第17族元素
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| ← 17族 → | |
| 周期 | |
| 2 | 9 F |
| 3 | 17 Cl |
| 4 | 35 Br |
| 5 | 53 I |
| 6 | 85 At |
第17族元素（だいじゅうななぞくげんそ）は周期表において第17族に属する元素の総称。フッ素・塩素・臭素・ヨウ素・アスタチンがこれに分類される。ハロゲンと呼ばれることも多い。
フッ素、塩素、臭素、ヨウ素は性質がよく似ており、アルカリ金属あるいはアルカリ土類金属と典型的な塩を形成するので、これら元素からなる元素族をギリシャ語の 塩 alos と、作る gennao を合わせ「塩を作るもの」という意味のハロゲン (halogen) と、18世紀フランスで命名された。これらの任意の元素を表すために化学式中ではしばしば X と表記される。任意のハロゲン単体を X2 と表す。
目次 |
[編集] 性質
周期表の一番右側にある希ガスの左隣の列に位置する。価電子は最外殻のs軌道およびp軌道にある電子である（s軌道は2電子が占有し、p軌道は5個の電子が占有しており一価の陰イオンになる）。
| フッ素 9F |
塩素 17Cl |
臭素 35Br |
ヨウ素 53I |
アスタチン 85At |
|
|---|---|---|---|---|---|
| 電子配置 | [He]2s22p5 | [Ne]3s23p5 | [Ar]3d104s24p5 | [Kr]4d105s25p5 | [Xe]4f145d106s26p5 |
| 第1イオン化エネルギー (kJ·mol−1) |
1681 | 1251 | 1140 | 1008 | 930 |
| 電子付加エンタルピー (kJ·mol−1) |
−328 | −349 | −325 | −295 | −270 |
| 電子親和力 (kJ·mol−1) |
340 | 365 | 342 | 303 | −298 |
| 電気陰性度 (Allred-Rochow) |
4.1 | 2.83 | 2.74 | 2.21 | - |
| イオン半径 (X−, pm) |
133 | 181 | 195 | 216 | (~230) |
| 共有結合半径 (r(X2)/2, pm) |
72 | 99 | 114 | 133 | (~140) |
| van der Waals 半径 (pm) |
147 | 175 | 185 | 198 | - |
| 融点 (X2, K) | 40 | 172.16 | 265.90 | 386.75 | (575) |
| 沸点 (X2, K） | 85 | 239.10 | 332 | 458 | (610) |
| 解離エネルギー (X2, kJ·mol−1) |
155 | 243 | 193 | 151 | (~116) |
| 水和エネルギー (X−, kJ·mol−1) |
485 | 350 | 320 | 280 | (~277) |
| 還元電位† E0 (V) | 2.89 | 1.40 | 1.10 | 0.62 | (~0.3) |
- ( ) 内は推定値
- † X2 (aq) + 2 e− → 2 X− (aq)
第17族元素は、原子番号が若いものは非常に反応性に富む。特にフッ素は第一イオン化エネルギーが大きい上、F−F 間の結合距離が短く、それぞれの原子の非共有電子対同士が反発することによって結合エネルギーが小さくなっているために著しく反応性が高い。
塩素は水圏に大量に存在する（クラーク数）が、地殻中の存在比ではフッ素>塩素>臭素>ヨウ素であり、放射性物質であるアスタチンは、既知の最も長い半減期を持つ質量数210の同位体で8.3時間しかないため、自然環境中にはほとんど存在しない。常温、常圧でフッ素は薄黄色の気体、塩素は淡黄緑色の気体、臭素は赤褐色の液体、ヨウ素は黒紫色の固体、アスタチンは固体で、ヨウ素、アスタチンの固体は金属光沢を持つ。
[編集] 水素化物
第17族元素の水素化物はハロゲン化水素と呼ばれる。水素とは1対1で結合する化合物しか知られておらず、ハロゲン化水素一般を表す略号として HX と書き表されることが多い。
| フッ化水素 HF |
塩化水素 HCl |
臭化水素 HBr |
ヨウ化水素 HI |
|
|---|---|---|---|---|
| 融点 (℃) | −83.5 | −114.2 | −88.6 | −51.0 |
| 沸点 (℃) | 19.5 | −85.1 | −67.1 | −35.1 |
| 誘電率（液相） | 83.6 (0 ℃) |
9.3 (−95 ℃) |
7.0 (−85 ℃) |
3.4 (-50 ℃) |
| H−X 結合解離エネルギー (kJ·mol−1) |
567 | 431 | 366 | 298 |
| H−X 結合距離 (pm) |
92 | 127 | 141 | 161 |
