Халькоген - Chalcogen

Халькогены
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон пниктогены ←   → галогены
Номер группы ИЮПАК 16 Имя по элементу кислородная группа Банальное имя халькогены Номер группы CAS (США, образец ABA) С ПОМОЩЬЮ старый номер IUPAC (Европа, образец AB) VIB
↓  Период
2	Кислород (O) 8 Прочие неметаллы
3	Сера (S) 16 Прочие неметаллы
4	Селен (Se) 34 Прочие неметаллы
5	Теллур (Te) 52 Металлоид
6	Полоний (Po) 84 Другой металл
7	Ливерморий (Ур.) 116 Другой металл
Легенда изначальный элемент естественно возникающий в результате радиоактивного распада синтетический элемент Цвет атомного номера: красный = газ ,  черный = сплошной
v т е

В халькогенах (руда формирования) ( / к æ л к ə dʒ ə п г / КАЛ -kə-jənz ) являются химическими элементами в группе 16 периодической таблицы . Эта группа также известна как кислородное семейство . Он состоит из элементов кислорода (O), серы (S), селена (Se), теллура (Te) и радиоактивного элемента полония (Po). Предполагается, что химически не охарактеризованный синтетический элемент ливерморий (Lv) также является халькогеном. Часто кислород обрабатывают отдельно от других халькогенов, иногда даже исключая из области действия термина «халькоген» в целом, из-за того, что его химическое поведение сильно отличается от серы, селена, теллура и полония. Слово «халькоген» происходит от сочетания греческого слова khalkόs ( χαλκός ), в основном означающего медь (термин также использовался для обозначения бронзы / латуни , любого металла в поэтическом смысле, руды или монеты ) и латинизированного греческого слова genēs. , что означает рожденный или произведенный .

Сера была известна с древних времен, а кислород был признан элементом в 18 веке. Селен, теллур и полоний были открыты в 19 веке, а ливерморий - в 2000 году. Все халькогены имеют шесть валентных электронов , поэтому им не хватает двух электронов до полной внешней оболочки. Их наиболее распространенные степени окисления -2, +2, +4 и +6. У них относительно малые атомные радиусы , особенно у более легких.

Более легкие халькогены обычно нетоксичны в своей элементарной форме и часто критичны для жизни, в то время как более тяжелые халькогены обычно токсичны . Все встречающиеся в природе халькогены играют определенную роль в биологических функциях в качестве питательных веществ или токсинов. Селен является важным питательным веществом (среди прочего, как строительный блок селеноцистеина ), но также обычно токсичен. Теллур часто имеет неприятные эффекты (хотя некоторые организмы могут его использовать), а полоний (особенно изотоп полоний-210 ) всегда вреден из-за своей радиоактивности.

Сера имеет более 20 аллотропов , кислород - девять, селен - не менее восьми, полоний - два, и пока обнаружена только одна кристаллическая структура теллура. Существует множество органических соединений халькогенов. Не считая кислорода, обычно наиболее распространены органические соединения серы, за которыми следуют органические соединения селена и органические соединения теллура. Эта тенденция также наблюдается с пниктидами халькогенов и соединениями, содержащими халькогены и элементы углеродной группы .

Кислород обычно получают путем разделения воздуха на азот и кислород. Сера добывается из нефти и природного газа. Селен и теллур производятся как побочные продукты рафинирования меди. Полоний и ливерморий наиболее доступны в ускорителях частиц. В первую очередь элементарный кислород используется в сталеплавильном производстве . Сера в основном превращается в серную кислоту , которая широко используется в химической промышленности. Наиболее распространенное применение селена - производство стекла. Соединения теллура в основном используются в оптических дисках, электронных устройствах и солнечных элементах. Некоторые применения полония связаны с его радиоактивностью.

Характеристики

Атомный и физический

Халькогены демонстрируют схожие паттерны электронной конфигурации , особенно во внешних оболочках , где все они имеют одинаковое количество валентных электронов , что приводит к аналогичным тенденциям в химическом поведении:

Z	Элемент	Кол-во электронов / оболочка
8	Кислород	2, 6
16	Сера	2, 8, 6
34	Селен	2, 8, 18, 6
52	Теллур	2, 8, 18, 18, 6
84	Полоний	2, 8, 18, 32, 18, 6
116	Ливерморий	2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (прогноз)

Элемент	Температура плавления (° C)	Точка кипения (° C)	Плотность на СТП (г / см 3 )
Кислород	−219	−183	0,00143
Сера	120	445	2,07
Селен	221	685	4.3
Теллур	450	988	6,24
Полоний	254	962	9.2
Ливерморий	220 (прогноз)	800 (прогноз)	14 (прогноз)

Все халькогены имеют шесть валентных электронов . Все твердые, стабильные халькогены мягкие и плохо проводят тепло . Электроотрицательность уменьшается по направлению к халькогенам с более высокими атомными номерами. Плотность, температуры плавления и кипения, а также атомные и ионные радиусы имеют тенденцию увеличиваться в сторону халькогенов с более высокими атомными номерами.

Изотопы

Из шести известных халькогенов один (кислород) имеет атомный номер, равный ядерному магическому числу , что означает, что их атомные ядра имеют тенденцию иметь повышенную устойчивость к радиоактивному распаду. Кислород имеет три стабильных изотопа и 14 нестабильных. У серы четыре стабильных изотопа, 20 радиоактивных и один изомер . Селен имеет шесть стабильных или почти стабильных изотопов, 26 радиоактивных изотопов и 9 изомеров. Теллур имеет восемь стабильных или почти стабильных изотопов, 31 нестабильный и 17 изомеров. Полоний имеет 42 изотопа, ни один из которых не является стабильным. Он имеет дополнительно 28 изомеров. Помимо стабильных изотопов, некоторые радиоактивные изотопы халькогена встречаются в природе либо потому, что они являются продуктами распада, например, ²¹⁰ Po , потому что они первичны , например, ⁸² Se, из-за расщепления космическими лучами , либо в результате ядерного деления урана. Были обнаружены изотопы ливермория с ²⁹⁰ по ^{293 уровня} ; самый стабильный изотоп ливермория - ²⁹³ Lv, период полураспада которого составляет 0,061 секунды.

