халькоген

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 Серебро Кадмий Индий Полагать Сурьма Теллур Йод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Париж Гафний Тантал вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (стихия) Таллий Вести Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий актиний Торий Протактиний Уран Нептун Плутоний Америций Курий Берклиум Калифорния Эйнштейний Фермий Менделеев Благородный Лоуренсий Резерфордий Дубниум Сиборгий борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперник нихоний Флеровий Московий Ливерморий Теннессин Оганессон пниктогены ←    → галогены
Номер группы ИЮПАК 16 Имя по элементу кислородная группа Тривиальное имя халькогены Номер группы CAS (США, образец ABA) С ПОМОЩЬЮ старый номер ИЮПАК (Европа, схема AB) ВИБ
↓ Период
2	Кислород (О) 8 Прочие неметаллы
3	Сера (S) 16 Прочие неметаллы
4	Селен (Se) 34 Прочие неметаллы
5	Земля (Ты) 52 Металлоид
6	Полоний (Po) 84 Прочие металлы
7	Ливерморий (Ур.) 116 Прочие металлы
Легенда изначальный элемент возникающий в природе в результате радиоактивного распада синтетический элемент Цвет атомного номера: красный = газ , черный = сплошной

Халькогены Менделеева (рудообразующие) ( ˈ k æ l k ə dʒ ə n z / KAL -kə -jənz ) — химические элементы группы 16 таблицы / . Эта группа также известна как кислородное семейство . Группа 16 состоит из элементов кислорода (O), серы (S), селена (Se), теллура (Te), а также радиоактивных элементов полония (Po) и ливермория (Lv). Часто кислород рассматривают отдельно от других халькогенов, а иногда даже вообще исключают из термина «халькоген» из-за его сильного отличия по химическому поведению от серы, селена, теллура и полония. Слово «халькоген» происходит от сочетания греческого слова khalkόs ( χαλκός ), главным образом означающего медь (термин также использовался для обозначения бронзы , латуни , любого металла в поэтическом смысле, руды и монеты ), и латинизированное греческое слово genēs , означающее рожденный или произведенный .

Сера известна с древности, а кислород был признан элементом в XVIII 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. Они имеют относительно низкие атомные радиусы , особенно более легкие.

Все встречающиеся в природе халькогены играют определенную роль в биологических функциях, выступая либо в качестве питательного вещества, либо в качестве токсина. Селен является важным питательным веществом (среди прочего, строительным блоком селеноцистеина ), но также обычно токсичен. Теллур часто оказывает неприятные эффекты (хотя некоторые организмы могут его использовать ), а полоний (особенно изотоп полоний-210 ) всегда вреден из-за своей радиоактивности.

У серы более 20 аллотропов , у кислорода — девять, у селена — не менее восьми, у полония — два, и до сих пор открыта только одна кристаллическая структура теллура. Существует множество органических соединений халькогенов. Не считая кислорода, наиболее распространенными являются органические соединения серы, за ними следуют органические соединения селена и органические соединения теллура. Эта тенденция наблюдается также с пниктидами халькогенов и соединениями, содержащими халькогены и элементы углеродной группы .

Кислород обычно получают разделением воздуха на азот и кислород. Серу добывают из нефти и природного газа. Селен и теллур производятся как побочные продукты рафинирования меди. Полоний наиболее доступен в природных актинидсодержащих материалах. Ливерморий синтезируется в ускорителях частиц. Основное применение элементарного кислорода приходится на выплавку стали . Сера в основном перерабатывается 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 обусловлены его радиоактивностью.

Характеристики

Атомный и физический

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

С	Элемент	Количество 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 (прогнозировано)

Элемент	Температура плавления (°С)	Точка кипения (°С)	Плотность при 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 (прогнозируется)	800 (прогнозируется)	14 (прогнозируется)

Все халькогены имеют шесть валентных электронов . Все твердые стабильные халькогены мягкие. и плохо проводят тепло . Электроотрицательность уменьшается в сторону халькогенов с более высокими атомными номерами. Плотность, температуры плавления и кипения, атомный и ионный 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. Сера имеет 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 еще 28 изомеров. Помимо стабильных изотопов, в природе встречаются некоторые радиоактивные изотопы халькогенов, либо потому, что они являются продуктами распада, например ²¹⁰ По , потому что они первозданные , такие как ⁸² Se из-за космических лучей расщепления или ядерного деления урана. Изотопы ливермория ²⁹⁰ Пройти через ²⁹³ Lv были обнаружены; наиболее стабильным изотопом ливермория является ²⁹³ Lv, период полураспада которого составляет 0,061 секунды.

