【卤素】
↓ 周期
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7=From decay
7
7=Synthetic
卤素是指在元素周期表中同属第17族（旧称ⅦA族）的六个元素：氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砈（At）、鿬（Ts），其中砈和鿬具有极高的放射性，且鿬属于人造元素。
卤素是一类化学性质非常活泼的元素，（活性随原子序的增大而降低），能够和许多金属形成盐类。其熔点和沸点随原子序的增大而增加。标准状况下，氟和氯是气体，溴是液体，碘、砈、鿬是固体。在常温常压（300K、100000Pa）下，卤素族是唯一有固态，液态和气态元素的族。
卤素的电负度与第一游离能随原子序的增大而降低，常温常压下的密度随原子序的增大而增加。
== 历史 ==
含氟矿物萤石在1529年就已知。早期化学家就已经知道氟化合物里含有一种未知元素，但无法分离。 在 1860年，George Gore (chemist)，一位英国化学家，用电流流过氢氟酸的方法并可能产生了氟气，但他当时无法证明自己的结果。  1886年，亨利·莫瓦桑，一位巴黎化学家，电解了溶于无水氟化氢的氟化氢钾，并成功分离出氟。
盐酸早已被炼金术士和早期化学家们知道。 但是，氯单质在 1774年，当卡尔·威廉·舍勒 加热盐酸和二氧化锰时才被发现。 舍勒把它称为 dephlogisticated muriatic acid，也就是氯在这 33 年来的名字。 1807年，汉弗里·戴维 研究了氯，发现它是一种化学元素。 盐酸以及硫酸在某些情况下结合在一起，产生了氯气，在第一次世界大战期间它是一种化学武器。 它取代了受污染区域中的氧气，并用有毒的氯气代替了普通的含氧空气。 根据污染程度的不同，氯气会在内部和外部灼伤人体组织，尤其是肺部，使呼吸困难或无法呼吸。
溴在 1820年代被Antoine Jérôme Balard发现。 Balard 通过使氯气通过brine样品发现了溴。 他最初提议为新元素命名为muride，但法兰西学术院将该元素的名称更改为bromine（溴）。
贝尔纳·库尔图瓦发现了碘，前者在硝石生产过程中使用了海藻灰。 库尔图瓦通常将海藻灰与水煮沸来生成氯化钾。 然而，在1811年，库尔图瓦在他的产物中添加了硫酸，发现他的产物产生了紫色烟雾，这些烟雾凝结成黑色晶体。 他怀疑这些晶体是一种新元素，因此库尔图瓦将样品发给其他化学家来进行调查。 约瑟夫·路易·盖-吕萨克证明了它是一种新元素，也就是今天的碘。
在 1931年， Fred Allison自称用光磁机器发现了85号元素，并将其命名为Alabamine，但他的发现是错误的。 1937年， 拉真达拉·德 自称在矿物质中发现了85号元素，并称其为dakine，但他的发现也是错误的。 Horia Hulubei和Yvette Cauchois通过光谱学于1939年发现85号元素的尝试也未成功。Walter Minder于同年尝试发现由钋的β衰变产生类似碘的元素。85号元素，今天被称为砹，于1940年由Dale R. Corson，K.R。 Mackenzie和埃米利奥·塞格雷成功合成，他们用α粒子轰击铋来合成砹。
在 2010年，由核物理学家尤里·奥加涅相领导的团队，包含来自杜布纳联合原子核研究所、橡树岭国家实验室、劳伦斯利佛摩国家实验室和范德堡大学的科学家用钙-48成功轰炸了锫-249原子，形成鿬-294。 截至2022年，这是最新发现的元素。
== 卤素的命名 ==
由于卤素可以和很多金属形成盐类，例如氟化钙、氯化钠、溴化银、碘化钾等，因此英文卤素（halogen）来源于希腊语halos（盐）和gennan（形成）两个词。在中文里，卤的原意是盐碱地的意思。所有已发现的卤素英文名称都以ine做结尾。
