés tartja össze a vegyületet — ez szabja meg a halmazállapotot, az oldhatóságot és a viselkedést:

KötéstípusMikor jön létre?PéldákJellemző
Kovalens (molekula­rácsos)nemfémmel és nagy EN-ú fémmelHCl, CCl₄, PCl₃, AlCl₃illékony, alacsony op./fp.; sok vízben hidrolizál
Ionoskis EN-ú fémmel (nagy EN-különbség)NaCl, CaF₂, KBrkristályos, magas op.; jó vízoldhatóság
Átmeneti (poláris kovalens)polarizáló kation + lazább anionAgBr, AgI, HgI₂vízben rosszul old., gyakran színes
⚠️
Néhány fémhalogenid vízben savasan hidrolizál (a kation polarizáló hatása miatt) — pl. a FeCl₃ és a CuCl₂ oldata savas kémhatású. (A „CuCl₃" nem létezik: a réz(II)-klorid képlete CuCl₂.)

B) Hidrogén-halogenidek

02

A hidrogén-halogenidek

A hidrogén-halogenidek a halogének hidrogénnel alkotott vegyületei: HF, HCl, HBr, HI. Mind dipólusmolekulák, hiszen a hidrogén és a halogén elektronegativitása jelentősen eltér, és a molekula nem szimmetrikus. Szilárd halmazállapotban molekularácsot alkotnak, a molekulákat dipólus-dipólus (HF-nél hidrogén)kötés tartja össze.

Közös fizikai jellemzők

Szobahőmérsékleten és 0,1 MPa nyomáson (a HF kivételével) színtelen, szúrós szagú, maró hatású gázok. Mind hevesen, nagy mértékben oldódnak vízben, és vizes oldatuk savas — ezek a haloidsavak (hidrogén-halogénsavak).

A forráspont nem monoton változik

Várnánk, hogy a növekvő molekulatömeggel folyamatosan nő a forráspont (erősödő diszperziós kötés). A HF azonban kirí a sorból: az erős hidrogénkötés miatt a forráspontja messze a többi fölött van.

A hidrogén-halogenidek forráspontja
növekvő molekulatömeg → forráspont (°C) → 0 HF +19,5 °C HCl HBr HI HF: erős hidrogénkötés → kiugró forráspont
HCl-től HI-ig a forráspont a növekvő molekulatömeggel (erősödő diszperziós kötés) nő. A HF azonban a hidrogénkötés miatt kiugróan magas — sőt 19,5 °C-on forr, így szobahőmérséklet körül folyadék.

A haloidsavak erőssége

A vizes oldatok savassága (a HX → H⁺ + X⁻ disszociáció hajlama) fordítottan arányos a halogénatom elektronegativitásával: minél kisebb az EN és minél gyengébb a H–X kötés, annál könnyebben hasad le a proton.

Sav-erősség: HF a leggyengébb, HI a legerősebb
növekvő sav-erősség → HF HCl HBr HI gyenge sav igen erős sav ← csökkenő elektronegativitás · gyengülő H–X kötés →
A sorrend: HF < HCl < HBr < HI. A HF a hidrogénkötés és az erős H–F kötés miatt vizes oldatban csak gyenge sav; a HCl, HBr, HI viszont erős savak.
🔑
Vigyázat a két tendenciára! A forráspontnál a HF a legmagasabb (hidrogénkötés). A sav-erősségnél viszont a HF a leggyengébb — a kettő nem ugyanaz a sorrend! A sav-erősséget a H–X kötés erőssége (kötési energia) szabja meg, nem az olvadás-/forráspont.

03

Hidrogén-fluorid (HF)

A hidrogén-fluorid a halogén-hidrogének közül a legkülönlegesebb. A fluor nagy elektronegativitása miatt a molekula erősen poláris, és a molekulák között hidrogénkötés alakul ki. Emiatt a HF-molekulák asszociálódnak — több molekula kapcsolódik össze:

n HF ⇌ (HF)n   (pl. H4F4, H6F6 összetételű részecskék)
A HF-molekulák hidrogénkötéssel asszociálódnak (cikcakk lánc)
FFFF HHH — vastag: kovalens H–F kötés - - - zöld: hidrogénkötés
Az erős hidrogénkötés miatt a HF már 19,5 °C-on forr: 20 °C alatt folyadék, fölötte színtelen, szúrós szagú gáz. (Más halogén-hidrogének ekkor már rég gázok.)

