溴
简介
氟 (F)、氯 (Cl)、溴 (Br)、碘 (I) 和砹 (At) 是构成元素周期表卤素族的五种元素。在希腊语中,“halos”意为海盐,“genes”意为诞生。除放射性且仅以痕量存在的砹外,这些元素与金属反应生成盐,并且在自然界中含量丰富。由于这些元素的价电子层具有七个电子,因此 Br 的典型电子构型为 $\mathrm{[Ar]\:4s^2 \:4p^4}$。
溴的赋存和提取
溴是地壳中第 47 位最丰富的元素,重量百分比浓度为 2.5 ppm。它主要以溴化物的形式存在于海水中、矿泉水中和矿床中。它于 1826 年由 A J 巴拉丁发现,他使用氯气提纯从海水中结晶 NaCl 后留下的母液。由于其难闻的气味,他将这种液体命名为溴(希腊语 bromos,臭味)。
$$\mathrm{Cl_2 + 2Br^−\:\rightarrow\:2Cl^− + Br_2}$$
一股气流带走释放出的溴,然后将其通过 $\mathrm{Na_2CO_3}$ 溶液,生成 $\mathrm{NaBr}$ 和 $\mathrm{NaBrO_3}$ 的混合物。
$$\mathrm{3Br_2 + 3Na_2CO_3\:\rightarrow\:5NaBr + NaBrO_3 + 3CO_2}$$
为了获得纯溴,将溶液酸化并蒸馏。
$$\mathrm{5NaBr + NaBrO_3 + 3H_2SO_4\:\rightarrow\:3Na_2SO_4 + 5HBr + HBrO_3}$$
$$\mathrm{5HBr + HBrO_3 \:\rightarrow\:3Br_2 + 3H_2O}$$
溴的物理性质
可以使用下表比较溴和其他卤素同类的物理性质
性质 | F | Cl | Br | I |
---|---|---|---|---|
颜色(液体) | 透明黄色 | 琥珀色黄色 | 红棕色 | 深色固体 |
颜色(蒸汽) | 浅黄色 | 淡绿色黄色 | 橙红色 | 紫色 |
熔化焓 (kJ/mol) | 0.51 | 6.41 | 10.57 | 15.52 |
汽化焓 (kJ/mol) | 6.54 | 20.41 | 29.56 | 41.95 |
标准电极电位 (V) | + 2.87 | + 1.36 | + 1.06 | + 0.53 |
键能 (kJ/mol) | 158.8 | 242.6 | 192.8 | 151.1 |
密度 $\mathrm{(g/cm^{-3})}$ | 1.513 | 1.655 | 3.187 | 3.960 |
沸点 (K) | 85 | 239 | 333 | 458 |
熔点 (K) | 54 | 172 | 266 | 387 |
电负性 | 4.0 | 3.0 | 2.8 | 2.5 |
电子亲和能 (kJ/mol) | 333 | 349 | 325 | 296 |
电离能 (kJ/mol) | 1681 | 1256 | 1143 | 1009 |
离子尺寸 (pm) | 133 | 184 | 196 | 220 |
原子尺寸 (pm) | 72 | 99 | 114 | 133 |
溴的化学性质
溴的反应活性低于氯,但高于碘,它与多种金属、非金属和化合物反应。溴水溶液用于氧化、漂白和消毒。以下是其氧化性能的一些例子
$$\mathrm{Na_2S_2O_3 + Br_2 + H_2O\:\rightarrow\:Na_2SO_4 + S + 2HBr}$$
$$\mathrm{Na_3AsO_3 + Br_2 + H_2O\:\rightarrow\:Na_3AsO_4 + 2HBr}$$
溴与冷 NaOH 溶液反应生成次溴酸盐。当使用热溶液时会生成溴酸盐。