Среди легких халькогенов (кислород и серы), наиболее нейтронные бедными изотопы подвергаются протонному излучению , умеренно нейтронно-бедные изотопы подвергаются электронному захвату или β ⁺ распад , умеренно нейтроноизбыточные изотопы подвергаются β ^- распад , а наиболее нейтроны богатых изотопы испускают нейтроны . Средние халькогены (селен и теллур) имеют те же тенденции распада, что и более легкие халькогены, но их изотопы не испускаются протонами, а некоторые из наиболее нейтронодефицитных изотопов теллура подвергаются альфа-распаду . Изотопы полония имеют тенденцию распадаться с альфа- или бета-распадом. Изотопы с ядерным спином более распространены среди халькогенов селен и теллур, чем с серой.

Аллотропы

Наиболее распространенным аллотропом кислорода является двухатомный кислород или O ₂ , реактивная парамагнитная молекула, которая повсеместно присутствует в аэробных организмах и имеет синий цвет в жидком состоянии . Другой аллотроп - это О ₃ или озон , который представляет собой три атома кислорода, связанные вместе в изогнутую формацию. Существует также аллотроп, называемый тетракислородом , или O ₄ , и шесть аллотропов твердого кислорода, включая «красный кислород», который имеет формулу O ₈ .

Сера имеет более 20 известных аллотропов, что больше, чем у любого другого элемента, кроме углерода . Чаще всего аллотропы имеют форму восьмиатомных колец, но известны и другие молекулярные аллотропы, содержащие от двух до 20 атомов. Другие известные аллотропы серы включают ромбическую серу и моноклинную серу. Ромбическая сера является более стабильной из двух аллотропов. Моноклинная сера принимает форму длинных игл и образуется, когда жидкая сера охлаждается до температуры чуть ниже ее точки плавления. Атомы в жидкой сере обычно имеют форму длинных цепочек, но при температуре выше 190 ° Цельсия цепи начинают разрушаться. Если жидкая сера при температуре выше 190 ° C замораживается очень быстро, образующаяся сера является аморфной или «пластичной» серой. Газообразная сера представляет собой смесь двухатомной серы (S ₂ ) и 8-атомных колец.

Селен имеет по крайней мере восемь различных аллотропов. Серый аллотроп, обычно называемый «металлическим» аллотропом, несмотря на то, что он не является металлом, стабилен и имеет гексагональную кристаллическую структуру . Серый аллотроп селена мягкий, твердость по шкале Мооса 2, и хрупкий. Четыре других аллотропа селена метастабильны . К ним относятся два моноклинных красных аллотропа и два аморфных аллотропа, один из которых красный, а другой черный. Красный аллотроп превращается в черный аллотроп в присутствии тепла. Серый аллотроп селена состоит из спиралей на атомах селена, а один из красных аллотропов состоит из стопок колец селена (Se ₈ ).

Теллур не имеет аллотропов, хотя его типичная форма - гексагональная. Полоний имеет два аллотропа, которые известны как α-полоний и β-полоний. α-полоний имеет кубическую кристаллическую структуру и превращается в ромбоэдрический β-полоний при 36 ° C.

Халькогены имеют различную кристаллическую структуру. Кристаллическая структура кислорода моноклинная , сера - ромбическая , селен и теллур - гексагональная кристаллическая структура, а полоний - кубическая кристаллическая структура .

Химическая

Кислород, сера и селен - неметаллы , а теллур - металлоид , что означает, что его химические свойства находятся между свойствами металла и неметалла. Неизвестно, является ли полоний металлом или металлоидом. В некоторых источниках полоний называют металлоидом, хотя он обладает некоторыми металлическими свойствами. Кроме того, некоторые аллотропы селена отображают характеристики металлоида, хотя селен обычно считается неметаллом. Хотя кислород является халькогеном, его химические свойства отличаются от свойств других халькогенов. Одна из причин этого заключается в том, что у более тяжелых халькогенов есть свободные d-орбитали . Электроотрицательность кислорода также намного выше, чем у других халькогенов. Это делает электрическую поляризуемость кислорода в несколько раз ниже, чем у других халькогенов.

Для ковалентной связи халькоген может принимать два электрона в соответствии с правилом октетов , оставляя две неподеленные пары . Когда атом образует две одинарные связи , они образуют угол от 90 ° до 120 ° . В 1+ катионов , таких как H
3О+
, халькоген образует три молекулярные орбитали, расположенные тригонально-пирамидальным образом, и одну неподеленную пару. Двойные связи также распространены в соединениях халькогенов, например, в халькогенатах (см. Ниже).

Степень окисления наиболее распространенных соединений халькогена с положительными металлами составляет -2. Однако тенденция халькогенов к образованию соединений в состоянии -2 уменьшается по направлению к более тяжелым халькогенам. Встречаются и другие степени окисления, например -1 в пирите и пероксиде . Наивысшая формальная степень окисления +6. Эта степень окисления присутствует в сульфатах , селенатах , теллуратах , полонатах и ​​их соответствующих кислотах, таких как серная кислота .