За исключением кислорода и ливермория, все халькогены содержат по крайней мере один природный радиоизотоп , сера имеет следы. ³⁵ S, селен имеет ⁸² У тебя есть планета ¹²⁸ Те и ¹³⁰ Te, а полоний имеет ²¹⁰ Po.

Среди более легких халькогенов (кислорода и серы) изотопы с наибольшим количеством нейтронов подвергаются эмиссии протонов , изотопы с умеренным содержанием нейтронов подвергаются захвату электронов или β ⁺ распад , умеренно богатые нейтронами изотопы подвергаются β ⁻ распад , и наиболее богатые нейтронами изотопы подвергаются нейтронному излучению . Средние халькогены (селен и теллур) имеют те же тенденции распада, что и более легкие халькогены, но не наблюдалось никаких изотопов, испускающих протоны, а некоторые из наиболее нейтронно-дефицитных изотопов теллура подвергаются альфа-распаду . Изотопы полония имеют тенденцию распадаться через альфа- или бета-распад. Изотопы с ненулевым ядерным спином более распространены в природе среди халькогенов селена и теллура, чем среди серы.

Аллотропы

Смотрите также: Аллотропы кислорода и Аллотропы серы.

Фазовая диаграмма серы, показывающая относительную стабильность нескольких аллотропов.

Четыре стабильных халькогена в STP

Фазовая диаграмма твердого кислорода

кислорода Наиболее распространенным аллотропом является двухатомный кислород, или O ₂ , реактивная парамагнитная молекула, которая повсеместно встречается в аэробных организмах и имеет синий цвет в жидком состоянии . Другой аллотроп — O ₃ , или озон , который представляет собой три атома кислорода, связанных вместе в изогнутом образовании. Существует также аллотроп, называемый тетракислородом , или O ₄ , и шесть аллотропов твердого кислорода , включая «красный кислород», имеющий формулу O ₈ .

У серы имеется более 20 известных аллотропов, что больше, чем у любого другого элемента, кроме углерода . Наиболее распространенные аллотропы имеют форму восьмиатомных колец, но известны и другие молекулярные аллотропы, которые содержат 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 имеет форму длинных иголок и образуется при охлаждении жидкой серы до температуры немного ниже точки плавления. Атомы жидкой серы обычно имеют форму длинных цепочек, но при температуре выше 190 °C цепочки начинают разрушаться. Если жидкая сера при температуре выше 190 ° C замерзает очень быстро, образующаяся сера является аморфной или «пластической» серой. Газообразная сера представляет собой смесь двухатомной серы (S ₂ ) и 8-атомных колец.

Селен имеет как минимум восемь различных аллотропов. Серый аллотроп, обычно называемый «металлическим» аллотропом, несмотря на то, что не является металлом, стабилен и имеет гексагональную кристаллическую структуру . Серый аллотроп селена мягкий, твердость по шкале Мооса 2, 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 при нагревании. Серый аллотроп селена состоит из спиралей атомов селена, а один из красных аллотропов состоит из стопок колец селена (Se ₈ ).

Известно, что у теллура нет аллотропов. хотя его типичная форма шестиугольная. Полоний имеет два аллотропа, известные 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 , серы — ромбическая , селен и теллур имеют гексагональную кристаллическую структуру, а полоний — кубическую .

Химическая

Кислород, сера и селен являются неметаллами , а теллур является металлоидом , 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 имеет некоторые металлические свойства. Кроме того, некоторые аллотропы селена обладают характеристиками металлоида. хотя селен обычно считают неметаллом. Хотя кислород является халькогеном, его химические свойства отличаются от свойств других халькогенов. Одна из причин этого заключается в том, что более тяжелые халькогены имеют свободные d-орбитали . Электроотрицательность кислорода также намного выше, чем у других халькогенов. кислорода Это делает электрическую поляризуемость в несколько раз ниже, чем у других халькогенов.

Для ковалентной связи халькоген может принять два электрона в соответствии с правилом октета , оставив две неподеленные пары . Когда атом образует две одинарные связи , они образуют угол между 90° и 120° . В катионах 1+ , таких как H₃H3O ⁺ халькоген образует три молекулярные орбитали, расположенные в виде тригональной пирамиды , и одну неподеленную пару. Двойные связи также распространены в халькогенных соединениях, например в халькогенатах (см. ниже).