$$\mathrm{Br_2 + 2NaOH (冷)\:\rightarrow\:NaBr + NaOBr + H_2O}$$
$$\mathrm{3Br_2 + 6NaOH (热)\:\rightarrow\: 5NaBr + NaBrO_3 + 3H_2O}$$
溴的化合物
溴化氢:它是通过使氢气和溴气的混合物通过电加热的铂螺旋制成的。金属溴化物用浓 $\mathrm{H_2SO_4}$ 处理不会生成 HBr,因为生成的 HBr 会被浓 $\mathrm{H_2SO_4}$ 氧化成 $\mathrm{Br_2}$
溴的氧化物:溴形成的许多氧化物甚至在室温以下就会分解。溴的一些重要氧化物是
一氧化二溴 $\mathrm{(Br_2O)}$:溴蒸汽在 323–343 K 下与干燥的 HgO 反应生成它。
二氧化溴 $\mathrm{(BrO_2)}$:在低温下臭氧化溴可制得二氧化溴
三氧化二溴 $\mathrm{(BrO_3)}$:它是在 -5 至 10 摄氏度的温度下通过臭氧化溴制成的。
溴的含氧酸:次溴酸 (HOBr) 和溴酸 $\mathrm{(HBrO_3)}$ 是溴形成的两种含氧酸。另一方面,亚溴酸盐是亚溴酸盐 $\mathrm{(HBrO_2)}$。用新沉淀的氧化汞或氧化银处理溴水可生成次溴酸 $\mathrm{(HOBr)}$。
溴的用途
它被用作氧化剂,以及用于生产消毒剂和其他关键有机化合物,如四乙基铅。
在摄影中,使用溴化银。
作为实验室试剂,使用 HBr。
溴的氧化物和含氧酸用作氧化剂。
结论
溴在元素周期表中的原子序数为 35。它具有特征性气味,在地壳中相当丰富。溴的独特特性是它是在室温和环境压力下唯一以液态存在的非金属。溴在日常生活中和工业中都有广泛的用途。
常见问题解答
Q1. 溴的一些性质是什么?
答:它是一种红棕色的液体,沸点为 58.8°C,凝固点为 -7.3°C。它极易燃,产生刺激喉咙和肺部的强烈烟雾。溴的反应活性低于氯,但高于碘,它与多种金属、非金属和化合物反应。
Q2. 您如何在实验室中制备 HBr?
答:$\mathrm{HBr}$ 可以通过浓 $\mathrm{H_3PO_4}$ 与金属溴化物反应制备。所涉及的化学反应为
$$\mathrm{3NaBr + H_3PO_4 \:\xrightarrow{\Delta}\:Na_3PO_4 + 3HBr}$$
Q3. $\mathrm{BrO_2}$ 如何与碱反应?
答:它在 0°C 下分解,仅在 -40°C 下为黄色固体。当它溶解在碱中时,会形成溴化物和溴酸盐的混合物。
$$\mathrm{6BrO_2 + 6NaOH\:\rightarrow\:5NaBrO_3 + NaBr + 3H_2O}$$
Q4. 简要说明一下一氧化二溴 $\mathrm{(Br_2O)}$。
(i) 溴蒸汽在 323–343 K 下与干燥的 HgO 反应生成一氧化二溴。
$$\mathrm{2HgO + 2Br_2\:\rightarrow\:HgO.HgBr_2 + Br_2O}$$
(ii) 它是一种深棕色的液体,凝固点为 -17.5 摄氏度。在碱存在下,它会发生歧化反应。
$$\mathrm{6NaOH + 6Br_2O\:\rightarrow\:5NaBrO_3 + NaBr + 3H_2O}$$
(iii) 它是 $\mathrm{HBrO}$ 的酸酐,因为它溶于水中会形成次溴酸。它充当氧化剂,将碘氧化成五氧化二碘。
$$\mathrm{5Br_2O + I_2\:\rightarrow\:I_2O_5 + 5Br_2}$$
Q5. 为什么稀 HBr 溶液倾向于变成黄色?
答:由于 $\mathrm{HBr}$ 被氧化成 $\mathrm{Br_2}$,稀 HBr 水溶液反应性特别强,并会变成黄色。