1811年，德国化学家Johann Schweigger 提议用halogen这个名字—意思是"盐的产生者"，是希腊文 αλς als ，意思是盐和 γενειν genein ，意思是产生，来代替chlorine这个名字。后者是由汉弗里·戴维提出的。  不过，1826年，瑞典化学家约恩斯·贝尔塞柳斯 把 halogen 这个词的意思改成当与碱金属形成化合物时，会产生盐状物质的氟，氯和碘元素。
所有卤素名称的结尾都有-ine这个后缀。 氟的名字来自拉丁语 fluere，意思是 "流动"，因为它是由矿物萤石衍生而来的，而萤石在金属加工中被用作助焊剂。 氯的名字来自希腊文的 chloros，意为黄绿色。 溴的名字则来自希腊文的 bromos，意思是恶臭。碘的名字来自希腊文iodes，意为紫色。 砹的名字则来自希腊文的 astatos，意为不稳定。 鿬的名字来自美国的田纳西州。
== 卤素的分布 ==
卤素在自然界中以化合态广泛存在。以氯的存在范围最广，其余卤素按照氟、溴、碘、砈、鿬的顺序减少（砈在自然界中痕量存在，鿬不存在于自然界中）。
== 卤素的性质 ==
=== 物理性质 ===
=== 化学性质 ===
通常来说，液体卤素分子的沸点均要高于它们所对应的烃链。这主要是由于卤素分子比烷链更加电极化，而分子的电极化增加了分子之间的连接力（正电极与负电极的相互吸引），这使我们需要对液体提供更多的能量才能使其蒸发。
卤素的单质都是双原子分子，都有很强的挥发性。卤素的电子构型均为ns2np5，它们获取一个电子以达到稳定结构的趋势极强烈。所以化学性质很活泼，在自然状态下不能以单质存在，一般化合价为-1价，即卤离子（X−）的形式。
== 卤素的无机化学反应 ==
=== 卤素的氧化性 ===
卤素单质都有氧化性，氧化性从氟到1依次降低。碘单质氧化性比较弱，三价铁离子可以把碘离子氧化为碘。卤素能与部分金属、非金属单质直接化合。卤素与水也能发生氧化还原反应，方程式为：
* 2X2 + 2H2O → 4H+ + 4X- + O2
氟与水反应剧烈，氯在光照下缓慢与水发生该反应，碘不发生这个反应。
=== 卤素的歧化反应 ===
卤素单质在碱中容易歧化，方程式为：
* X2 + 2OH-（冷）→ X- + XO- + H2O
* 3X2 + 6OH−（热）→ 5X− + XO3− + 3H2O
但在酸性条件下，其逆反应很容易进行：
* 5X− + XO3− + 6H+ → 3X2 + 3H2O
这一反应是制取溴和碘单质流程中的最后一步。
=== 卤素的氢化物 ===
卤素的氢化物叫卤化氢，为共价化合物；而其溶液叫氢卤酸，因为它们在水中都以离子形式存在，且都是酸。氢氟酸（pKa=3.20）一般看成是弱酸。氢氯酸（即盐酸）、氢溴酸、氢碘酸都是典型的强酸，酸性从HCl到HI依次增强，它们的pKa均为负数。至于-{zh-hans:氢砹酸; zh-hant:氢砈酸;}-则具备氢卤酸中最强的酸性，但它极易分解为氢与-{zh-hans:砹; zh-hant:砈;}-单质。
=== 卤素的氧化物 ===
卤素的氧化物见下表：
=== 卤素的含氧酸 ===
卤素（除氟外，氟只有-1价）可以显示多种价态，正价态一般都体现在它们的含氧酸根中。
以氯为例：
* +1: HClO（次氯酸）
* +3: HClO2（亚氯酸）
* +5: HClO3（氯酸）
* +7: HClO4（高氯酸）
卤素的含氧酸均有氧化性，同一种元素中，次卤酸的氧化性最强。
卤素的含氧酸多数-{}-只存在于溶液中，而少数盐是以固态存在的，如碘酸盐和高碘酸盐。HXO（X=Cl、Br、I）、HIO3和HXO4（X=Cl、Br、I）分子在气相中十分稳定，可用质谱和其他方法研究。卤素存在的含氧酸见下表290-291。
=== 卤素的其他无机化学性质 ===
卤素的氧化物都是酸酐。像二氧化氯（ClO2）这样的偶氧化态氧化物是混酐。
