Halogènes : présentation

Les halogènes, une famille unie…

F, Cl, Br, I, At

 

Seul l’astate n’a pas de dossier dédié.

 

Dans la classification périodique

Structure électronique, configuration de l'état fondamental

Abondance dans la nature et sources principales

Propriétés chimiques

Principales propriétés physicochimiques, évolution dans la colonne

Importance industrielle et économique et principales utilisations

Les halogènes « à la maison », dans la vie quotidienne, dans l’environnement

Toxicité - importance biologique

Découverte des éléments, étymologie des noms

Quelques sites traitant des propriétés de la famille des halogènes

  

Dans la classification périodique

La famille des halogènes se situe dans la dix- septième colonne de la classification périodique, dans le bloc p. Elle est située entre la colonne de l’oxygène np4 et la colonne des gaz monoatomiques np6.

 

Structure électronique, configuration de l'état fondamental

La famille des halogènes comprend les 5 éléments :

Fluor F (Z=9) ; Chlore Cl (Z=17) ; Brome Br (Z =35 ) ; Iode I (Z=53 ) ; Astate At (Z=85)

Tous les éléments de cette famille possèdent sept électrons sur le dernier niveau d’énergie.

Pour les halogènes des périodes n = 2 ou 3, la configuration électronique externe est ns2 np5

Pour les halogènes des périodes n = 4, 5 ou 6, cette configuration est ns2 (n-1) d10 np5

 

Abondance dans la nature et sources principales

 

 

Abondance

(% massique de la croute terrestre)

Principaux composés

Dans une eau de mer de salinité 35 (*)

F

0,03

fluorine (spath-fluor) : CaF2

cryolithe : Na3AlF6

fluoroapatite : Ca5(PO4)3F

0,0013 g/L en ions fluorure

Cl

0,19

chlorure de sodium NaCl (sel gemme)

19 g/L en ions chlorure

Br

10-3

 

0,065 g/L en ions bromure

I

10-4

lautarite : Ca(IO3)2

dietzeite : 7Ca(IO3)2 8 CaCrO4

Peu dans les eaux naturelles, toutefois quelques sources (découvertes à l’occasion de forages pétroliers), contiennent parfois de grandes quantités d’iodures.

At

Estimation : quelques grammes - Attention : valeur absolue dans toute la croute terrestre : l’astate est considéré comme l’élément naturel le moins abondant sur Terre

 

(*) Certaines étendues d’eau contiennent une concentration plus grande :

Grand Lac salé (Utah, US) : ≅ 23% en NaCl

Mer Morte (Israël) : ≅ 8% NaCl, 13,0% MgCl2, 3,5% CaCl2).

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Propriétés chimiques

 

 

La famille des halogènes est très homogène et les propriétés chimiques des différents corps simples correspondant (sauf l’astate) sont très comparables avec une progression régulière du haut en bas de la classification. Il s’agit du même comportement que celui observé dans la famille des alcalins, cette similitude de comportement s’explique par le fait que chaque halogène précède un gaz de la colonne 18 et qu’un élément alcalin suit ce dernier.

Ils sont tous extrêmement réactifs ce qui explique qu’on n’en trouve aucun à l’état naturel. Les dihalogènes sont des oxydants, le difluor est le corps simple le plus oxydant de tous.

La très forte électronégativité du fluor (le plus électronégatif de tous les éléments) confère toutefois au difluor une réactivité particulière.

 

 Principales propriétés physicochimiques, évolution dans la colonne 

 Pour en savoir davantage :

Usuel de chimie générale et minérale par M. Bernard et F. Busnot éditeur DUNOD

Chimie des groupes principaux par Jacques Angenault éditeur VUIBERT

Chemistry of the elements par N. N. Greenwood et A. Earnshaw éditeur PERGAMON PRESS

http://www.chemicool.com/

http://www.lbs.fst.u-3mrs.fr/minerale-1.html (Cours de chimie minérale, Université Paul Cézanne – Aix-Marseille)

 

Élément

Configuration électronique

Energie d’ionisation ΔE1U0

/kJmol-1

Energie d’ionisation ΔE2U0

/kJmol-1

Energie de fixation électronique ΔFEU0

/kJmol-1

Électronégativité

(Pauling)

Rayon atomique

pm

Rapport

charge

/rayon

Fluor

[He] 2s22p5

1681

3374

-334

3,98

50

 

Chlore

[Ne] 3s23p5

1251

2297

-348

3,16

100

 

Brome

[Ar] 3d10 4s24p5

1140

2100

-324

2,96

115

 

Iode

[Kr] 4d105s25p5

1008

1846

-295

2,66

140

 

Astate

[Xe] 4f145d10 6s26p5

890

-

-

-

-

 

Uus

117

[Rn] 5f146d10 7s2 7p5

-

-

-

-

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les énergies d’ionisation diminuent lorsque n augmente. Ces valeurs sont nettement supérieures à celles de la colonne 16, la configuration ns2 np5 est donc plus stable que la configuration ns2 np4.