| 水溶液 | フッ化水素酸 弱い酸 (pKa = 3.14) |
塩酸 強酸 |
臭化水素酸 強酸 |
ヨウ化水素酸 強酸 |
フッ化水素酸以外のハロゲン化水素は水中では完全電離するものの、そのもの自体はそれほど強い極性物質ではない。そして塩化水素、臭化水素、ヨウ化水素の水溶液は完全電離して強酸性を示し、酸の強度は HCl < HBr < HI の順である。
それに対して液化フッ化水素は水に相当する誘電率と相対的に高い沸点を持ち、水素結合を形成する極性物質である点で特徴的である。また、希薄溶液であってもフッ化水素は水中で完全電離しない。
[編集] 酸化物･オキソ酸
フッ素以外のハロゲン元素については酸化数として I, III, (IV,) V, VII のいずれかをとり、種々の酸化物とオキソ酸を形成する。しかし、フッ素は酸化数として -I しか取りえず他のハロゲン元素とは化学的性質が異なる面を持つ。フッ素と酸素の化合物はフッ素酸化物と呼ぶよりは酸素のフッ化物と呼ぶのが適当な性質を有し、いわゆるオキソ酸の性質をもつ物質は HOF （次亜フッ素酸）以外形成しない。
ハロゲン元素の酸化物を次に示す。
| ハロゲン元素の酸化数 | フッ素 | 塩素 | 臭素 | ヨウ素 |
|---|---|---|---|---|
| -I | 二フッ化酸素 OF2 二フッ化二酸素 O2F2 二フッ化三酸素 O3F2 |
|||
| +I | 一酸化二塩素 （亜酸化塩素） Cl2O |
一酸化二臭素 （亜酸化臭素） Br2O |
一酸化二ヨウ素 I2O （単離できない） |
|
| +III | 三酸化二塩素 Cl2O3 |
三酸化二臭素 Br2O3 |
三酸化二ヨウ素 I2O3 （単離できない） |
|
| +IV | 二酸化塩素 ClO2 |
二酸化臭素 BrO2 |
||
| +Iと +VII | 四酸化二塩素 Cl−O−ClO3 |
四酸化二ヨウ素 I−O−IO3 |
||
| +V | 五酸化二ヨウ素 O2I−O−IO2 |
|||
| +Vと+VII | 六酸化二塩素 Cl2O6 |
|||
| +VII | 七酸化二塩素 Cl2O7 |
|||
| その他 | 八酸化三臭素 Br3O8 |
九酸化四ヨウ素 I4O9 |
また、ハロゲン元素のオキソ酸を次に示す。
| オキソ酸（酸化数） | フッ素 | 塩素 | 臭素 | ヨウ素 |
|---|---|---|---|---|
| (-I) | 次亜フッ素酸 HOF |
|||
| 次亜ハロゲン酸 HOX (+I) |
次亜塩素酸 HOCl |
次亜臭素酸 HOBr |
次亜ヨウ素酸 HOI （単離できず） |
|
| 亜ハロゲン酸 HO−X=O (+III) |
亜塩素酸 HO−Cl=O （単離できず） |
亜臭素酸 HO-Br=O |
亜ヨウ素酸 HO−I=O （単離できず） |
|
| ハロゲン酸 HO−X(=O)2 (+V) |
塩素酸 HO−Cl(=O)2 （単離できず） |
臭素酸HO−Br(=O)2 （単離できず） |
ヨウ素酸 HOI(=O)2 |
|
| 過ハロゲン酸 HO−X(=O)3 (+VII) |
過塩素酸 HO−Cl(=O)3 |
過臭素酸 HO-Br(=O)3 |
（メタ）過ヨウ素酸 HO−I(=O)3 パラ過ヨウ素酸 O=I(OH)5 |
ハロゲンの酸化数を増すに従いハロゲン元素のオキソ酸は次の傾向を示す。
- 熱不安定性が減少する
- 酸化力が減少する
- 酸の強さが増大する
[編集] ハロゲン間化合物
また、異なるハロゲン元素が結合した化合物を形成し、それらはハロゲン間化合物と呼ばれる。
代表的なものに、以下のものが知られている。
また、複数のハロゲン元素が結合してイオンとなったものをポリハロゲン化物イオン（陰イオンの場合）、ポリハロゲニウムイオン（陽イオンの場合）と呼ぶ。ハロゲンアニオンはハロゲン単体と結合して ICl2−, BrF4−, I3−, I5−, I7− などを生成することが知られている。またハロゲン間化合物の溶融物は電気伝導性を示すものがあり、それらは自己イオン化によりポリハロゲニウムイオンが生成している。
[編集] 有機ハロゲン化物
有機ハロゲン化物とは、狭義ではハロゲン化アルキル、ハロゲン化アリールなど、炭化水素の水素がハロゲン原子で置き換わった化合物を指す。広義ではハロゲンを含む有機化合物を意味し、ハロゲン化アシルやハロゲン酸を含む。
有機ハロゲン化物に含まれる炭素-ハロゲン結合はハロゲンの高い電気陰性度のために分極している。そのため、炭素原子を陰イオンなど求核剤が攻撃しやすい。しかしながら、ハロゲン化アリールなど sp2炭素にハロゲンが結びついた基質においては、立体的な要因によりこのような反応が起こりにくい。詳細は 求核置換反応、芳香族求核置換反応 を参照。
[編集] ハロゲン化鉱物
鉱物学において、金属元素とハロゲン元素とが結合している鉱物をハロゲン化鉱物（はろげんかこうぶつ、halide mineral）という。岩塩 (NaCl)、蛍石 (CaF2) などが挙げられる。