Степень окисления наиболее распространенных халькогенных соединений с положительными металлами равна -2. Однако склонность халькогенов к образованию соединений в состоянии -2 снижается в сторону более тяжелых халькогенов. Встречаются и другие степени окисления, например -1 в пирите и пероксиде . Высшая формальная степень окисления +6. Эта степень окисления встречается у сульфатов , селенатов , теллуратов , полонатов и соответствующих им кислот, таких как серная кислота .

Кислород — самый электроотрицательный элемент, за исключением фтора , и образует соединения почти со всеми химическими элементами, включая некоторые благородные газы . Он обычно связывается со многими металлами и металлоидами с образованием оксидов , включая оксид железа , оксид титана и оксид кремния . кислорода Наиболее распространенной степенью окисления является -2, а степень окисления -1 также относительно распространена. С водородом образует воду и перекись водорода . Органические соединения кислорода широко распространены в органической химии .

Степени окисления серы: -2, +2, +4 и +6. Серосодержащие аналоги кислородных соединений часто имеют приставку тио- . Химический состав серы во многом похож на химический состав кислорода. сера-сера Единственное отличие состоит в том, что двойные связи намного слабее, чем двойные связи кислород-кислород, но одинарные связи сера-сера прочнее, чем одинарные связи кислород-кислород. Органические соединения серы, такие как тиолы, имеют сильный специфический запах, и некоторые из них используются 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 оксид теллура , диоксид теллура и триоксид теллура . Степени окисления полония +2 и +4.

Вода ( H ₂ O ) — наиболее известное халькогенсодержащее соединение.

Существует множество кислот, содержащих халькогены, в том числе серная кислота, сернистая кислота , селеновая кислота и теллуровая кислота . Все халькогениды водорода токсичны, за исключением воды . Ионы кислорода часто встречаются в форме ионов оксида ( ТО ²⁻ ), пероксид- ионы ( O 2− 2 ) и гидроксид- ионы ( ОЙ ⁻ ). Ионы серы обычно находятся в форме сульфидов ( С ²⁻ ), бисульфиды ( Ш ⁻ ), сульфиты ( SO 2− 3 ), сульфаты ( SO 2− 4 ) и тиосульфаты ( С ₂ О 2- 3 ). Ионы селена обычно находятся в форме селенидов ( Се ²⁻ ), селениты ( SeO 2− 3 ) и селенаты ( SeO 2- 4 ). Ионы теллура часто бывают в виде теллуратов ( ТеО 2- 4 ). Молекулы, содержащие металл, связанный с халькогенами, распространены как минералы. Например, пирит (FeS ₂ ) — железная руда , а редкий минерал калаверит — дителлурид. ( Au , Ag ) _Te2 .

Хотя все элементы группы 16 таблицы Менделеева, включая кислород, можно определить как халькогены, кислород и оксиды обычно отличают от халькогенов и халькогенидов . Термин халькогенид чаще используется для сульфидов , селенидов и теллуридов , а не для оксидов .

За исключением полония, все халькогены химически очень похожи друг на друга. Они все образуют X ²⁻ ионы при реакции с электроположительными металлами.

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

Соединения

С галогенами

Халькогены также образуют соединения с галогенами , известные как халькогалогениды или халькогенгалогениды . Большинство простых галогенидов халькогенов хорошо известны и широко используются в качестве химических реагентов . Однако более сложные халькогенгалогениды, 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 йодидов 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 тетрафторида селена , так и тетрафторида теллура известны. Также были исследованы хлориды и бромиды халькогена. В частности, дихлорид селена и дихлорид серы могут вступать в реакцию с образованием органических соединений селена . дихалькогендигалогениды, такие как Se ₂ Cl ₂ Также известно, что существуют . Существуют также смешанные халькоген-галогеновые соединения. К ним относятся SeSX, где X представляет собой хлор или бром. Такие соединения могут образовываться в смесях дихлорида серы и галогенидов селена. Структурная характеристика этих соединений была получена сравнительно недавно, в 2008 году. В целом хлориды и бромиды диселена и дисеры являются полезными химическими реагентами. Галогениды халькогенов с присоединенными атомами металлов растворимы в органических растворах. Одним из примеров такого соединения является Мо S ₂ Cl ₃ . В отличие от хлоридов и бромидов селена, йодиды селена по состоянию на 2008 год не были выделены, хотя вполне вероятно, что они встречаются в растворе. Однако дииодид диселена находится в равновесии с атомами селена и молекулами йода. Некоторые галогениды теллура с низкой валентностью, например Te ₂ Cl ₂ и Te ₂ Br ₂ , образуют полимеры в твердом состоянии . Эти галогениды теллура можно синтезировать путем восстановления чистого теллура супергидридом и реакции полученного продукта с тетрагалогенидами теллура. Дигалогениды дителлура имеют тенденцию становиться менее стабильными, поскольку галогениды становятся меньшими по атомному номеру и атомной массе. Теллур также образует йодиды с еще 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. Помимо спиртов, наиболее стабильными халькогенолами являются тиолы, а наименее стабильными являются теллуролы, поскольку они нестабильны при нагревании и свете. Другие органические соединения халькогена 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 неприятный запах. Диметилтеллурид также имеет неприятный запах. а селенофенол известен своим «метафизическим зловонием». Существуют также тиокетоны , селенокетоны и теллурокетоны . Из них наиболее хорошо изучены тиокетоны, о них посвящено 80% статей по халькогенокетонам. 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 среди халькогенокетонов.

