卤素 - 维基百科，自由的百科全书

提示：此条目页的主题不是魯肅。

鹵素
氫（非金屬） 氦（惰性氣體） 鋰（鹼金屬） 鈹（鹼土金屬） 硼（類金屬） 碳（非金屬） 氮（非金屬） 氧（非金屬） 氟（鹵素） 氖（惰性氣體） 鈉（鹼金屬） 鎂（鹼土金屬） 鋁（貧金屬） 矽（類金屬） 磷（非金屬） 硫（非金屬） 氯（鹵素） 氬（惰性氣體） 鉀（鹼金屬） 鈣（鹼土金屬） 鈧（過渡金屬） 鈦（過渡金屬） 釩（過渡金屬） 鉻（過渡金屬） 錳（過渡金屬） 鐵（過渡金屬） 鈷（過渡金屬） 鎳（過渡金屬） 銅（過渡金屬） 鋅（過渡金屬） 鎵（貧金屬） 鍺（類金屬） 砷（類金屬） 硒（非金屬） 溴（鹵素） 氪（惰性氣體） 銣（鹼金屬） 鍶（鹼土金屬） 釔（過渡金屬） 鋯（過渡金屬） 鈮（過渡金屬） 鉬（過渡金屬） 鎝（過渡金屬） 釕（過渡金屬） 銠（過渡金屬） 鈀（過渡金屬） 銀（過渡金屬） 鎘（過渡金屬） 銦（貧金屬） 錫（貧金屬） 銻（類金屬） 碲（類金屬） 碘（鹵素） 氙（惰性氣體） 銫（鹼金屬） 鋇（鹼土金屬） 鑭（鑭系元素） 鈰（鑭系元素） 鐠（鑭系元素） 釹（鑭系元素） 鉕（鑭系元素） 釤（鑭系元素） 銪（鑭系元素） 釓（鑭系元素） 鋱（鑭系元素） 鏑（鑭系元素） 鈥（鑭系元素） 鉺（鑭系元素） 銩（鑭系元素） 鐿（鑭系元素） 鎦（鑭系元素） 鉿（過渡金屬） 鉭（過渡金屬） 鎢（過渡金屬） 錸（過渡金屬） 鋨（過渡金屬） 銥（過渡金屬） 鉑（過渡金屬） 金（過渡金屬） 汞（過渡金屬） 鉈（貧金屬） 鉛（貧金屬） 鉍（貧金屬） 釙（貧金屬） 砈（類金屬） 氡（惰性氣體） 鍅（鹼金屬） 鐳（鹼土金屬） 錒（錒系元素） 釷（錒系元素） 鏷（錒系元素） 鈾（錒系元素） 錼（錒系元素） 鈽（錒系元素） 鋂（錒系元素） 鋦（錒系元素） 鉳（錒系元素） 鉲（錒系元素） 鑀（錒系元素） 鐨（錒系元素） 鍆（錒系元素） 鍩（錒系元素） 鐒（錒系元素） 鑪（過渡金屬） 𨧀（過渡金屬） 𨭎（過渡金屬） 𨨏（過渡金屬） 𨭆（過渡金屬） 䥑（預測為過渡金屬） 鐽（預測為過渡金屬） 錀（預測為過渡金屬） 鎶（過渡金屬） 鉨（預測為貧金屬） 鈇（貧金屬） 鏌（預測為貧金屬） 鉝（預測為貧金屬） 鿬（預測為鹵素） 鿫（預測為惰性氣體） 氧族 ←    → 稀有氣體
IUPAC族編號 17 以元素命名 氟族元素 俗稱 鹵素 CAS族編號 （美國，pattern A-B-A） VIIA 舊IUPAC族編號 （歐洲，pattern A-B） VIIB
↓ 週期
2	氟 (F) 9 鹵素
3	氯 (Cl) 17 鹵素
4	溴 (Br) 35 鹵素
5	碘 (I) 53 鹵素
6	砈 (At) 85 類金屬
7	鿬 (Ts) 117 鹵素
圖例 原始核素（英语：primordial element） 放射性元素 原子序顏色： 固體、液體、氣體
查 论 编

鹵素（英語：Halogen）是指在元素週期表中同屬第17族（舊稱ⅦA族）的六種元素：氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砈（At）和鿬（Ts），砈和鿬有極強放射性，且鿬屬於人造元素。