Кислород является наиболее электроотрицательным элементом, за исключением фтора , и образует соединения почти со всеми химическими элементами, включая некоторые благородные газы . Это обычно связи со многими металлами и металлоидов с образованием оксидов , в том числе оксид железа , оксид титана и оксид кремния . Наиболее распространенная степень окисления кислорода -2, и степень окисления -1 также относительно обычна. С водородом образует воду и перекись водорода . Органические кислородные соединения широко используются в органической химии .

Степени окисления серы: -2, +2, +4 и +6. Серосодержащие аналоги кислородных соединений часто имеют приставку тио- . По химическому составу сера во многом похожа на кислород. Одно отличие состоит в том, что двойные связи сера-сера намного слабее, чем двойные связи кислород-кислород, но одинарные связи сера-сера прочнее одинарных связей кислород-кислород. Органические соединения серы, такие как тиолы, имеют сильный специфический запах, и некоторые из них утилизируются некоторыми организмами.

Степени окисления селена -2, +4 и +6. Селен, как и большинство халькогенов, связывается с кислородом. Есть некоторые органические соединения селена , такие как селенопротеины . Степени окисления теллура -2, +2, +4 и +6. Теллур образует оксиды теллура окись , диоксид теллура , и триоксид теллура . Степени окисления полония +2 и +4.

Есть много кислот, содержащих халькогены, включая серную кислоту, сернистую кислоту , селеновую кислоту и теллуровую кислоту . Все халькогениды водорода токсичны, кроме воды . Ионы кислорода часто бывают в форме оксидных ионов ( O²⁻
), пероксид- ионы ( O^2-
₂) и гидроксид- ионы ( OH^-
). Ионы серы обычно бывают в форме сульфидов ( S²⁻
), сульфиты ( SO^2-
₃), сульфаты ( SO^2-
₄) и тиосульфаты ( S
₂О^2-
₃). Ионы селена обычно находятся в форме селенидов ( Se²⁻
) и селенаты ( SeO^2-
₄). Ионы теллура часто бывают в виде теллуратов ( TeO^2-
₄). Молекулы, содержащие металл, связанный с халькогенами, распространены как минералы. Например, пирит (FeS ₂ ) - это железная руда , а редкий минерал калаверит - дителлурид ( Au , Ag ) Te ₂ .

Хотя все элементы 16-й группы периодической таблицы, включая кислород, можно определить как халькогены, кислород и оксиды обычно отличаются от халькогенов и халькогенидов . Термин халькогенид чаще используется для сульфидов , селенидов и теллуридов , чем для оксидов .

За исключением полония, все халькогены довольно похожи друг на друга химически. Все они образуют ионы X ^2- при взаимодействии с электроположительными металлами.

Сульфидные минералы и аналогичные соединения выделяют газы при реакции с кислородом.

Соединения

С галогенами

Халькогены также образуют соединения с галогенами, известные как халькогалогениды или галогениды халькогенов . Большинство простых галогенидов халькогенов хорошо известны и широко используются в качестве химических реагентов . Однако более сложные галогениды халькогенов, такие как сульфенил, сульфонил и сульфурилгалогениды, менее известны науке. Из соединений, состоящих исключительно из халькогенов и галогенов, известно всего 13 фторидов халькогенов, девять хлоридов халькогенов, восемь бромидов халькогенов и шесть иодидов халькогенов. Более тяжелые галогениды халькогенов часто имеют значительные молекулярные взаимодействия. Фториды серы с низкой валентностью довольно нестабильны, и об их свойствах мало что известно. Однако фториды серы с высокой валентностью, такие как гексафторид серы , стабильны и хорошо известны. Тетрафторид серы также является хорошо известным фторидом серы. Некоторые фториды селена, такие как дифторид селена , производятся в небольших количествах. Кристаллические структуры как тетрафторид селена и теллура тетрафторида известны. Также были исследованы хлориды и бромиды халькогенов. В частности, дихлорид селена и дихлорид серы могут реагировать с образованием органических соединений селена . Известно также, что существуют дигалогениды дихалькогена, такие как Se ₂ Cl ₂ . Есть также смешанные халькоген-галогеновые соединения. К ним относятся SeSX, где X - хлор или бром. Такие соединения могут образовываться в смесях дихлорида серы и галогенидов селена. Эти соединения были сравнительно недавно структурно охарактеризованы, начиная с 2008 г. В целом, хлориды и бромиды диселена и дисульфура являются полезными химическими реагентами. Галогениды халькогенов с присоединенными атомами металлов растворимы в органических растворах. Одним из примеров такого соединения является Mo S ₂ Cl ₃ . В отличие от хлоридов и бромидов селена , по состоянию на 2008 г. йодиды селена не выделялись, хотя вполне вероятно, что они присутствуют в растворах. Однако дииодид дизелена действительно находится в равновесии с атомами селена и молекулами йода. Некоторые галогениды теллура с низкой валентностью, такие как Te ₂ Cl ₂ и Te ₂ Br ₂ , образуют полимеры в твердом состоянии . Эти галогениды теллура можно синтезировать восстановлением чистого теллура супергидридом и взаимодействием полученного продукта с тетрагалогенидами теллура. Дигалогениды дителлура имеют тенденцию становиться менее стабильными, поскольку галогениды становятся меньше по атомному номеру и атомной массе. Теллур также образует йодиды с даже меньшим количеством атомов йода, чем дииодиды. К ним относятся TeI и Te ₂ I. Эти соединения имеют протяженную структуру в твердом состоянии. Галогены и халькогены также могут образовывать галогенхалькогенат- анионы .