С металлами

Существует очень большое количество халькогенидов металлов. Существуют также тройные соединения, содержащие щелочные и переходные металлы . Халькогениды металлов с высоким содержанием металлов, такие как Lu ₇ Te и Lu ₈ Te, имеют домены кристаллической решетки металла, содержащие атомы халькогена. Хотя эти соединения существуют, аналогичные химические вещества, содержащие лантан , празеодим , гадолиний , гольмий , тербий или иттербий , по состоянию на 2008 год не были обнаружены. Металлы группы бора , алюминий, галлий и индий, также образуют связи с халькогенами. Ти ³⁺ ион 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 .

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

С пиктогенами

Сульфид висмута, халькогенид пниктогена.

Соединения с халькоген- фосфорной связью исследуются уже более 200 лет. Эти соединения включают простые халькогениды фосфора, а также большие молекулы с биологической ролью и фосфор-халькогенные соединения с металлическими кластерами. Эти соединения имеют множество применений, включая фосфорорганические инсектициды, спички, которые можно зажигать где угодно, и квантовые точки . Всего обнаружено 130 000 соединений хотя бы с одной связью фосфор-сера, 6000 соединений хотя бы с одной связью фосфор-селен и 350 соединений хотя бы с одной связью фосфор-теллур. Уменьшение количества халькоген-фосфорных соединений далее по таблице Менделеева обусловлено уменьшением прочности связей. Такие соединения, как правило, имеют по крайней мере один атом фосфора в центре, окруженный четырьмя халькогенами и боковыми цепями . Однако некоторые фосфор-халькогенные соединения также содержат водород (например, вторичные халькогениды фосфина ) или азот (например, дихалькогеноимидодифосфаты). С селенидами фосфора обычно труднее обращаться, чем с сульфидами фосфора, а соединения в форме P _x Te _y не обнаружены. Халькогены также связываются с другими пниктогенами , такими как мышьяк , сурьма и висмут . Более тяжелые пниктиды халькогена имеют тенденцию образовывать лентообразные полимеры, а не отдельные молекулы. Химические формулы этих соединений включают Bi ₂ S ₃ и Sb ₂ Se ₃ . Известны также тройные пниктиды халькогенов. Их примеры включают P ₄ O ₆ Se и P ₃ SbS ₃ . соли, существуют также содержащие халькогены и пниктогены. Почти все соли пниктида халькогена обычно находятся в форме [Pn _х Е _​​4x ] ³⁻ , где Pn — пниктоген, а E — халькоген. Третичные фосфины могут реагировать с халькогенами с образованием соединений в виде R ₃ PE, где Е – халькоген. Когда E представляет собой серу, эти соединения относительно стабильны, но они менее устойчивы, 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 в результате реакции составляющих элементов при температуре 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 . Циклические соединения с халькогенами, элементами углеродной группы и атомами бора существуют и образуются в результате реакции дихалькогенатов бора и галогенидов металлов углеродной группы. Открыты соединения в форме МЭ, где М — кремний, германий или олово, а Е — сера, селен или теллур. Они образуются при реакции гидридов углеродных групп или при реакции более тяжелых версий карбенов . Сера и теллур могут связываться с органическими соединениями, содержащими кремний и фосфор.

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

Халькогенные соединения образуют ряд интерхалькогенов . Например, сера образует токсичный диоксид серы и триоксид серы . Теллур также образует оксиды. Есть также некоторые сульфиды халькогена. К ним относится сульфид селена , ингредиент некоторых шампуней .

