A) Áttekintés
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:
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:
| Kötéstípus | Mikor jön létre? | Példák | Jellemző |
|---|---|---|---|
| Kovalens (molekularácsos) | nemfémmel és nagy EN-ú fémmel | HCl, CCl₄, PCl₃, AlCl₃ | illékony, alacsony op./fp.; sok vízben hidrolizál |
| Ionos | kis EN-ú fémmel (nagy EN-különbség) | NaCl, CaF₂, KBr | kristályos, magas op.; jó vízoldhatóság |
| Átmeneti (poláris kovalens) | polarizáló kation + lazább anion | AgBr, AgI, HgI₂ | vízben rosszul old., gyakran színes |
B) Hidrogén-halogenidek
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.
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 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.
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:
Kémiai tulajdonságok és veszélyek
- Vizes oldata (a fluorsav) gyenge sav, de megtámadja a fémeket. Néhány fém (pl. ólom, réz) felületén tömör, védő fluoridréteg alakul ki, ami megóvja a továbboldódástól.
- Sói a fluoridok (pl. CaF₂ — folypát/fluorit).
- Erősen mérgező, roncsoló hatású: a bőrre kerülve mélyre hatoló, nehezen gyógyuló sebet okoz.
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.
Előállítás és felhasználás
- Laboratóriumi előállítás: sójából, a fluoritból (CaF₂), tömény kénsavval melegítve.
CaF2 + H2SO4 = CaSO4 + 2 HF
- Felhasználás: kémiai analízis (a szilikátok mennyiségének meghatározása); üvegmaratás; az urángyártás, és a 235U-izotóp dúsításában (UF₆ illékony vegyületen keresztül).
Hidrogén-klorid és a sósav
A hidrogén-klorid (HCl) stabilis, poláris kovalens molekula. Elemeiből való képződése exoterm folyamat:
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.
A sósav fajtái
A HCl-gáz vizes oldata a sósav. Egyértékű erős sav: még tömény oldatban is gyakorlatilag teljesen disszociál.
| Megnevezés | Töménység | Jellemző |
|---|---|---|
| Telített sósav | ≈ 42 V/V% | a maximálisan elérhető töménység |
| Forgalmi (kereskedelmi) | ≈ 38 V/V% | a boltban kapható tömény sósav |
| Füstölgő sósav | tömény | a kiszabaduló HCl a levegő vízpárájával ködöt képez |
Előfordulás a természetben
- Vulkáni gázokban szabad HCl is van.
- Az ember és az emlősök gyomornedvében híg sósav található — ez biztosítja a fehérjék lebontásához szükséges savas kémhatást, és véd a kórokozók ellen.
Előállítás
Konyhasóból tömény kénsavval. Hidegen az első lépés játszódik le, erős hevítésre a savanyú só is továbbreagál:
- Régen: hidrogénből és klórból, közvetlen szintézissel (H₂ + Cl₂ = 2 HCl).
- Ma: jellemzően melléktermékként keletkezik a szerves vegyiparban, pl. a vinil-klorid (PVC-alapanyag) gyártásakor:
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) | |
|---|---|---|
| Molekulastabilitás | lényegesen kisebb, mint a HCl-é | elég kicsi (a legkevésbé stabilis) |
| Bomlékonyság | oldata állás közben megbarnul | fény hatására már szobahőmérsékleten bomlik |
| A levegő oxigénje | fény hatására oxidálja → Br₂ válik ki | oxidálja → I₂ (jód) válik ki |
| Vizes oldata | jól oldódik, erős sav | nagy mértékben oldódik, erős sav |
| Reakciói | a sósavhoz hasonlóan: fémekkel, oxidjaikkal, hidroxidjaikkal, karbonátjaikkal → fémbromidok / fémjodidok | |
| Felhasználás | szűk körű laboratóriumi | csak néhány laboratóriumi |
A halogén kiválásának egyenletei (a levegő oxigénje oxidál)
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?
- A haloidsavak a hidrogénnél negatívabb standardpotenciálú fémeket (pl. Zn, Al, Fe) hidrogénfejlődés közben oldják.
- A hidrogénnél pozitívabb fémek (pl. Cu, Ag) csak oxidálószer jelenlétében (pl. O₂, H₂O₂) oldódnak — a sav önmagában nem oldja őket.