Kémiai tulajdonságok és veszélyek

A HF különlegessége: feloldja az üveget

A hidrogén-fluorid — egyedüliként a savak közül — megtámadja a szilikátokat és az üveget (SiO₂-alapú anyagokat). Ezért a HF-et nem üvegben, hanem műanyag (pl. polietilén) edényben tárolják.

SiO2 + 4 HF = SiF4 + 2 H2O
Üvegmaratás: a HF megeszi a SiO₂-t
üveg (SiO₂) viasz (véd) maratott (matt) felület A HF a szabad felületet matt, maratott mintázattá oldja — a viasszal fedett rész érintetlen marad.
Az üvegmaratás (díszítés, skálázás) elve: a megtartandó részt viasszal védik, a HF csak a szabad SiO₂-t marja.

Előállítás és felhasználás


04

Hidrogén-klorid és a sósav

A hidrogén-klorid (HCl) stabilis, poláris kovalens molekula. Elemeiből való képződése exoterm folyamat:

H2 + Cl2 = 2 HCl   (ΔH < 0, exoterm)
A HCl-gáz tulajdonságai

Színtelen, szúrós szagú, savanyú ízű, a levegőnél sűrűbb gáz. Forráspontja kb. −85 °C, ezért szobahőmérsékleten nyomással cseppfolyósítható.

Vízoldódás — a sósavszökőkút

A HCl hevesen, nagyon nagy mértékben oldódik vízben; az ionok hidratálódása jelentős hőfejlődéssel jár. A híres iskolai sósavszökőkút-kísérlet ezt mutatja meg: egy kevés vízzel a HCl-gáz hirtelen feloldódik, a lombikban hirtelen lecsökken a nyomás, és a víz „szökőkútként" felszívódik.

HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl−
Sósavszökőkút: a HCl-gáz mohón oldódik vízben (animált)
HCl(g) gázzal telt lombik víz (kevés indikátorral) a gáz feloldódik → lecsökken a nyomás → a víz felszökik savas lesz (színt vált)
A jelenség oka a HCl óriási vízoldhatósága: a beáramló vízben a gáz pillanatok alatt feloldódik, a nyomáscsökkenés pedig felszívja a vizet. A lúgos indikátor savas színűre vált.

A sósav fajtái

A HCl-gáz vizes oldata a sósav. Egyértékű erős sav: még tömény oldatban is gyakorlatilag teljesen disszociál.

MegnevezésTöménységJellemző
Telített sósav≈ 42 V/V%a maximálisan elérhető töménység
Forgalmi (kereskedelmi)≈ 38 V/V%a boltban kapható tömény sósav
Füstölgő sósavtöménya kiszabaduló HCl a levegő vízpárájával ködöt képez

Előfordulás a természetben

Előállítás

Laboratóriumi

Konyhasóból tömény kénsavval. Hidegen az első lépés játszódik le, erős hevítésre a savanyú só is továbbreagál:

NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl↑
NaCl + NaHSO4 = Na2SO4 + HCl↑
Ipari
CH2=CH2 + Cl2 = ClCH2–CH2Cl
ClCH2–CH2Cl = CH2=CHCl + HCl↑

05

Hidrogén-bromid és hidrogén-jodid

A HBr és a HI a HCl-hoz hasonló, színtelen, szúrós szagú, a levegőn ködöt képező gázok, vizes oldatuk erős sav. A különbség a molekulastabilitásban van: a H–X kötés a halogén rendszámának növekedésével gyengül, ezért e két vegyület könnyebben bomlik, és az oldatuk a levegőn (a halogén kiválásával) elszíneződik.