鹵素是類化學性質非常活潑的元素，能和許多金属形成盐类。鹵素原子序越大，熔沸点越高；電負度與第一游離能越低，越不活潑；常温常压（300K、10萬Pa）的密度越高。卤族是唯一在常溫常壓有固液气三态元素的族。在标准状况，氟和氯是气体，溴是液体，碘、砈、鿬^[1]是固体。

含氟矿物萤石在1529年就已知。早期化学家就已知氟化合物裡有种未知元素，但无法分离。在1860年，英国化学家George Gore（英语：George Gore (chemist)）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，巴黎化学家亨利·莫瓦桑电解了溶于无水氟化氢的氟化氢钾，成功分离出氟。^[2]

炼金术士和早期化学家早已知道盐酸，但1774年卡尔·威廉·舍勒加热盐酸和二氧化锰时才发现氯单质，他称之为dephlogisticated muriatic acid，也就是氯在这33年来的名字。1807年，咸夫里·戴维研究了氯，发现它是化学元素。氯氣在第一次世界大战期间用作化学武器。根据不同的污染濃度，氯气会灼伤人体内外的组织，尤其是肺部，使人呼吸困难或无法呼吸。^[2]

安托萬·巴拉爾（英语：Antoine Jérôme Balard）在1820年代將氯气通入卤盐水（英语：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改名为bromine（溴）。^[2]

贝尔纳·库尔图瓦发现了碘。他通常将海藻灰与水煮沸来生成氯化钾，用以生产硝石。然而，在1811年，他在产物加入硫酸，发现产物生成紫色烟雾，这些烟雾凝结成黑色晶体。他怀疑这些晶体是新元素，因此将样品发给其他化学家来调查。约瑟夫·路易·盖－吕萨克证明了它是新元素，也就是今天的碘。^[2]

1931年，弗雷德·艾利森（英语：Fred Allison）自称用磁光机器发现了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（Rajendralal De）自称在矿石发现85号元素，并称其为dakine，但他的发现也是错误。霍里亞·胡盧貝伊（英语：Horia Hulubei）和伊維特·哥舒瓦（英语：Yvette Cauchois）在1939年用光谱学尝试发现85号元素也未成功。瓦爾特·明德爾（英语：Walter Minder）于同年尝试尋找由钋β衰变生成类似碘的元素。85号元素今天称为砹，于1940年由戴爾·R·科森（英语：Dale R. Corson）、肯尼斯·羅斯·麥肯齊（英语：Kenneth Ross 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。^[2]

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轰擊锫-249原子合成出鿬-294。截至2024年3月，鿬是最新发现的化學元素。

卤素可和很多金属形成氟化鈣、氯化鈉、溴化銀、碘化鉀等盐类，英文halogen来自希腊語halos（盐）和gennan（形成）两词。中文卤的原意是盐碱地。所有已发现卤素的英文名都以ine结尾。

1811年，德国化学家Johann Schweigger（英语：Johann Schweigger）提议用halogen一名，意為「成盐者」，是希腊文αλς（als，意為盐）和γενειν（genein，意為产生），代替汉弗里·戴维提出的chlorine一名來稱呼氯元素；^[3]不过，1826年，瑞典化学家约恩斯·贝尔塞柳斯提議把halogen一詞改為指代氟、氯和碘元素，這些元素与碱金属形成化合物时，會產生類似海鹽的物質。^[4][5]

所有卤素名的结尾都有ine（英语：ine）后缀。氟的名字来自拉丁语fluere，意為「流动」，它由矿物萤石衍生而来，而萤石在金属加工中用作助焊剂。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。砹的名字来自希腊文的astatos，意为不稳定。鿬的名字则来自美国的田纳西州。^[2][6]

卤素在自然界以化合态广泛存在（極不穩定的砈和鿬除外）。氯的存在范围最广，其餘鹵素的含量按氟、溴、碘、砈、鿬顺序减少（砈在自然界只有痕量，鿬則不在自然界出現）。

通常来说，液態卤素分子的沸点均高于对应的烃链，主要是卤素分子比烷链更电极化，而分子电极化增強分子间的连接力（正电极与负电极的相互吸引），我们需要对液体提供更多能量才能使其蒸发。