只由两种不同的卤素形成的化合物叫做互卤化物，其中显电正性的一种元素呈现正氧化态，氧化态为奇数。这是由于卤素的价电子数是奇数，周围以奇数个其它卤原子与之成键比较稳定（如IF7）。互卤化物都能水解。
== 卤素的有机化学反应 ==
在有机化学中，卤族元素经常作为决定有机化合物化学性质的官能团存在。常用X表示。如R-X是含卤素原子的烃类。
卤素的物理特性和化学特性明显区分于与它对应的烃链的主要原因，在于卤素原子（如F、Cl、Br、I）与碳原子的连接，即C-X的连接，明显不同于烃链C-H连接。
* 由于卤素原子通常具有较大的负电性，所以C-X连接比C-H连接更加电极化，但仍然是共价键。
* 由于卤素原子相较于碳原子，通常体积和质量较大，所以C-X连接的偶极子矩（Dipole Moment）和连接能量（Bonding Energy）远大于C-H，这些导致了C-X的连接力（Bonding strength）远小于C-H连接。
* 卤素原子脆弱的p轨道（Orbital）与碳原子稳定的sp3轨道相连接，这也大大降低了C-X连接的稳定性。
卤素最常见的有机化学反应为亲核性取代反应（nucleophilic substitution）。
通常的化学式如：
Nu:− + R-X → R-Nu + X−
“Nu:−”在这里代表亲核负离子，离子的亲核性越强，则产率和化学反应的速度越可观。
“X”在这里代表卤素原子，如F、Cl、Br、I，若X−所对应的酸（即HX）为强酸，那么产率和反应的速度将非常可观，如果若X−所对应的酸为弱酸，则产率和反应的速度均会下降。
== 生产 ==
从左到右分别是氯、溴和碘 。 在室温下，氯是气体，溴是液体，而碘是固体。氟没有出现在照片中，因为它的反应性太强了，而砹和鿬没有出现在照片中的原因是它们的极强放射性。
人们每年大约生产六百万公吨的含氟矿物质萤石。人们每年生产40万吨氢氟酸。氟气由在磷酸生产中作为副产物产生的氢氟酸制得。人们每年生产约15,000公吨的氟气。
矿物石盐是最常用于开采氯的矿物，但矿物光卤石和钾石盐也可用于开采氯。 每年以电解卤盐水的方法产生的氯有四千万吨。
每年约生产45万吨溴。 一半的溴来自美国，35% 的溴由以色列生产，剩下的溴大多来自中国。历史上，溴是通过向自然卤盐水中添加硫酸和漂白粉生产的。 然而，在现代，溴是通过电解法生产的，是赫伯特·亨利·道发明的方法。 溴也可以通过使氯穿过海水，然后使空气穿过海水来生产。
2003年，人们生产了22,000公吨的碘。 智利生产了 40% 的碘，日本生产了 30%，还有较少的量是由俄罗斯和美国生产的。 直到1950年代，人们从海带中提取了碘。 但是，在现代，碘是以其他方式产生的。产生碘的一种方法是将二氧化硫与硝酸盐矿石混合，其中含有一些碘酸盐。 碘也可以从天然气田中提取。
尽管砹天然存在，它一般由阿尔法粒子轰击铋原子而成。
可以由锫-249 和钙-48的核反应制得。
== 有机卤化物的制成 ==
=== 通过加成反应 ===
可通过加成反应，在一个未饱和烃链加入卤素，此为最简单的方式，如：
CH3-CH2-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH（Br）−CH3
不需要催化剂的情况下，产率90%以上。
=== Karasch方式 ===
如果希望将Br加在烃链第一个碳原子上，可以使用Karasch的方式：
CH3-CH2-CH=CH2 + HBr → CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
催化剂：HO-OH
产率90%以上。
=== 由苯合成 ===
由苯合成卤化物则必须要通过催化剂，如：
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催化剂：FeX3或者AlX3（X代表氟、氯、溴、碘）