Királyvíz — még az aranyat is feloldja
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.
Az atomos klór oxidálja az aranyat AuCl₃-dá; a nitrozil-klorid (NOCl) és a klór együtt biztosítja a folyamatos oxidáló közeget.
C) Halogenid-sók
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.
Fizikai tulajdonságok
- Magas olvadáspont; színtelen, a kocka lapjai szerint kitűnően hasadó kristályokat alkot.
- A kősótelepeket szennyezések színezhetik: az agyag szürkére, a hematit vörösre, a bitumen feketére.
- Vízben nagyon jól oldódik. (A halogenidek oldhatósága a fluoridoktól a jodidok felé általában nő.)
Előfordulás
- A földfelszín egyik leggyakoribb vegyülete. A tengervíz literenként akár ~27 g oldott sót is tartalmaz (a forrás „2,7 g/dm³" adata a teljes sótartalomhoz képest alacsony — a tengervíz átlagos sótartalma ~35 g/L, ennek nagy része NaCl).
- A kősótelepek egykori tengerek beszáradásával (a víz elpárolgásával) alakultak ki. Egyes tengerparti vidékeken ma is nyernek sót sókertekben (a tengervizet medencékben párologtatják).
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:
- a kation polarizáló képessége (kis méret, nagy töltés → erősen polarizál);
- az anion polarizálhatósága (minél nagyobb és „lazább" elektronfelhőjű az anion — I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻ —, annál könnyebben torzul).
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).
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:
| Vegyület | Szín | Vízoldhatóság | Kötés-jelleg | Fényérzékenység |
|---|---|---|---|---|
| AgF | színtelen | jól oldódik | ionos | – |
| AgCl | fehér | csapadék (rosszul old.) | átmeneti | + |
| AgBr | halványsárga | csapadék | átmeneti | ++ |
| AgI | sárga | csapadék (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:
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.
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.
A fényképezés három lépése (klasszikus)
- Megvilágítás: a fényérzékeny AgBr-réteg a fény hatására rejtett képet képez (a megvilágított szemcsékben kis ezüst-csírák).
- Előhívás: redukálószer a megvilágított szemcsékben az ezüstöt fémmé alakítja → létrejön a fekete-fehér negatív.
- Rögzítés (fixálás): a meg nem világított AgBr-t kioldják, hogy a kép ne bomoljon tovább.
D) Oxosavak és sóik
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:
| Oxosav | Képlet | Cl ox. száma | Sója | Sav-erősség |
|---|---|---|---|---|
| Hipoklórossav | HClO | +1 | hipoklorit (pl. NaOCl) | igen gyenge |
| Klórossav | HClO₂ | +3 | klorit | gyenge |
| Klórsav | HClO₃ | +5 | klorát | erős |
| Perklórsav | HClO₄ | +7 | perklorát | igen 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)
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):
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 leggyakrabban használt laboratóriumi és iskolai vegyszer.
- Textil-, bőr- és festékipar.
- Fémipar: fémek maratása, fémfelületek tisztítása (revétlenítés).
- Vegyipar: kloridok (sók) előállítása.
- Háztartás: vízkőmentesítés, tisztítás.
- Orvoslás: gyomorsavhiány esetén híg oldatként.
A kősó (NaCl) jelentősége
| Terület | Szerep |
|---|---|
| Vegyipar | nátriumvegyületek (NaOH, szóda, üveg) és fémnátrium előállítása |
| Élelmiszer | ízesítés, tartósítás (a só elvonja a víztől a mikrobákat) |
| Élettan | oldott NaCl a vérben és a testnedvekben; ebből képződik a gyomor sósava |
| Orvoslás | nagy vér-/folyadékveszteségnél 0,9%-os fiziológiás (élettani) sóoldat infúzióként |
A többi halogénvegyület röviden
- HF: üvegmaratás, szilikát-analízis, urándúsítás.
- Ezüst-halogenidek (AgBr): a klasszikus fekete-fehér fényképezés.
- Hipó (NaOCl): fertőtlenítés, fehérítés a háztartásban és az iparban.
- Klorátok, perklorátok: erélyes oxidálószerek (pl. gyufa, pirotechnika, rakéta-hajtóanyag).