Hidrogén-bromid (HBr)Hidrogén-jodid (HI)
Molekula­stabilitáslényegesen kisebb, mint a HCl-éelég kicsi (a legkevésbé stabilis)
Bomlékonyságoldata állás közben megbarnulfény hatására már szobahőmérsékleten bomlik
A levegő oxigénjefény hatására oxidálja → Br₂ válik kioxidálja → I₂ (jód) válik ki
Vizes oldatajól oldódik, erős savnagy mértékben oldódik, erős sav
Reakcióia sósavhoz hasonlóan: fémekkel, oxidjaikkal, hidroxidjaikkal, karbonátjaikkal → fémbromidok / fémjodidok
Felhasználásszűk körű laboratóriumicsak néhány laboratóriumi
🟤
A HBr- és HI-oldat elszíneződése (megbarnulás, ill. jód kiválása) a kötés gyengülésének közvetlen következménye — minél nagyobb a halogén, annál lazább a H–X kötés, annál könnyebben oxidálja a levegő oxigénje a halogenidiont szabad halogénné.

A halogén kiválásának egyenletei (a levegő oxigénje oxidál)

4 HBr + O2 = 2 Br2 + 2 H2O
4 HI + O2 = 2 I2 + 2 H2O

06

A haloidsavak reakciói — interaktív

A haloidsavak (mindenekelőtt a sósav) reakciói tipikus erős sav-reakciók. Vízmentes halogenidek általában nem támadják a fémeket; a vizes oldat viszont annál inkább. Kattints egy reakciótípusra, hogy lásd a rendezett egyenletet és a magyarázatot!

Az elektródpotenciál dönt — mely fémeket oldja?

Királyvíz — még az aranyat is feloldja

Királyvíz (aqua regia)

Tömény sósav és tömény salétromsav 3 : 1 térfogatarányú elegye. A reakcióban keletkező atomos állapotú klór olyan agresszív oxidálószer, hogy a sósav és a salétromsav külön-külön nem, de együtt feloldja az aranyat és a platinát is.

3 HCl + HNO3 = 2 H2O + NOCl + 2 Cl
Au + 3 Cl = AuCl3

Az atomos klór oxidálja az aranyat AuCl₃-dá; a nitrozil-klorid (NOCl) és a klór együtt biztosítja a folyamatos oxidáló közeget.


C) Halogenid-sók

07

A kősó (nátrium-klorid, NaCl)

A konyhasó a legismertebb halogenid. A halogénelemek és az alkálifémek között a legnagyobb az elektronegativitás-különbség, ezért tipikus ionvegyületet, kősótípusú ionrácsot alkotnak.

A NaCl ionrácsa — koordinációs szám 6
Na⁺ Cl⁻ Na⁺ Cl⁻ Cl⁻ Na⁺ Cl⁻ Na⁺ Na⁺ Minden Na⁺-t 6 Cl⁻, minden Cl⁻-t 6 Na⁺ vesz körül (oktaéderes környezet).
A kősórácsban az ellentétes töltésű ionokat 6-6 másikfajta ion veszi körül. Az erős ionos kötés miatt a NaCl olvadáspontja magas, és olvadékában ionok vannak (vezeti az áramot).

Fizikai tulajdonságok

Előfordulás

⚠️
Adat-pontosítás. A forrásszöveg „2,7 g/dm³"-es tengeri sótartalma félrevezető lehet: az óceánok átlagos összes sótartalma kb. 35 g/L, amelynek túlnyomó része NaCl. (Belső tengerek, pl. a Holt-tenger, ennél jóval töményebbek.) A tananyagban a nagyságrend a lényeg: a tenger jelentős mennyiségű oldott kősót tartalmaz.

08

Fémhalogenidek és a kötéstípus átmenete

A fémhalogenidek kötéstípusa nem fekete-fehér: az ionos és a kovalens (molekularácsos) jelleg között folytonos átmenet van. Két tényező dönt:

Ionos ↔ kovalens átmenet: a polarizáció torzítja az anion elektronfelhőjét
Ionos jelleg kat⁺ F⁻ gömbszerű anion; elkülönült töltések Kovalens jelleg Ag⁺ I⁻ torzult anion; az elektronfelhő a kation felé „nyúlik" → közös
Erősen polarizáló kation (pl. Ag⁺) + jól polarizálható anion (pl. I⁻) → a kötés kovalens jellegűvé torzul. Ezért lesz az AgI vízben rosszul oldódó, színes vegyület, míg az AgF ionos és jól oldódik.
🔑
A d-mező halogenidjei. Az átmenetifémek alacsonyabb oxidációs számú halogenidjei jellemzően ionosak; a magasabb oxidációs számúak a molekularácsos típus felé tolódnak (a kation polarizáló hatása nő). Példa a kovalens jelleg miatti hidrolízisre: FeCl₃, CuCl₂ savas oldata.