Органический

Спирты , фенолы и другие подобные соединения содержат кислород. Однако в тиолах , селенолах и теллуролах ; сера, селен и теллур заменяют кислород. Тиолы более известны, чем селенолы или теллуролы. Тиолы являются наиболее стабильными халькогенолами, а теллуролы наименее стабильны, поскольку они нестабильны при нагревании или на свету. Другие органические соединения халькогенов включают тиоэфиры , селеноэфиры и теллуроэфиры. Некоторые из них, такие как диметилсульфид , диэтилсульфид и дипропилсульфид , коммерчески доступны. Селеноэфиры находятся в форме R ₂ Se или R SeR. Теллуроэфиры, такие как диметилтеллурид , обычно получают так же, как тиоэфиры и селеноэфиры. Органические соединения халькогена, особенно органические соединения серы, имеют тенденцию к неприятному запаху. Диметил теллурид также имеет неприятный запах, а селенофенол известен своим «метафизическим запахом». Есть также тиокетоны , selenoketones и telluroketones . Из них тиокетоны являются наиболее хорошо изученными, о них написано 80% статей о халькогенокетонах. Селенокетоны составляют 16% таких бумаг, а теллурокетоны - 4%. Тиокетоны обладают хорошо изученными нелинейными электрическими и фотофизическими свойствами. Селенокетоны менее стабильны, чем тиокетоны, а теллурокетоны менее стабильны, чем селенокетоны. Теллурокетоны имеют самый высокий уровень полярности халькогенокетонов.

С металлами

Элементарные халькогены реагируют с некоторыми соединениями лантаноидов с образованием кластеров лантанидов, богатых халькогенами. Также существуют халькогенольные соединения урана (IV). Существуют также халькогенолы переходных металлов, которые могут служить катализаторами и стабилизировать наночастицы.

Халькогенидов металлов очень много. Одно из недавних открытий в этой группе соединений - Rb ₂ Te . Есть также соединения, в которых содержатся щелочные металлы и переходные металлы, такие как переходные металлы четвертого периода, за исключением меди и цинка . В халькогенидах металлов с высоким содержанием металлов, таких как Lu ₇ Te и Lu ₈ Te, есть домены кристаллической решетки металла, содержащие атомы халькогена. Хотя эти соединения действительно существуют, аналогичные химические вещества, содержащие лантан , празеодим , гадолиний , гольмий , тербий или иттербий , не были обнаружены по состоянию на 2008 год. Металлы группы бора, алюминий, галлий и индий, также образуют связи с халькогенами. Ион Ti ³⁺ образует димеры халькогенидов, такие как Ti Tl ₅ Se ₈ . Димеры халькогенидов металлов также встречаются в виде низших теллуридов, таких как Zr ₅ Te ₆ .

С пниктогенами

Соединения со связями халькоген- фосфор исследуются более 200 лет. Эти соединения включают простые халькогениды фосфора, а также большие молекулы с биологической ролью и соединения фосфор-халькоген с металлическими кластерами. Эти соединения имеют множество применений, включая спички и квантовые точки . Всего было обнаружено 130 000 соединений, по крайней мере, с одной связью фосфор-сера, 6000 соединений, по крайней мере, с одной связью фосфор-селен и 350 соединений, по крайней мере, с одной связью фосфор-теллур. Уменьшение количества халькоген-фосфорных соединений в периодической таблице Менделеева связано с уменьшением прочности связи. Такие соединения стремятся по крайней мере к одному атому фосфора в центре, окруженному четырьмя халькогенами и боковыми цепями . Однако некоторые соединения фосфор-халькоген также содержат водород (например, вторичные халькогениды фосфина ) или азот (например, дихалькогеноимидодифосфаты). С селенидами фосфора обычно труднее обращаться, чем с сульфидами фосфора, и соединения в форме P _x Te _y не были обнаружены. Халькогены также связываются с другими пниктогенами , такими как мышьяк , сурьма и висмут . Более тяжелые пниктиды халькогенов имеют тенденцию образовывать ленточные полимеры вместо отдельных молекул. Химические формулы этих соединений включают Bi ₂ S ₃ и Sb ₂ Se ₃ . Также известны тройные пниктиды халькогенов. Примеры из них включают P ₄ O ₆ Se и P ₃ SbS ₃ . также существуют соли, содержащие халькогены и пниктогены. Почти все пниктидные соли халькогенов обычно находятся в форме [Pn _x E _4x ] ^3- , где Pn - пниктоген, а E - халькоген. Третичные фосфины могут реагировать с халькогенами с образованием соединений в форме R ₃ PE, где E представляет собой халькоген. Когда E представляет собой серу, эти соединения относительно стабильны, но они менее стабильны, когда E представляет собой селен или теллур. Точно так же вторичные фосфины могут реагировать с халькогенами с образованием вторичных халькогенидов фосфина. Однако эти соединения находятся в состоянии равновесия с халькогенофосфиновой кислотой. Вторичные халькогениды фосфина - слабые кислоты . Бинарные соединения, состоящие из сурьмы или мышьяка и халькогена. Эти соединения имеют тенденцию быть красочными и могут быть созданы реакцией составляющих элементов при температурах от 500 до 900 ° C (от 932 до 1652 ° F).

Другой

Халькогены образуют одинарные и двойные связи с другими элементами углеродной группы, кроме углерода, такими как кремний , германий и олово . Такие соединения обычно образуются в результате реакции галогенидов углеродных групп и солей халькогенола или оснований халькогенола . Существуют циклические соединения с халькогенами, элементами углеродной группы и атомами бора, которые возникают в результате реакции дихалькогенатов бора и галогенидов металлов углеродной группы. Были обнаружены соединения в форме ME, где M - кремний, германий или олово, а E - сера, селен или теллур. Они образуются, когда реагируют гидриды углеродных групп или когда реагируют более тяжелые версии карбенов . Сера и теллур могут связываться с органическими соединениями, содержащими как кремний, так и фосфор.