ряд боридов С 1990 г. был обнаружен со связанными с ними халькогенами. Халькогены в этих соединениях в основном состоят из серы, хотя некоторые из них содержат вместо этого селен. Один такой халькогенборид состоит из двух молекул диметилсульфида , присоединенных к молекуле бора и водорода. Другие важные бор-халькогенные соединения включают макрополиэдрические системы. Такие соединения, как правило, содержат серу в качестве халькогена. Встречаются также халькогенбориды 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 широко добывался древними римлянами . В средние века это было ключевой частью 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 затруднялись тем фактом, что до 17 и 18 веков воздух считался единым элементом. Роберт Гук , Михаил Ломоносов , Оле Борх и Пьер Байден успешно создали кислород, но в то время не осознали этого. Кислород был открыт Джозефом Пристли в 1774 году, когда он сосредоточил солнечный свет на образце оксида ртути и собрал образовавшийся газ. Карл Вильгельм Шееле также создал кислород в 1771 году тем же методом, но Шееле опубликовал свои результаты только в 1777 году.

Теллур был впервые открыт в 1783 году Францем Йозефом Мюллером фон Райхенштейном . Он обнаружил теллур в образце того, что сейчас известно как калаверит. Мюллер сначала предположил, что это чистая сурьма, но тесты, которые он провел, не подтвердили это. Мюллер тогда догадался, что это был сульфид висмута , но тесты подтвердили, что это был не тот образец. Несколько лет Мюллер размышлял над этой проблемой. В конце концов он понял, что образец представляет собой золото, связанное с неизвестным элементом. В 1796 году Мюллер отправил часть образца немецкому химику Мартину Клапроту , который очистил неоткрытый элемент. Клапрот решил назвать этот элемент теллуром в честь латинского слова «земля».

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

Размещение таблицы Менделеева

Периодическая система Дмитрия Менделеева , предложенная в 1871 году, показывающая кислород, серу, селен и теллур, входящие в его группу VI.

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

Иоганн Вольфганг Дёберейнер был одним из первых, кто заметил сходство между тем, что сейчас известно как халькогены.

После 1869 года Дмитрий Менделеев предложил свою таблицу Менделеева, поместив кислород во главе «группы VI» над серой, селеном и теллуром. Хром , молибден , вольфрам и уран иногда включались в эту группу, но позже они были перегруппированы в группу VIB ; позже уран будет переведен в ряд актинидов . Кислород, наряду с серой, селеном, теллуром и позже полонием, будет сгруппирован в группу VIA , пока в 1988 году название группы не было изменено на группу 16 .

Современные открытия

В конце 19 века Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили, что образец настурана излучал в четыре раза больше радиоактивности, чем можно было объяснить присутствием только урана. Семья Кюри собрала несколько тонн урана и в течение нескольких месяцев очищала его, пока не получила чистый образец полония. Официально открытие произошло в 1898 году. До изобретения ускорителей частиц единственным способом получения полония было его извлечение в течение нескольких месяцев из урановой руды.

Первая попытка создания ливермория была предпринята с 1976 по 1977 год в LBNL , которая бомбардировала кюрий-248 кальцием-48, но не увенчалась успехом. После нескольких неудачных попыток исследовательских групп в России, Германии и США в 1977, 1998 и 1999 годах ливерморий был успешно создан в 2000 году в Объединенном институте ядерных исследований путем бомбардировки атомов кюрия -248 атомами кальция-48. Этот элемент был известен как унунгексий, пока в 2012 году ему не было официально присвоено название ливерморий.

Имена и этимология

В XIX веке Йонс Якоб Берцелиус предложил называть элементы 16-й группы «амфигенами». В качестве элементов группы образуются амфидные соли (соли оксикислот . Раньше считалось, что он состоит из двух оксидов, кислоты и основного оксида. Этот термин получил некоторое распространение в начале 1800-х годов, но сейчас устарел. Название халькоген происходит от греческих слов χαλκος ( халкос , буквально « медь ») и γενές ( гены , рожденный, пол, разжечь). Впервые он был использован в 1932 году группой Вильгельма Бильца в Ганноверском университете имени Лейбница , где он был предложен Вернером Фишером . Слово «халькоген» приобрело популярность в Германии в 1930-х годах, поскольку этот термин был аналогичен слову «галоген». Хотя буквальное значение новогреческих слов подразумевает, что халькоген означает «образующий медь», это вводит в заблуждение, поскольку халькогены не имеют ничего общего с медью в частности. В качестве лучшего перевода было предложено слово «рудообразователь». поскольку подавляющее большинство металлических руд являются халькогенидами и слово χαλκος в древнегреческом языке ассоциировалось с металлами и металлоносными породами в целом; медь и ее сплав бронза были одними из первых металлов, используемых людьми.