09

Ezüst-halogenidek és a halogenidionok kimutatása

Az ezüst-halogenidek a halogenidek kimutatásának legfontosabb eszközei. Ha egy oldathoz ezüst-nitrát-oldatot (AgNO₃) csepegtetünk, a klorid-, bromid- és jodidionok jellegzetes színű csapadékot adnak — a fluoridion viszont nem (az AgF jól oldódik).

Ag+ + Cl− = AgCl↓   (fehér)
Ag+ + Br− = AgBr↓   (halványsárga)
Ag+ + I− = AgI↓   (sárga)

Interaktív halogenid-kimutató

Válassz egy halogenidiont, és nézd meg, milyen csapadékot ad ezüst-nitráttal — vagy hogy egyáltalán ad-e!

A szín és az oldhatóság a rendszámmal változik

A polarizáció mértéke a halogénion rendszámával nő (a nagyobb anion könnyebben polarizálható) — ezt mutatja a szín mélyülése és az oldhatóság csökkenése:

VegyületSzínVízoldhatóságKötés-jellegFényérzékenység
AgFszíntelenjól oldódikionos–
AgClfehércsapadék (rosszul old.)átmeneti+
AgBrhalványsárgacsapadékátmeneti++
AgIsárgacsapadék (legrosszabbul)átmeneti+++

A szín a halogén rendszámával egyre mélyül; az oldhatóság egyre csökken; a fényérzékenység egyre nő — mind a növekvő polarizáció és a gyengülő kötés következménye.

Megkülönböztetés: az AgCl ammóniában feloldódik

A három csapadék közül a fehér AgCl ammónia vizes oldatában feloldódik (komplexképzés), az AgBr és az AgI nem (vagy alig). Így a klorid elkülöníthető:

AgCl + 2 NH3 = [Ag(NH3)2]+ + Cl−
🧪
Kimutatási logika. 1) AgNO₃-tal nincs csapadék → fluorid (vagy nincs halogenid). 2) Fehér csapadék, ami ammóniában oldódik → klorid. 3) Halványsárga, ammóniában alig oldódó → bromid. 4) Sárga, ammóniában nem oldódó → jodid.

10

Fényérzékenység és a fekete-fehér fényképezés

Az ezüst-halogenidek (az AgF kivételével) fény hatására elemeikre bomlanak — a fény energiája redukálja az ezüstiont fém ezüstté, és szabad halogén keletkezik. Ez a tulajdonság a klasszikus fekete-fehér fényképezés alapja.

Fényérzékeny bomlás

A fény hatására lejátszódó redoxireakció. A bomlás mértéke arányos a megvilágító fény erősségével és a megvilágítás időtartamával. A fényérzékenység a halogén rendszámával nő (AgCl < AgBr < AgI), mert a nagyobb anion erősebben polarizálódik, és a kötés gyengül.

2 AgBr — fény → 2 Ag + Br2
Fényre az AgBr fém ezüstté bomlik (animált)
fény a megvilágított szemcsékben fekete fém ezüst válik ki → Ag + Br₂
Ahol több fény érte a filmet, ott több fekete ezüst válik ki — ez adja a negatív sötét területeit. (Színes vagy digitális rendszereknél már más elven működik a kép, de a kémiai elv ez volt.)

A fényképezés három lépése (klasszikus)

  1. Megvilágítás: a fényérzékeny AgBr-réteg a fény hatására rejtett képet képez (a megvilágított szemcsékben kis ezüst-csírák).
  2. Előhívás: redukálószer a megvilágított szemcsékben az ezüstöt fémmé alakítja → létrejön a fekete-fehér negatív.
  3. Rögzítés (fixálás): a meg nem világított AgBr-t kioldják, hogy a kép ne bomoljon tovább.
📷
Azért az AgBr a fényképezés fő anyaga (nem az AgCl vagy AgI): a fényérzékenysége és kezelhetősége a fotográfia szempontjából a legkedvezőbb egyensúlyt adja.