Все халькогены образуют гидриды . В некоторых случаях это происходит при связывании халькогенов с двумя атомами водорода. Однако теллур гидрид и гидрид полоний являются летучими и весьма лабильны . Кроме того, кислород может связываться с водородом в соотношении 1: 1, как в перекиси водорода , но это соединение нестабильно.

Соединения халькогенов образуют ряд интерхалькогенов . Так , например, сера образует токсичный диоксид серы и триоксид серы . Теллур также образует оксиды. Есть также сульфиды халькогенов. К ним относится сульфид селена , входящий в состав некоторых шампуней .

С 1990 г. был обнаружен ряд боридов со связанными с ними халькогенами. Халькогены в этих соединениях в основном представляют собой серу, хотя некоторые из них вместо этого содержат селен. Один такой борид халькогена состоит из двух молекул диметилсульфида, прикрепленных к молекуле бор-водород. Другие важные бор-халькогенные соединения включают макрополиэдрические системы. Такие соединения, как правило, содержат серу в качестве халькогена. Есть также бориды халькогенов с двумя, тремя или четырьмя халькогенами. Многие из них содержат серу, но некоторые, например Na ₂ B ₂ Se _7, вместо этого содержат селен.

История

Ранние открытия

Сера известна с древних времен и упоминается в Библии пятнадцать раз. Он был известен древним грекам и обычно добывался древними римлянами . Он также исторически использовался как компонент греческого огня . В средние века это была ключевая часть алхимических экспериментов. В 1700-х и 1800-х годах ученые Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи-Жак Тенар доказали, что сера является химическим элементом.

Ранние попытки отделить кислород от воздуха были затруднены тем фактом, что до 17-18 веков воздух считался единым элементом. Роберт Гук , Михаил Ломоносов , Оле Борч и Пьер Байден успешно создали кислород, но в то время не осознавали этого. Кислород был открыт Джозефом Пристли в 1774 году, когда он сфокусировал солнечный свет на образце оксида ртути и собрал образовавшийся газ. Карл Вильгельм Шееле также создал кислород в 1771 году тем же методом, но Шееле не публиковал свои результаты до 1777 года.

Теллур был впервые обнаружен в 1783 году Францем Иосифом Мюллером фон Райхенштейном . Он обнаружил теллур в образце того, что сейчас известно как калаверит. Мюллер сначала предположил, что образец представляет собой чистую сурьму, но проведенные им тесты не согласились с этим. Затем Мюллер предположил, что образец был сульфидом висмута , но испытания подтвердили, что образец был не таким. Несколько лет Мюллер размышлял над этой проблемой. В конце концов он понял, что образец был соединен золотом с неизвестным элементом. В 1796 году Мюллер отправил часть образца немецкому химику Мартину Клапроту , который очистил неоткрытый элемент. Клапрот решил назвать элемент теллуром по латинскому слову земля.

Селен был открыт в 1817 году Йенсом Якобом Берцелиусом . Берцелиус заметил красновато-коричневый осадок на заводе по производству серной кислоты. Считалось, что образец содержит мышьяк. Первоначально Берцелиус думал, что осадок содержит теллур, но затем понял, что он также содержит новый элемент, который он назвал селеном в честь греческой богини луны Селены.

Размещение периодической таблицы

Три халькогена (сера, селен и теллур) были частью открытия периодичности , поскольку они входят в серию триад элементов в той же группе, которые были отмечены Иоганном Вольфгангом Доберейнером как имеющие аналогичные свойства. Примерно в 1865 году Джон Ньюлендс опубликовал серию статей, в которых перечислил элементы в порядке возрастания атомного веса и сходных физических и химических свойств, которые повторялись с интервалом в восемь; он сравнил такую ​​периодичность с музыкальными октавами . Его версия включала «группу b», состоящую из кислорода, серы, селена, теллура и осмия .

После 1869 года Дмитрий Менделеев предложил в своей периодической таблице поместить кислород в верхнюю часть «группы VI» над серой, селеном и теллуром. Хром , молибден , вольфрам и уран иногда включались в эту группу, но позже они были перегруппированы как часть группы VIB ; позже уран будет переведен в ряд актинидов . Кислород вместе с серой, селеном, теллуром, а позже и полонием будет сгруппирован в группу VIA , пока название группы не было изменено на группу 16 в 1988 году.

Современные открытия

В конце 19 - го века, Мари Кюри и Пьер Кюри обнаружили , что образец настураном испускал в четыре раза больше радиоактивности , как можно было бы объяснить присутствием урана в одиночку. Кюри собрали несколько тонн урана и несколько месяцев очищали его, пока не получили чистый образец полония. Открытие официально произошло в 1898 году. До изобретения ускорителей частиц единственным способом создания полония было извлечение его в течение нескольких месяцев из урановой руды.

Первая попытка создания ливермория была предпринята с 1976 по 1977 год в LBNL , которые бомбардировали кюрий-248 кальцием-48, но безуспешно. После нескольких неудачных попыток в 1977, 1998 и 1999 годах исследовательскими группами в России, Германии и США, в 2000 году в Объединенном институте ядерных исследований был успешно создан ливерморий путем бомбардировки атомов кюрия- 248 атомами кальция-48. Этот элемент был известен как унунгексий, пока в 2012 году он не был официально назван ливерморием.