产率较高。
=== 由醇合成 ===
由醇合成卤化物，必须用好的亲核试剂，强酸作为催化剂以提高产率和速度：
CH3-CH2-CH2-CH2-OH + Br− ←→ CH3-CH2-CH2-CH2-Br + H2O
催化剂：H+
注意此反应为双向反应，故产率和速度有限。
== 卤素的应用 ==
全世界对氟的最大的应用是在核燃料循环中生产六氟化铀，每年消耗近7000吨氟。首先二氧化铀与氢氟酸反应生成四氟化铀，然后四氟化铀被氟气氟化生成六氟化铀p=392，可通过气体扩散法或者气体离心法对铀进行浓缩p=382。每年大约有6000吨氟用于生产惰性电介质六氟化硫，该物质可以用于高压变压器与断路器，这样就不必在充油设备中使用危险的多氯联苯了p=430。电子产品中会使用一些氟化合物：在化学气相沉积中会使用六氟化钨或六氟化铼，在等离子蚀刻中会使用聚四氟乙烯pp=391–392。此外氟也可用于牙齿护理、制药及在血液中携带氧气等。
氯可以作为一种较便宜的消毒剂，一般的自来水及游泳池就常采用它来消毒。但由于氯气的水溶性较差、毒性较大、会放出特殊气味，且容易产生有致癌风险的三卤甲烷等有机氯化合物，故中国、美国等国常改用二氧化氯（ClO2）、氯胺或臭氧等代替氯气作为水的消毒剂。除了用于消毒，氯气也是一种重要的化工原料，用于制造盐酸和漂白粉、制造氯代烃。也可以用于制造多种农药、制造氯仿等有机溶剂。此外氯气还广泛用于造纸、纺织、有机合成、金属冶炼等行业，也有作为化学武器的纪录。
许多种的有机溴化物在工业上有其应用，其中一部份是由溴制备而来，另一部份则是由溴化氢制备而来。溴化合物在工业上可用于阻燃剂、汽油添加剂、钻井液和化工原料等，用途十分广泛。
碘化物的主要用途包括做为催化剂、动物食物添加品、稳定剂、染剂、著色剂、颜料、药品、清洁卫生（碘酒）、照片与卤素灯泡等；其他小众用途为除雾、种云，和在分析化学中的多种用途。此外其放射性同位素碘-131可用于医学造影及放射治疗。
尽管砈的同位素皆非常不稳定，但砈-211具有核医学应用。刚制成的砈-211需要马上使用，因为在7.2小时之后，其总量就会减半。砹-211会释放α粒子，或经电子捕获衰变成释放α粒子的钋-211，所以可用于α粒子靶向治疗。
由于1只能利用粒子加速器人工合成，且制备极为困难，制备出的量又极少，半衰期又极短，因此没有任何商业用途，仅用于学术研究。
== 生物学作用及防护 ==
氟并非人类或者其它哺乳动物必须的元素。少量的氟可能对增加骨强度有益，但是该理论尚未确立。由于日常环境中有很多微量氟的来源，氟缺乏的可能性仅能通过人工饮食来实现。至于吸入大量的氟气对人体来说是剧毒的，会刺激眼、皮肤、呼吸道粘膜。
和氟相似，大量的氯气对人体来说也是剧毒的，可以损害人体全身器官及神经系统。但氯离子是人体必需的矿物质，在人体中为代谢作用很重要的物质，胃中盐酸的生成和细胞帮浦的功能皆需要氯，饮食中主要的来源是餐桌上的氯化钠，血液中过低或高浓度的氯为电解质失调的实例，在没有其他异常的情况下很少发生低氯血症。
溴在人体中还未找到已知的功能，但有机溴化合物的确自然存在。海中的有机物是有机溴化合物的主要来源，例如海藻和骨螺等。溴对人体具有腐蚀性及剧毒，会刺激皮肤及呼吸道粘膜等，且会对神经系统及肠胃道等造成伤害。
碘是人体必需的元素，用以制造甲状腺素以调控细胞代谢、神经性肌肉组织发展与成长（特别是在出生胎儿的脑部）。碘缺乏症是造成可避免性脑损害疾病最常见的因素，全世界估计有五千万人深受影响。
砈和1没有生物学功能。虽然照元素周期律卤素越往下的毒性越小，因此砈和1的化学毒性会小于氟、氯、溴、碘，但是由于其极高的放射性可能引发辐射中毒，因此砈和1极可能有毒。但由于它们只会出现在受管制的辐射区域，因此绝大多数人不可能摄入砈和1（除非是在核能发电厂附近，某些铀同位素的衰变过程会产生砈）。
== 注解 ==
== 参考文献 ==