Название кислорода происходит от греческого слова oxygenes , что означает «образующий кислоту». Название серы происходит либо от латинского слова «sulfurium» , либо от санскритского слова «sulvere » ; оба эти термина являются древними словами, обозначающими серу. Селен назван в честь греческой богини Луны Селены , в честь ранее открытого элемента теллур, 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 имени Лоуренса .

возникновение

Четыре самых легких халькогена (кислород, сера, селен и теллур) являются первичными элементами на Земле. Сера и кислород встречаются в составе медных руд , а селен и теллур встречаются в небольших количествах в таких рудах. Полоний естественным образом образуется в результате распада других элементов, хотя он и не является первичным. Ливерморий вообще не встречается в природе.

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

Сера составляет 0,035% земной коры по весу, что делает ее 17-м по распространенности элементом там. и составляет 0,25% 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 распространенности элементом во Вселенной, составляя 500 частей на миллион Вселенной по весу.

Селен составляет 0,05 частей на миллион земной коры по весу. Это делает его 67-м по распространенности элементом в земной коре . 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. Существуют группы минералов, известные как селенаты и селениты , но минералов в этих группах не так много. Селен не производится непосредственно путем ядерного синтеза. Селен составляет 30 частей на миллиард Вселенной по весу.

В земной коре содержится всего 5 частей на миллиард теллура, а в морской воде — 15 частей на миллиард. Теллур — один из восьми или девяти наименее распространенных элементов в земной коре. Существует несколько десятков теллуратных минералов и теллуридных минералов , 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 только в следовых количествах в результате радиоактивного распада урана и тория. Он присутствует в урановых рудах в концентрации 100 микрограмм на тонну. Очень незначительное количество полония присутствует в почве и, следовательно, в большинстве пищевых продуктов и, следовательно, в человеческом организме. Земная кора содержит менее 1 миллиардной доли полония, что делает его одним из десяти самых редких металлов на Земле.

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

Халькофильные элементы

См. Также: халькофилов и Гольдшмидта. классификация

Халькофильные элементы — это элементы, которые остаются на поверхности или вблизи нее, поскольку они легко соединяются с халькогенами, отличными от кислорода, образуя соединения, которые не погружаются в ядро. Халькофильными («любящими халькоген») элементами в данном контексте являются те металлы и более тяжелые неметаллы, которые имеют низкое сродство к кислороду и предпочитают связываться с более тяжелой халькогенной серой в виде сульфидов. Поскольку сульфидные минералы гораздо плотнее силикатных минералов, образованных литофильными элементами , халькофильные элементы выделились ниже литофилов во время первой кристаллизации земной коры. Это привело к их истощению в земной коре по сравнению с их солнечным содержанием, хотя это истощение не достигло уровня, обнаруженного для сидерофильных элементов.

Классификация Гольдшмидта в таблице Менделеева

	1	2		3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
Группа →
↓ Период
1	1 ЧАС																		2 Он
2	3 Что	4 Быть												5 Б	6 С	7 Н	8 ТО	9 Ф	10 Ne
3	11 Уже	12 мг												13 Ал	14 И	15 П	16 С	17 кл.	18 С
4	19 К	20 Что		21 наук	22 Из	23 V	24 Кр	25 Мин.	26 Фе	27 Ко	28 В	29 С	30 Зн	31 Здесь	32 Ге	33 Как	34 Се	35 Бр	36 НОК
5	37 руб.	38 старший		39 И	40 Зр	41 Нб	42 Мо	43 Тс	44 Ру	45 резус	46 ПД	47 В	48 компакт-диск	49 В	50 Сн	51 Сб	52 Te	53 я	54 Машина
6	55 Cs	56 Нет		71 Лу	72 хф	73 Облицовка	74 В	75 Ре	76 Ты	77 И	78 Пт	79 В	80 ртуть	81 Тл	82 Pb	83 С	84 Po	85 В	86 Рн
7	87 Пт	88 Солнце		103 лр	104 РФ	105 ДБ	106 Сг	107 Бх	108 Хс	109 гора	110 Дс	111 Рг	112 Сп	113 Нх	114 В	115 Мак	116 Лев	117 Ц	118 И
				57 La	58 Этот	59 Пр	60 Нд	61 вечера	62 см	63 Евросоюз	64 Б-г	65 Тб	66 Те	67 К	68 Является	69 Тм	70 Ыб
				89 И	90 че	91 Хорошо	92 В	93 Например	94 Мог	95 Являюсь	96 См	97 Бк	98 См.	99 Является	100 Фм	101 Мэриленд	102 Нет