Имена и этимология

В 19 веке Йонс Якоб Берцелиус предложил называть элементы в группе 16 «амфигенами», поскольку элементы в группе образуют амфидные соли (соли оксикислот . Ранее считалось, что они состоят из двух оксидов, кислоты и основного оксида). получили некоторое распространение в начале 1800-х годов, но сейчас устарели. Название халькоген происходит от греческих слов χαλκος ( chalkos , буквально « медь »), и γενές ( гены , рода, пол, разжигает). Впервые он был использован в 1932 году группой Вильгельма Бильца в университете Лейбница в Ганновере , где он был предложен Вернером Фишером . Слово «халькоген» приобрело популярность в Германии в 1930-х годах, потому что этот термин был аналогичен термину «галоген». Хотя буквальное значение современных греческих слов подразумевает, что халькоген означает «медьобразователь», это вводит в заблуждение, потому что халькогены не имеют ничего общего с медью в частности. «Рудообразующий» был предложен как лучший перевод, поскольку подавляющее большинство металлических руд - халькогениды, а слово χαλκος на древнегреческом языке ассоциировалось с металлами и металлосодержащими породами в целом; Медь и бронза из ее сплава были одними из первых металлов, которые стали использовать люди.

Название Oxygen происходит от греческих слов oxy genes , что означает «образующий кислоту». Название Sulphur происходит от латинского слова sulfur или от санскритского слова sulvere ; оба этих термина - древние слова, обозначающие серу. Селен назван в честь греческой богини луны Селены , чтобы соответствовать ранее обнаруженному элементу теллуру, название которого происходит от латинского слова telus , что означает земля. Полоний назван в честь страны рождения Марии Кюри, Польши. Ливерморий назван в честь Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса .

Вхождение

Четыре самых легких халькогена (кислород, сера, селен и теллур) - все это первичные элементы на Земле. Сера и кислород присутствуют в составе медных руд, а селен и теллур встречаются в таких рудах в небольших количествах. Полоний образуется естественным образом в результате распада других элементов, хотя он не является изначальным. Ливерморий вообще не встречается в природе.

Кислород составляет 21% атмосферы по весу, 89% воды по весу, 46% земной коры по весу и 65% человеческого тела. Кислород также присутствует во многих минералах, он содержится во всех оксидных и гидроксидных минералах , а также во многих других минеральных группах. Звезды, как минимум в восемь раз превышающие массу Солнца, также производят кислород в своих ядрах посредством ядерного синтеза . Кислород является третьим по распространенности элементом во Вселенной, составляя 1% Вселенной по весу.

Сера составляет 0,035% от веса земной коры по весу, что делает ее 17-м самым распространенным элементом в ней и составляет 0,25% от человеческого тела. Это основной компонент почвы. Сера составляет 870 частей на миллион морской воды и около 1 части на миллиард атмосферы. Сера может быть найдена в элементарной форме или в форме сульфидных минералов , сульфатных минералов или сульфосолевых минералов . Звезды, масса которых как минимум в 12 раз превышает массу Солнца, производят серу в своих ядрах посредством ядерного синтеза. Сера является десятым по содержанию элементом во Вселенной, составляя 500 частей на миллион Вселенной по весу.

Селен составляет 0,05 частей на миллион земной коры по массе. Это делает его 67-м элементом земной коры по распространенности. Селен составляет в среднем 5 частей на миллион почв . Морская вода содержит около 200 частей на триллион селена. В атмосфере содержится 1 нанограмм селена на кубический метр. Есть группы минералов, известные как селенаты и селениты , но в этих группах не так много минералов. Селен не производится напрямую путем ядерного синтеза. Селен составляет 30 частей на миллиард Вселенной по весу.

В земной коре всего 5 частей на миллиард теллура и 15 частей на миллиард теллура в морской воде. Теллур - один из восьми или девяти наименее распространенных элементов земной коры. Существует несколько десятков минералов теллурата и теллуридов , а теллур встречается в некоторых минералах с золотом, таких как сильванит и калаверит. Теллур составляет 9 частей на миллиард Вселенной по весу.

Полоний встречается на Земле в следовых количествах только в результате радиоактивного распада урана и тория. Он присутствует в урановых рудах в концентрации 100 микрограммов на метрическую тонну. Очень незначительные количества полония существуют в почве и, следовательно, в большинстве продуктов питания, а значит, и в организме человека. Земная кора содержит менее 1 части на миллиард полония, что делает его одним из десяти самых редких металлов на Земле.

Ливерморий всегда производят искусственно в ускорителях частиц . Даже когда он производится, одновременно синтезируется лишь небольшое количество атомов.

Халькофильные элементы

Халькофильные элементы - это те элементы, которые остаются на поверхности или близко к ней, потому что они легко соединяются с халькогенами, отличными от кислорода, образуя соединения, которые не проникают в ядро. Халькофильные («любящие халькогены») элементы в данном контексте - это те металлы и более тяжелые неметаллы, которые имеют низкое сродство к кислороду и предпочитают связываться с более тяжелой серой халькогена в виде сульфидов. Поскольку сульфидные минералы намного плотнее силикатных минералов, образованных литофильными элементами , халькофильные элементы отделились под литофилами во время первой кристаллизации земной коры. Это привело к их истощению в земной коре относительно их солнечного содержания, хотя это истощение не достигло уровней, обнаруженных с помощью сидерофильных элементов.

Производство

Ежегодно производится около 100 миллионов метрических тонн кислорода. Кислород чаще всего получают путем фракционной перегонки , при которой воздух охлаждается до жидкости, а затем нагревается, что позволяет всем компонентам воздуха, кроме кислорода, превратиться в газы и улетучиться. Несколько раз фракционная перегонка воздуха позволяет получить кислород чистотой 99,5%. Другой метод получения кислорода заключается в пропускании потока сухого чистого воздуха через слой молекулярных сит из цеолита , который поглощает азот из воздуха, оставляя от 90 до 93% чистого кислорода.