Le fluor a l’énergie d’ionisation la plus élevée de tous les éléments, après l’hélium et le néon. Le fluor étant très petit, la différence entre son énergie d’ionisation et celle du chlore qui le suit dans la colonne est très grande.

 

Les énergies de fixation électronique sont négatives pour tous les halogènes. La réaction

X(g) + e- = X-(g) est très exothermique car l’espèce X-(g) a la configuration électronique du gaz monoatomique voisin. La valeur de l’énergie de fixation électronique pour le fluor ne suit pas la variation des autres halogènes. La petite taille de l’atome explique ce phénomène.

 

Rayons atomiques

Le fluor, comme tous les éléments de la 2ème période a un rayon nettement inférieur aux autres éléments du groupe. De plus, il est le seul à avoir un rayon inférieur à son voisin dans la colonne 16 (l’oxygène), les autres éléments voisins ayant des rayons atomiques identiques.

 

oxygène

soufre

sélénium

tellure

polonium

60

100

115

140

190

 

 Corps simples

Températures de fusion/ébullition - solubilité

 

F2

Cl2

Br2

I2

At

Tf (°C)

-220

-102,4

-7,3

113,7

302

Teb (°C)

-188

-34

58,8

184,5

334

Solubilité (g/L)

réagit

0,729

3,46

0,029

-

On remarquera qu’à température ambiante, ces corps présentent toute la « panoplie » d’états physiques : gazeux pour le difluor et le dichlore, liquide pour le dibrome (ce qui est un des rares cas de corps pur simple liquide avec le mercure) et solide pour le diiode et l’astate. L’augmentation régulière des températures de changement d’état le long de la colonne suit l’évolution du volume et de la polarisabilité des molécules. C’est la seule famille de la classification périodique à présenter cette propriété.

Les températures d’ébullition des halogènes sont supérieures à celles des gaz monoatomiques. Deux phénomènes le justifient :

- le nombre d’électrons de chaque dihalogènes est presque le double de celui du gaz monoatomique qui le suit dans sa période (exemple : 18 pour le difluor et 10 pour le néon).

- les moments dipolaires instantanés des gaz monoatomiques sont inférieurs à ceux des halogènes.

 

Evolution progressive du caractère non-métallique au caractère métallique

Dans les conditions habituelles de température et de pression, le difluor, le dichlore et le dibrome sont des non-métaux isolants; le diiode est un solide, à l’éclat métallique semi- conducteur. L’astate, élément radioactif artificiel n’est pas caractérisé.

Evolution du comportement des corps simples de la 5ème ligne du bloc p :

 

Groupe

13

14

15

16

17

Elément

Indium

Etain

Antimoine

Tellure

Iode

caractère

Conducteur

Conducteur

Semi-conducteur

Semi-conducteur

Semi-conducteur

 

Tous les halogènes sont colorés,

 

F2

Cl2

Br2

I2

couleur

Jaune très pâle

Jaune vert pâle

Rouge-brun

violet

 Ces couleurs s’expliquent par la transition électronique (πg*)4 -> (s*u)0 entre une orbitale moléculaire plus haute occupée πg* et une orbitale moléculaire plus basse vacante s*u.

L’œil perçoit la teinte complémentaire des radiations absorbées. L’écart entre les deux orbitales diminue à mesure que Z croît. Les transitions électroniques se déplacent dans le domaine du visible.

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Importance industrielle et économique et principales utilisations

 

 

 

 

Historiquement… et malheureusement : la première production industrielle de difluor a été destinée à la fabrication de la bombe atomique lors de la Seconde Guerre mondiale. Pour sa toxicité, le dichlore est un des premiers gaz utilisés lors de la Première Guerre mondiale comme gaz de combat.

Pour le fluor et le chlore

Consulter le site de la SCF les Données sur les principaux produits chimiques, métaux et matériaux, Auteurs : J-L Vignes, G. André, F. Kapala

http://www.societechimiquedefrance.fr/extras/Donnees/acc.htm

Fluor

- Industrie chimique : agent de synthèses organiques et minérales ; fréons ou CFC (actuellement interdits)

- Industrie nucléaire : préparation de l’hexafluorure d’uranium.

- Recherche spatiale : agent comburant pour la propulsion des fusées.

Chlore

- Matière première pour la synthèse de nombreux composés organiques et minéraux.

- Agent de blanchiment en papeterie

- Agent de désinfection et de stérilisation (traitement des eaux)

- Solvants chlorés

Brome

- Synthèse organique : fabrication du dibromure d’éthylène, d’ignifugeants, de pesticides, de colorants, de produits pharmaceutiques, etc.

- Fabrication de bromures inorganiques.

- Traitement des eaux.

Iode

- Fabrication de composés organiques ou minéraux, tels que des produits pharmaceutiques ou photographiques, des désinfectants et des colorants.

- Catalyseur en synthèse organique.

- Réactif de laboratoire.