Классификация Гольдшмидта: литофильный сидерофильный халькофильный атмосферный следовой/синтетический

Производство

около 100 миллионов тонн Ежегодно производится кислорода. Кислород чаще всего получают путем фракционной перегонки , при которой воздух охлаждается до жидкого состояния, а затем нагревается, позволяя всем компонентам воздуха, кроме кислорода, превращаться в газы и улетучиваться. Несколько раз фракционно перегоняя воздух, можно получить кислород чистотой 99,5%. Другой метод производства кислорода — пропустить поток сухого чистого воздуха через слой молекулярных сит из цеолита , который поглощает азот из воздуха, оставляя от 90 до 93% чистого кислорода.

Сера, полученная при переработке нефти в Альберте, складируется для отправки в Северном Ванкувере , Британская Колумбия.

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 крупное месторождение элементарной серы, но добывать его в то время было трудно. В 1890-х годах Герман Фраш придумал решение: сжижать серу перегретым паром и выкачивать серу на поверхность. В наши дни серу чаще добывают из нефти , природного газа и смолы .

Мировое производство селена составляет около 1500 тонн в год, из которых примерно 10% перерабатывается. Япония является крупнейшим производителем, производящим 800 тонн селена в год. Другие крупные производители включают Бельгию (300 метрических тонн в год), США (более 200 метрических тонн в год), Швецию (130 метрических тонн в год) и Россию (100 метрических тонн в год). Селен можно извлечь из отходов процесса электролитического рафинирования меди. Другой метод производства селена — выращивание растений, собирающих селен, таких как вика молочная . Этот метод позволяет производить три килограмма селена на акр, но обычно не практикуется.

Теллур в основном производится как побочный продукт переработки меди. Теллур также можно очистить электролитическим восстановлением теллурида натрия . Мировое производство теллура составляет от 150 до 200 тонн в год. Соединенные Штаты являются одним из крупнейших производителей теллура, производя около 50 метрических тонн в год. Перу, Япония и Канада также являются крупными производителями теллура.

До создания ядерных реакторов весь полоний приходилось извлекать из урановой руды. В наше время большинство изотопов полония производятся путем бомбардировки висмута нейтронами. Полоний также можно производить с помощью высоких нейтронных потоков в ядерных реакторах . Ежегодно производится около 100 граммов полония. Весь полоний, производимый для коммерческих целей, производится на Озерском атомном реакторе в России. Оттуда его доставляют в Самару 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

Обмен веществ является наиболее важным источником и использованием кислорода. Второстепенное промышленное использование включает сталелитейное производство (55% всего производимого очищенного кислорода), химическую промышленность (25% всего очищенного кислорода), медицинское использование, очистку воды (поскольку кислород убивает некоторые виды бактерий), ракетное топливо (в жидкой форме), и резка металла.

Большая часть производимой серы превращается в диоксид серы , который в дальнейшем превращается в серную кислоту , очень распространенный промышленный химикат. Другие распространенные применения включают в себя использование в качестве ключевого ингредиента пороха и греческого огня , а также для изменения pH почвы . Серу также добавляют в резину для ее вулканизации . Сера используется в некоторых видах бетона и фейерверках . 60% всей производимой серной кислоты используется для производства фосфорной кислоты . Сера используется в качестве пестицида (в частности, как акарицид и фунгицид ) для «садовых, декоративных, овощных, зерновых и других культур».

Порох , применение серы

Около 40% всего производимого селена идет на производство стекла . 30% всего производимого селена идет на металлургию , включая производство марганца . 15% всего производимого селена идет на сельское хозяйство . На электронику, такую ​​как фотоэлектрические материалы, приходится 10% всего производимого селена. Пигменты составляют 5% всего производимого селена. Исторически сложилось так, что такие машины, как копировальные аппараты и люксметры, использовали одну треть всего производимого селена, но это применение неуклонно сокращается.

Сусид 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 в качестве высокоэффективного материала в солнечных батареях.