卤素单质都是双原子分子，亦很易挥发。鹵素的电子构型均为ns² np⁵，它们获取一粒电子以达到稳定结构的趋势极强烈，化学性质很活泼，在自然状态不能以单质存在，一般以-1价即卤离子（X⁻）形式在溶液及礦物出現。

卤素	分子	結構	模型	d（X−X），pm （氣態）	d（X−X），pm （固態）
氟	F₂			143	149
氯	Cl₂			199	198
溴	Br₂			228	227
碘	I₂			266	272

卤素单质都是氧化劑，氧化力从氟到鿬依次降低。碘单质氧化力较弱，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。卤素与水也能氧化还原：

• 2X₂＋2H₂O　→　4H⁺＋4X⁻＋O₂

氟与水反应剧烈，氯受光照与水缓慢反应，碘不反应。

卤素单质在碱中易歧化：

• X₂＋2OH⁻（冷）→　X⁻＋XO⁻＋H₂O
• 3X₂＋6OH⁻（热）→　5X⁻＋XO₃⁻＋3H₂O

但在酸中很易逆反应：

• 5X⁻＋XO₃⁻＋6H⁺　→　3X₂＋3H₂O

这反应是制取溴和碘单质流程的最后一步。

卤素的氢化物叫卤化氢，为共价化合物；其溶液叫氢卤酸，它们在水中都以离子形式存在，且都是酸。一般而言氢氟酸（pKa＝3.20）是弱酸。氢氯酸（即盐酸）、氢溴酸、氢碘酸都是典型的强酸，酸度从HCl到HI依次增强，它们的pKa均为负数。至於氢砹酸則為氫鹵酸中最強的酸，但它極易分解為氫與砹單質。^[12]

卤素的氧化物都是酸酐。二氧化氯（ClO₂）等偶氧化态氧化物是混酐。

卤素（除了氟，氟只有-1价）可显示多种价态，正价态一般都出现在其含氧酸根。

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力，同一元素中，次卤酸最强。

卤素含氧酸多数只在溶液中，少数盐以固态存在，如碘酸盐和高碘酸盐。HXO（X為Cl、Br、I）、HIO₃和HXO₄（X為Cl、Br、I）分子在气相十分稳定，可用质谱和其他方法研究。卤素含氧酸见下表^[13]_290-291。

只由两种卤素形成的化合物叫互卤化物，較电正的元素呈正氧化态，氧化态为奇数。卤素的价电子数是奇数，周围与奇数粒其它卤原子成键比较稳定（如IF₇）。互卤化物都能水解。

在有机化学，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是含鹵原子的烴類。

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，即碳－鹵的连接，明显不同于烃链碳－氫连接。

• 卤原子通常较电负，碳－鹵连接比碳－氫连接更加电极化，但仍然是共价键。

• 卤原子体积和质量通常较碳原子大，碳－鹵连接的偶极子矩（Dipole Moment）和连接能量（Bonding Energy）远大于碳－氫，碳－鹵的连接力（Bonding strength）远小于碳－氫连接。

• 卤原子脆弱的p轨道（Orbital）与碳原子稳定的sp³轨道相连接，碳－鹵连接不甚稳定。

卤素最常见的有机化学反应为亲核取代反应（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，离子越亲核，产率和化学反应速度越可观。

“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。

加成反应可在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－CHBr−CH₃

不經催化，产率也可達90%以上。

如想将溴加在烃链第一粒碳原子，可用Karasch方式：

CH₃－CH₂－CH＝CH₂＋HBr　→　CH₃－CH₂－CH₂－CH₂－Br＋H₂O

以雙氧水催化，产率90%以上。

由苯合成卤化物则必须有催化剂，如：

催化剂：三鹵化鋁或三鹵化鐵（X為對應鹵素）

产率较高。

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⁺

此反应为双向反应，产率和速度有限。

含氟矿物萤石年開採约六百万公吨。氢氟酸年产約40万吨。由在磷酸生产中作为副产物产生的氢氟酸可制得氟气。氟气年产约15000公吨。^[2]

石盐是最常用于开采氯的矿物，但光鹵石和钾石盐等矿物也可用于开采氯。每年還有約四千万吨的氯气以电解卤盐水的方法产生。^[2]

溴年产约45万吨，一半来自美国，35%来自以色列，其余多来自中国。溴過去是在自然卤盐水添加硫酸和漂白粉生产；现代以赫伯特·亨利·道发明的电解法生产。溴也可由氯气通入海水，然后將空气通入海水生产。^[2]