Серу можно добывать в элементарной форме, хотя этот метод уже не так популярен, как раньше. В 1865 году в американских штатах Луизиана и Техас было обнаружено большое месторождение элементарной серы, но в то время его было трудно добыть. В 1890-х годах Герман Фраш придумал способ сжижения серы перегретым паром и перекачивания серы на поверхность. В наши дни серу чаще извлекают из нефти , природного газа и гудрона .

Мировое производство селена составляет около 1500 метрических тонн в год, из которых около 10% перерабатывается. Япония - крупнейший производитель, производящий 800 метрических тонн селена в год. К другим крупным производителям относятся Бельгия (300 метрических тонн в год), США (более 200 метрических тонн в год), Швеция (130 метрических тонн в год) и Россия (100 метрических тонн в год). Селен можно извлечь из отходов процесса электролитического рафинирования меди. Другой метод производства селена - выращивание растений, собирающих селен, таких как молочная вика . Этот метод может дать три килограмма селена на акр, но обычно не применяется.

Теллур в основном производится как побочный продукт обработки меди. Теллур также может быть уточнена путем электролитического восстановления из теллурида натрия . Мировое производство теллура составляет от 150 до 200 метрических тонн в год. Соединенные Штаты - один из крупнейших производителей теллура, производящий около 50 метрических тонн в год. Перу, Япония и Канада также являются крупными производителями теллура.

До создания ядерных реакторов весь полоний нужно было извлекать из урановой руды. В наше время большинство изотопов полония получают путем бомбардировки висмута нейтронами. Полоний также может производиться за счет высоких потоков нейтронов в ядерных реакторах . Ежегодно производится около 100 граммов полония. Весь полоний, производимый для коммерческих целей, производится на Озерском ядерном реакторе в России. Оттуда его отправляют в Самару, Россия, для очистки, а оттуда в Санкт-Петербург для распространения. Соединенные Штаты являются крупнейшим потребителем полония.

Весь ливерморий производится искусственно в ускорителях частиц . Первое успешное производство ливермория было достигнуто путем бомбардировки атомов кюрия-248 атомами кальция-48 . По состоянию на 2011 год было синтезировано около 25 атомов ливермория.

Приложения

Сталеплавильное производство - это наиболее важный вид использования кислорода; 55% всего производимого кислорода идет на это приложение. В химической промышленности также используется большое количество кислорода; 25% всего производимого кислорода идет на это приложение. Оставшиеся 20% производимого кислорода в основном распределяются между медицинским использованием, очисткой воды (поскольку кислород убивает некоторые виды бактерий), ракетным топливом (в жидкой форме) и резкой металла.

Большая часть производимой серы превращается в диоксид серы , который затем превращается в серную кислоту , очень распространенный промышленный химикат. Другие распространенные применения включают в себя то, что он является ключевым ингредиентом пороха и греческого огня , а также используется для изменения pH почвы . Сера также примешивается к резине для ее вулканизации . Сера используется в некоторых типах бетона и фейерверках . 60% всей производимой серной кислоты используется для производства фосфорной кислоты . Сера используется как пестицид (в частности, как акарицид и фунгицид ) на «садовых, декоративных, овощных, зерновых и других культурах».

Около 40% всего производимого селена идет на стекловарение . 30% всего производимого селена идет на металлургию , включая производство марганца . 15% всего производимого селена идет в сельское хозяйство . Электроника, такая как фотоэлектрические материалы, требует 10% всего производимого селена. Пигменты составляют 5% от всего производимого селена. Исторически сложилось так, что в таких машинах, как копировальные аппараты и люксметры, использовалась треть всего производимого селена, но эта область применения неуклонно сокращается.

Субоксид теллура , смесь теллура и диоксида теллура, используется в перезаписываемом слое данных некоторых дисков CD-RW и DVD-RW . Теллурид висмута также используется во многих микроэлектронных устройствах, таких как фоторецепторы . Теллур иногда используется в качестве альтернативы сере в вулканизированной резине . Теллурид кадмия используется как высокоэффективный материал в солнечных батареях.

Некоторые из применений полония связаны с радиоактивностью элемента. Например, полоний используется в качестве генератора альфа-частиц для исследований. Полоний, легированный бериллием, является эффективным источником нейтронов. Полоний также используется в ядерных батареях. В основном полоний используется в антистатических устройствах. Ливерморий вообще не имеет никакого применения из-за его чрезвычайной редкости и короткого периода полураспада.

Халькогенорганические соединения участвуют в полупроводниковом процессе. Эти соединения также используются в химии и биохимии лигандов . Одно из применений самих халькогенов - это манипулирование окислительно-восстановительными парами в супрамолярной химии (химия, включающая взаимодействия нековалентных связей). Это приложение приводит к таким приложениям, как упаковка кристаллов, сборка больших молекул и биологическое распознавание образов. Вторичные связывающие взаимодействия более крупных халькогенов, селена и теллура, могут создавать удерживающие органический растворитель ацетиленовые нанотрубки . Взаимодействия халькогенов полезны, среди прочего, для конформационного анализа и стереоэлектронных эффектов. Халькогениды со сквозными связями также находят применение. Например, двухвалентная сера может стабилизировать карбанионы, катионные центры и радикалы . Халькогены могут придавать лигандам (например, DCTO) такие свойства, как способность превращать Cu (II) в Cu (I). Изучение взаимодействий халькогенов открывает доступ к катион-радикалам, которые используются в основной синтетической химии . Металлические окислительно-восстановительные центры, имеющие биологическое значение, регулируются взаимодействием лигандов, содержащих халькогены, таких как метионин и селеноцистеин . Кроме того, сквозные связи халькогена могут дать представление о процессе переноса электронов.

