Глава 4. Халькогены

4.1. Общая характеристика. Нахождение в природе. Получение

К халькогенам (Х) относятся p-элементы VI группы таблицы Менделеева: кислород, сера (ее название означает «светло-желтая») и их аналоги. Электронная конфигурация валентного слоя атомов Х: s²p⁴.

Следовательно, до устойчивой конфигурации не хватает двух е. И присоединяя их, Х проявляют ст.ок. –2. Кислород и даже сера в этой ст.ок. настолько устойчивы, что именно в ней чаще всего находятся в природе. А т.к. их кларки высоки: 58% для кислорода¹⁰ (1-ое место по распространенности) и 0,03% для серы (больше, чем для любого из галогенов), то они образуют подавляющее большинство соединений на Земле.

Это оксиды (например, железные руды: , и др.), кислородосодержащие соли: карбонаты (мел, известняк, малахит и т.д.), силикаты (являющиеся основой всех горных пород) и т.п. Кроме того, сульфиды¹¹: железный колчедан или пирит¹² (), цинковая обманка (ZnS), киноварь (HgS) и др. А также сульфаты: глауберова соль (), горькая соль (), гипс () и т.п. Вот почему элемент данной группы названы халькогенами, что значит, рудообразующие.

Поскольку и S менее активны, чем Г₂, то встречаются в природе и в виде простых веществ. Так, входит в состав атмосферы (21% объема воздуха, что составляет 10¹⁵ т, но это лишь 1/10 000 всего кислорода на Земле). Самородная же сера встречается, например, вблизи вулканов как продукт взаимодействия вулканических газов: сернистого и сероводорода H₂S.

В промышленности серу получают из самородной, отделяя ее от примесей переплавкой. А О₂ выделяют из воздуха ректификацией. Этот процесс заключается в том, что воздух (очищенный от пыли, влаги и углекислого газа) сжижают, охлаждая до -200°С; после чего постепенно нагревают. И поскольку т.кип. азота (-196°С) ниже, чем кислорода (-183°С), то N₂ выкипает первым. (То есть данным способом одновременно получают и азот.) В ходе ректификации цвет жидкости меняется от слегка голубоватого до явно голубого.

В лаборатории серу используют реактивную (готовое товарное вещество), а кислород берут из баллонов (голубого цвета), где он находится под давлением 100‑150 атм. Небольшие его количества получают, например, нагревая перманганат калия (при этом образуются также манганат калия и диоксид марганца):

4.2. Структура и физические свойства простых веществ

Способности кислорода и серы к формированию ХС. Аллотропия. Атомы любого галогена, а также Н, имея один неспаренный электрон, могут существовать лишь в виде одного простого соединения Э₂. У атомов же халькогенов два неспаренных е и потому возможны варианты, например, в случае кислорода:

1) или данный атом O образует двойную связь со вторым О, формируя молекулу простого вещества (его, как и сам элемент, называют кислородом): ;

2) или О дает две связи с двумя атомами O; при этом получается молекула другого простого соединения кислорода – озона .

Наличие у элемента нескольких простых веществ, различающихся числом атомов в молекуле или структурой решетки, называют аллотропией. Так что О₂ и О₃ – это аллотропные формы кислорода.

Отметим, что в случае озона ст.ок. центрального атома кислорода считается равной +4, а, следовательно, у концевых – по –2.

В случае серы формирование простых соединений происходит иначе, чем у кислорода, а именно: образуются многоатомные цепи и циклы.

осями связей) замыкаются в циклы .

Простые вещества серы. Различают несколько аллотропных форм S: ромбическую, моноклинную, пластическую и др. Причем 1-ая и 2-ая построены из одинаковых циклических молекул S₈, но ориентированы эти частицы относительно друг друга по-разному, что и обеспечивает разную форму кристаллов, а также немного отличающийся их цвет.

Причем при об.у. устойчива ромбическая сера – кристаллы в виде ромбов ярко желтого цвета. А при нагревании выше 96°С ориентация молекул S₈ изменяется и образуются более светлые кристаллы в виде длинных призм – это моноклинная сера. При 119°С она переходит в легкоподвижную желтую жидкость, которая выше 160°С начинает темнеть и густеть, т.к. происходит разрыв циклов S₈ и образование длинных цепей S_n , где n может достигать нескольких сотен тысяч (при 200-250⁰С).

Напомним, чем более многоатомны частицы, тем больше число контактов для осуществления дисперсионных взаимодействий между ними. Вот почему расплав серы при нагревании (в интервале 160 ^ОС – 250 ^ОС, но не выше) густеет.

Если такой расплав резко охладить (например, вылив в холодную воду), то цепи S_n сохраняются и получается тягучая масса коричневого цвета – пластическая сера. Она имеет волокнистую структуру решетки, а не молекулярную, как ромбическая или моноклинная S.

Физические свойства. Вследствие многоатомности цепей пластическая сера не растворяется в органических жидкостях, в отличие от ромбической и моноклинной. В воде же все аллотропные формы S практически нерастворимы.

Кислород, хотя и ограничено, но растворяется в воде (30 мл/л при об.у.), что обеспечивает дыхание рыб и других водных животных¹³. (В Мировом океане находится 10¹³ т .) Растворимость озона в воде в 9 раз выше, чем О₂ (благодаря полярности частиц О₃). Имея к тому же больше атомов в молекуле и как следствие большую молекулярную массу, озон и кипит выше (при -112 °С).