 

Les halogènes « à la maison », dans la vie quotidienne, dans l’environnement

lampes à incandescence halogène (mais en voie de disparition…) http://fr.wikipedia.org/wiki/Lampe_%C3%A0_incandescence_halog%C3%A8ne

http://www.linternaute.com/science/technologie/comment/06/lampe-halogene/lampe-halogene.shtml

http://www.led-fr.net/lampe-a-halogene.htm

http://ec.europa.eu/energy/lumen/overview/whatchanges/index_fr.htm

 

A la cuisine : plaques de cuisson halogène

http://www.installations-electriques.net/Apelm/Plaque.htm

http://plaque-de-cuisson.comprendrechoisir.com/comprendre/plaque-cuisson-halogene

Revêtements anti-adhésifs (pas seulement à la cuisine !!!)

http://fr.wikipedia.org/wiki/Polyt%C3%A9trafluoro%C3%A9thyl%C3%A8ne

http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/teflon_8033/

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/le-fluorographene-un-cousin-du-teflon_26012/

 

Dans la salle de bain : fluor des dentifrices, teinture d’iode…

http://sante-medecine.commentcamarche.net/faq/1593-fluor-et-prevention-de-la-carie-dentaire-afssaps#le-fluor-sur-le-tissu-dentaire

http://www.afssaps.fr/content/download/16165/188702/version/5/file/fluor-final.pdf

 

Partout : eau de Javel

http://www.eaudejavel.fr/pages/eau/chimie.asp

 

Chez le médecin : iode et tyroïde, scintigraphie

http://www.vulgaris-medical.com/encyclopedie/iode-utilisation-therapeutique-et-intoxication-8676.html

 

Alimentation : Iode et fluor, des oligoéléments indispensables

http://www.salins.fr/sel-iode-et-fluore-29.html?PHPSESSID=dbd21c198aa9664ad2c2a12ff4713cf1

http://oligoelements.net/

 

Impacts environnementaux : Fluides frigorigènes

http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_11629.htm

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide_frigorig%C3%A8ne

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Toxicité - importance biologique  

Remarque : la parenté entre les divers éléments de la famille des halogènes se retrouve dans leurs effets physiologiques.

« Le fluor et le chlore gazeux, les vapeurs de brome et d’iode sont des irritants de l’appareil respiratoire; l’inhalation de concentrations relativement faibles de ces gaz et vapeurs procure une sensation désagréable, acre, suivie de suffocation, de toux et d’oppression thoracique. L’atteinte du tissu pulmonaire qui s’ensuit peut charger le poumon de liquide, et conduire à un œdème pulmonaire parfois mortel ».

 

Consulter les fiches toxicologiques de l’INRS

http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/IntranetObject-accesParReference/INRS-FR/$FILE/fset.html

puis sélectionner (menu à droite) Base de données/fiches toxicologiques

Fluor : fiche FT203

Chlore : fiche FT51

Brome : fiche FT27

Iode : fiche FT207

 

On pourra aussi consulter les fiches du site Lenntech (Pays Bas)

http://www.lenntech.fr/periodique/tableau-periodique.htm

et aussi

http://www.greenfacts.org/fr/fluorures/fluorides-2/index.htm#0

 

Découverte des éléments, étymologie des noms

Halogène vient du grec « halo » (sel), et « gene » (qui génère). Ce terme fut proposé par Schweigger en 1811 pour souligner la propriété de se combiner à un métal pour former des sels.

 Le fluor a été découvert par Carl Wilhelm Scheele en 1771 et isolé par Henri Moissan (FR) en 1886 ; ce dernier reçut le prix Nobel en 1906.

Étymologie du nom : du latin « fluere » (fondre, couler car CaF2 servait de fondant en métallurgie.

 Le chlore a été découvert par Carl William Scheele (SE) en 1774 puis identifié en 1809 par Humphry Davy

Étymologie du nom : du grec « khloros » (vert pâle d’après la couleur de ce gaz)

 Le brome a été découvert par Antoine-Jérôme Balard (FR) en 1826 dans les eaux de la Méditerranée

Étymologie du nom : du grec « bromos » (fétide, en raison de l’odeur désagréable de ce liquide rouge foncé).

 L'iode a été découvert par Bernard Courtois (FR) en 1811 dans des cendres d’algues marines.

Étymologie du nom : du grec « iodes » (violet, d’après la couleur des vapeurs d’iode résultant de la sublimation de cet élément, et du solide qu’on obtient par condensation des vapeurs).

L'astate a été obtenu pour la première fois en 1940 par Emilio Segré, Dale Raymond Corson et Kenneth Ross Mackenzie (US) en bombardant du Bismuth avec des particules alpha.

Étymologie du nom : du grec « astatos » (instable).

 

 Quelques sites traitant des propriétés de la famille des halogènes

Cours de l’Université de Laval (Canada)

http://www.chm.ulaval.ca/kleitz/supportdecours/Support_Chapitre%2011%20Le%20groupe%2017.pdf

 Cours de chimie minérale (Université Paul Cézanne – Aix-Marseille)

http://www.lbs.fst.u-3mrs.fr/minerale-1.html

 Site de l’organisation internationale du travail

http://www.ilo.org/safework_bookshelf/french?content&nd=857171268

  Et toujours… les fiches éléments accessibles à partir de classifications périodiques, par exemple…

http://www.periodni.com/fr/f.html

 

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