Биологическая роль

Кислород необходим почти всем организмам для выработки АТФ . Он также является ключевым компонентом большинства других биологических соединений, таких как вода, аминокислоты и ДНК . Кровь человека содержит большое количество кислорода. Кости человека содержат 28% кислорода. Ткани человека содержат 16% кислорода. Типичный 70-килограммовый человек содержит 43 килограмма кислорода, в основном в форме воды.

Всем животным требуется значительное количество серы . Некоторые аминокислоты, такие как цистеин и метионин, содержат серу. Корни растений поглощают сульфат-ионы из почвы и восстанавливают их до сульфид-ионов. Металлопротеины также используют серу для присоединения к атомам полезных металлов в организме, и сера аналогично присоединяется к атомам ядовитых металлов, таких как кадмий, чтобы доставить их в безопасное место для печени. В среднем люди потребляют 900 миллиграммов серы каждый день. Соединения серы, такие как содержащиеся в спреях от скунса, часто имеют сильный запах.

Всем животным и некоторым растениям нужны следовые количества селена , но только для некоторых специализированных ферментов. Люди потребляют в среднем от 6 до 200 микрограммов селена в день. Грибы и бразильские орехи особенно известны высоким содержанием селена. Селен в пищевых продуктах чаще всего встречается в форме аминокислот, таких как селеноцистеин и селенометионин . Селен может защитить от отравления тяжелыми металлами .

Теллур, как известно, не нужен животным, хотя некоторые грибы могут включать его в соединения вместо селена. Микроорганизмы также поглощают теллур и выделяют диметилтеллурид . Большая часть теллура в кровотоке медленно выводится с мочой, но некоторая часть превращается в диметил теллурид и выделяется через легкие. В среднем люди ежедневно потребляют около 600 микрограммов теллура. Растения могут поглощать теллур из почвы. Было обнаружено, что лук и чеснок содержат до 300 частей на миллион теллура в сухом весе.

Полоний не играет биологической роли и очень токсичен из-за своей радиоактивности.

Токсичность

NFPA 704 огненный алмаз
2 0 0 Огненный алмаз для селена

Кислород обычно нетоксичен, но сообщалось о кислородной токсичности при его использовании в высоких концентрациях. Как в элементарной газообразной форме, так и в качестве компонента воды он жизненно важен почти для всей жизни на Земле. Несмотря на это, жидкий кислород очень опасен. Даже газообразный кислород опасен в избытке. Например, спортивные водолазы иногда тонули в конвульсиях, вызванных вдыханием чистого кислорода на глубине более 10 метров (33 футов) под водой. Кислород также токсичен для некоторых бактерий . Озон, аллотроп кислорода, токсичен для большинства людей. Это может вызвать поражение дыхательных путей.

Сера, как правило, нетоксична и даже является жизненно важным питательным веществом для человека. Однако в своей элементарной форме он может вызывать покраснение глаз и кожи, ощущение жжения и кашель при вдыхании, ощущение жжения и диарею и / или катарсис при проглатывании, а также раздражение слизистых оболочек. Избыток серы может быть токсичным для коров, поскольку микробы в рубцах коров выделяют токсичный сероводород при реакции с серой. Многие соединения серы, такие как сероводород (H ₂ S) и диоксид серы (SO ₂ ), очень токсичны.

Селен - это микроэлемент, необходимый человеку порядка десятков или сотен микрограммов в день. Доза более 450 микрограмм может быть токсичной, вызывая неприятный запах изо рта и запах тела . Длительное воздействие на низком уровне, которое может иметь место в некоторых отраслях промышленности, приводит к потере веса , анемии и дерматиту . Во многих случаях отравления селеном в организме образуется селеновая кислота . Селенид водорода (H ₂ Se) очень токсичен.

Воздействие теллура может вызвать неприятные побочные эффекты. Всего 10 микрограммов теллура на кубический метр воздуха может вызвать неприятный запах изо рта, который описывается как запах гнилого чеснока. Острое отравление теллуром может вызвать рвоту, воспаление кишечника, внутреннее кровотечение и дыхательную недостаточность. Длительное воздействие теллура на низком уровне вызывает усталость и расстройство желудка. Теллурит натрия (Na ₂ TeO ₃ ) является смертельным в количестве около 2 граммов.

Полоний опасен как излучатель альфа-частиц . При попадании внутрь полоний-210 в миллион раз токсичнее цианистого водорода по весу; в прошлом его использовали как орудие убийства, наиболее известным из которых является убийство Александра Литвиненко . Отравление полонием может вызвать тошноту , рвоту , анорексию и лимфопению . Он также может повредить волосяные фолликулы и лейкоциты . Полоний-210 опасен только при проглатывании или вдыхании, поскольку его выбросы альфа-частиц не могут проникнуть через кожу человека. Полоний-209 также токсичен и может вызвать лейкоз .

Амфидные соли

Амфидные соли - это название, данное Йонсом Якобом Берцелиусом в 19 ​​веке для химических солей, происходящих из 16-й группы периодической таблицы, которая включала кислород , серу , селен и теллур . Термин получил некоторое распространение в начале 1800-х годов, но сейчас устарел. В настоящее время используется термин 16-я группа - халькогены.

Смотрите также

• Халькогенид
• Халькогениды золота
• Галоген
• Интерхалькоген
• Пниктоген

использованная литература

внешние ссылки

• СМИ, связанные с группой Периодической таблицы 16 на Викискладе?