2003年全球碘产量约2.2萬公吨，智利生产四成、日本生产三成，另外少量由俄罗斯和美国生产^:248。碘以前从海带提取出來，直到1950年代，现代以其他方式生产。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。^[2]

砹在鈾礦天然出現，但僅作為次要衰變產物痕量生成，且生成後會快速衰變，通常要在粒子加速器以α粒子轰击铋原子合成。^[2]

鿬等超重元素皆不在自然界出現，只能藉粒子加速器人工合成。

氟最大的用途是在核燃料循环生产六氟化鈾，每年消耗近7000吨。首先二氧化铀与氢氟酸反应生成四氟化铀，然后以氟气氟化四氟化铀生成六氟化鈾^[14]，可通过气体扩散法或者气体离心法浓缩铀^[15][16]。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^[17]。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^{[18][19][20][16]}。此外氟也可用於牙齒護理、製藥及在血液中攜帶氧氣等。

氯可作为較便宜的消毒劑，一般的自来水及游泳池就常用它消毒，但氯氣頗難溶、甚毒、會放出特殊氣味，且易生成有致癌風險的三鹵甲烷等有机氯化合物，中、美等國常改用二氧化氯（ClO₂）、氯胺或臭氧等代替氯氣作為水的消毒劑。除了用於消毒，氯氣也是一种重要的化工原料，用於制造盐酸和漂白粉、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。此外氯氣還广泛用于造纸、纺织、有机合成、金属冶炼等行业，也有作為化學武器的紀錄。

許多種的有機溴化物在工業上有其應用，其中一部份是由溴製備而來，另一部份則是由溴化氫製備而來。溴化合物在工業可用於阻燃劑、汽油添加劑、鑽井液和化工原料等，用途十分廣泛。

碘化物的主要用途包括做為催化劑、動物食物添加品、穩定劑、染劑、著色劑、顏料、藥品、清潔衛生（碘酒）、照片與鹵素燈泡等；其他小眾用途為除霧、種雲，和在分析化學中的多種用途。此外其放射同位素碘131可用於醫學造影及放射治療。

砈的同位素皆非常不穩定，但砈-211用於核醫學。^[21]剛製成的砈-211須馬上用，不然其總量在7.2小時之後就會減半。砹-211會釋放α粒子，或經電子捕獲衰變成釋放α粒子的釙-211，可用於α粒子靶向治療。^[21]

鿬只能用粒子加速器人工合成，極難製備，單次造出的量極少（至多幾顆原子），生成後又會很快衰變，故沒有任何商業用途，僅用於學術研究。

氟并非人类或者其它哺乳动物必须的元素。有人認為少量的氟可能对增加骨强度有益，但该理论尚未确立。日常环境有很多微量氟的来源，只有人工饮食能使人缺氟^[22][23]。至於吸入大量氟氣對人體來說是劇毒，會刺激眼、皮膚、呼吸道粘膜。

和氟相似，大量氯氣對人體來說也是劇毒，可損害人體全身器官及神經系統，但氯離子是人體必需的礦物質，在人體中為代謝作用很重要的物質，胃中生成鹽酸和細胞幫浦的功能皆需要氯，飲食中主要的來源是餐桌上的氯化鈉，血液中過低或高濃度的氯為電解質失調的實例，在沒有其他異常的情況下很少發生低氯血症。

溴在人體中還未找到已知功能，但有機溴化合物的確自然存在。海中的有機物是有機溴化合物的主要來源，例如海藻和骨螺等。溴會腐蝕及毒害人體，刺激皮膚及呼吸道粘膜等，且傷害神經系統及腸胃道等。

碘是人體必需的礦物質，用以製造甲狀腺素以調控細胞代謝、神經性肌肉組織發展與成長（特別是在出生胎兒的腦部）^[24]。缺碘症^[25][26]是造成可避免性腦損害疾病最常見的因素，全世界估計有五千萬人深受影響。

砈和鿬沒有生物學功能。雖然依元素週期律，鹵素越往下越低毒，砈和鿬會比氟、氯、溴、碘低毒，但其極強放射可能引發輻射中毒，砈和鿬極可能有毒，但只會出現在受管制的輻射區域，絕大多數人不可能攝入砈和鿬（除非是在核電廠附近，某些鈾同位素衰變會產生砈）。

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