D) Oxosavak és sóik

11

A hipó és a klór oxosavai

Ha a halogén oxigénhez kapcsolódik, pozitív oxidációs számú vegyületek (oxosavak és sóik) jönnek létre. A klórnak négy fontos oxosava van, a klór oxidációs száma +1-től +7-ig nő:

OxosavKépletCl ox. számaSójaSav-erősség
HipoklórossavHClO+1hipoklorit (pl. NaOCl)igen gyenge
KlórossavHClO₂+3kloritgyenge
KlórsavHClO₃+5kloráterős
PerklórsavHClO₄+7perklorátigen erős

Minél több oxigén kapcsolódik a klórhoz (minél nagyobb az oxidációs száma), annál erősebb a sav — a perklórsav az egyik legerősebb ismert sav.

Interaktív oxosav-böngésző

Válassz egy klór-oxosavat, és nézd meg a szerkezetét, a klór oxidációs számát és a sav-erősséget. Figyeld, hogyan nő az erősség az oxigénatomok számával!

A hipó (nátrium-hipoklorit-oldat)

Hipó

A nátrium-hipoklorit (NaOCl) vizes oldata, amely nátrium-kloridot is tartalmaz. Lúgos kémhatású, oxidáló hatású folyadék — a hatását a benne lévő +1 oxidációs számú klór adja. Fertőtlenítésre, fehérítésre használják.

Előállítása nátrium-hidroxid-oldat és klórgáz reakciójával (a klór diszproporcionál: egyszerre redukálódik kloriddá és oxidálódik hipokloritté):

2 NaOH + Cl2 = NaOCl + NaCl + H2O
☠️
Életveszélyes háztartási hiba! A hipót SOHA nem szabad savas tisztítószerrel (pl. vízkőoldó, sósav) keverni: ekkor mérgező klórgáz fejlődik. Ez valódi, halálos kimenetelű balesetek oka lehet zárt térben (pl. fürdőszobában).
NaOCl + 2 HCl = Cl2↑ + NaCl + H2O
Hipó + sav = mérgező klórgáz (animált)
hipó + sósav Cl₂ ↑ sárgászöld, mérgező klórgáz szabadul fel
A savas közeg felszabadítja a hipó +1-es klórjából a klórgázt (Cl₂). Ezért tilos a tisztítószereket összekeverni.

12

Élettani és ipari jelentőség — összefoglalás

A halogénvegyületek a hétköznapi élet, az ipar és az élő szervezetek számára egyaránt nélkülözhetetlenek. Foglaljuk össze, hol találkozunk velük:

A sósav (HCl) felhasználása

A kősó (NaCl) jelentősége

TerületSzerep
Vegyiparnátriumvegyületek (NaOH, szóda, üveg) és fémnátrium előállítása
Élelmiszerízesítés, tartósítás (a só elvonja a víztől a mikrobákat)
Élettanoldott NaCl a vérben és a testnedvekben; ebből képződik a gyomor sósava
Orvoslásnagy vér-/folyadékveszteségnél 0,9%-os fiziológiás (élettani) sóoldat infúzióként
🧂
A túlzott sófogyasztás szív- és érrendszeri megbetegedésekhez (pl. magas vérnyomáshoz) vezethet. A só tehát létfontosságú, de csak mértékkel.
💉
Pontosítás. A fiziológiás (élettani) sóoldat töménysége 0,9 m/V% — azaz 9 g NaCl egy liter oldatban (0,9 g / 100 mL oldat). A tömeg/térfogat-jelölés a helyes, mert szilárd anyagot oldunk folyadékban; a „V/V%" (térfogatszázalék) jelölés erre pontatlan.

A többi halogénvegyület röviden

🎯
A nagy összefüggés. A halogénvegyületek viselkedését végig a halogén oxidációs száma (negatív → halogenid; pozitív → oxosav) és a kötés jellege (ionos ↔ kovalens átmenet, a polarizáció dönti el) szabja meg. Ebből vezethető le a sav-erősség (HF < HCl < HBr < HI), az ezüst-halogenidek színe, oldhatósága és fényérzékenysége, valamint az olyan gyakorlati jelenségek, mint a sósavszökőkút, az üvegmaratás vagy a hipó veszélyessége.