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

Халькоорганические соединения участвуют в полупроводниковом процессе. Эти соединения также используются в химии лигандов и биохимии . Одним из применений самих халькогенов является манипулирование окислительно-восстановительными парами в супрамолекулярной химии (химия, включающая взаимодействия нековалентных связей). Это приложение ведет к таким приложениям, как упаковка кристаллов, сборка больших молекул и биологическое распознавание закономерностей. Вторичные связывающие взаимодействия более крупных халькогенов, селена и теллура, могут создавать ацетиленовые нанотрубки , удерживающие органический растворитель . Взаимодействия халькогенов полезны, среди прочего, для конформационного анализа и стереоэлектронных эффектов. Халькогениды со сквозными связями также имеют применение. Например, двухвалентная сера может стабилизировать карбанионы, катионные центры и радикалы . Халькогены могут придавать лигандам (таким как DCTO) такие свойства, как способность превращать Cu(II) в Cu(I). Изучение взаимодействий халькогенов открывает доступ к катион-радикалам, которые используются в основных синтетическая химия . Металлические окислительно-восстановительные центры биологического значения настраиваются за счет взаимодействия лигандов, содержащих халькогены, таких как метионин и селеноцистеин . Кроме того, сквозные связи халькогена может дать представление о процессе переноса электрона.

Биологическая роль

Основные статьи: Диоксид кислорода в биологических реакциях , Цикл серы и Селен в биологии.

ДНК, важное биологическое соединение, содержащее кислород.

Кислород необходим почти всем организмам для производства 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, преимущественно в виде воды.

Всем животным необходимо 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, а сера аналогичным образом прикрепляется к атомам ядовитых металлов, таких как кадмий, чтобы доставить их в безопасное место в печени. В среднем люди потребляют 900 миллиграммов серы каждый день. Соединения серы, например те, что содержатся в спреях от скунса, часто имеют резкий запах.

Все животные и некоторые растения нуждаются в следовых количествах селена , но только для некоторых специализированных ферментов. Люди потребляют в среднем от 6 до 200 микрограмм 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 .

Неизвестно, нужен ли теллур для жизни животных, хотя некоторые грибы могут включать его в соединения вместо селена. Микроорганизмы также поглощают теллур и выделяют диметилтеллурид . Большая часть теллура, находящегося в кровотоке, медленно выводится с мочой, но некоторая часть превращается в диметилтеллурид и выводится через легкие. В среднем люди ежедневно потребляют около 600 микрограммов теллура. Растения могут поглощать некоторое количество теллура 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

НФПА 704 площадь безопасности
2 0 0 Огненный алмаз для селена

Кислород, как правило, нетоксичен, но токсичности кислорода сообщалось о при его использовании в высоких концентрациях. Как в элементарной газообразной форме, так и в составе воды, он жизненно важен практически для всей жизни на Земле. Несмотря на это, жидкий кислород очень опасен. Даже газообразный кислород опасен в избытке. Например, спортивные дайверы иногда тонули от судорог , вызванных вдыханием чистого кислорода на глубине более 10 метров (33 фута) под водой. Кислород также токсичен для некоторых бактерий . Озон, аллотроп кислорода, токсичен для большинства живых существ. 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, диарею и/или катарсис. при проглатывании может вызвать раздражение слизистых оболочек. Избыток серы может быть токсичным для коров , поскольку микробы в рубце коров при реакции с серой производят токсичный сероводород. Многие соединения серы, такие как сероводород (H ₂ S) и диоксид серы (SO ₂ ), высокотоксичны.

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

Воздействие теллура может вызвать неприятные побочные эффекты. Всего лишь 10 микрограммов теллура на кубический метр воздуха могут вызвать крайне неприятный запах изо рта, напоминающий запах гнилого чеснока. Острое отравление теллуром может вызвать рвоту, воспаление кишечника, внутреннее кровотечение и дыхательную недостаточность. Длительное воздействие теллура в малых дозах вызывает усталость и расстройство желудка. Теллурит натрия (Na ₂ TeO ₃ ) смертелен в количестве около 2 граммов.

Полоний опасен как излучатель альфа-частиц . При попадании в организм полоний-210 в миллион раз токсичнее цианида водорода по весу ; в прошлом его использовали как орудие убийства, в первую очередь при убийстве 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 альфа-частицы не могут проникнуть через кожу человека. Полоний-209 также токсичен и может вызвать лейкемию .

Амфидные соли

Амфидные соли — название, данное Йонсом Якобом Берцелиусом в 19 веке для химических солей, полученных из 16-й группы периодической таблицы, в которую входили кислород , сера , селен и теллур . Этот термин получил некоторое распространение в начале 1800-х годов, но сейчас устарел. В настоящее время для 16-й группы используется термин «халькогены».

См. также

• халькогенид
• Халькогениды золота
• Галоген
• Интерхалькоген
• Пниктоген

Внешние ссылки

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