Халькогены

Жизнь невозможна без кислорода. Он обеспечивает дыхание и выработку энергии, входит в состав воды и молекул. С ним вследствие процесса горения угля или газа человечество получило свет и тепло, а значит, комфортную жизнь. Кислород – это халькоген. Без селена, входящего в состав сетчатки глаз, наше зрение было бы не таким острым. Без серы в сельском хозяйстве бороться с вредителями было бы намного сложней, чем с ней. Ну а в медицине ее ценят за дезинфекционные и антибактериальные свойства. Это тоже халькогены.

Смотрите: всего три примера, а вы уже увидели, какое огромное значение эти химические элементы – герои сегодняшней статьи – играют в нашей жизни. В рамках изучения химии они не менее важны: халькогены обладают рядом уникальных свойств и играют ключевую роль в образовании минералов. Рассмотрим подробнее эти элементы, их свойства и происхождение.

Что такое халькогены в химии

Сам по себе термин происходит от двух греческих слов. Это chalkos, означающий «медь», и genos, что переводится как «рожденный». Халькогены имеют непосредственное отношение к меди, так как в природе их можно найти в составе медных руд – этим и обусловлено название. Помимо кислорода, селена и серы к ним относятся теллур, полоний и ливерморий. Последний стоит особняком, так как был синтезирован в лабораторных условиях и в природе не встречается.

Халькогены известны как элементы VI группы периодической системы. Они являются как окислителями, так и восстановителями. Среди халькогенов один металл (полоний), один полуметалл (теллур) и три неметалла (селен, сера и кислород). Общим свойством можно назвать склонность к катенации – способности атомов одного и того же элемента образовывать разветвленные и неразветвленные цепи (исключение – кислород, он не образует цепочек более чем из трех атомов). 

Полезная информация о халькогенах

В таблице кратко приведем важную информацию об этих химических элементах.

Данные о халькогенах	Описание
Степень окисления	Для всех элементов подгруппы, кроме полония, характерна низшая степень окисления -2
Нюансы соединений	Все халькогены, кроме кислорода, образуют соединения, где степень окисления +4 или +6
Сера и ртуть	Сера взаимодействует со ртутью при комнатной температуре. Это свойство используют в лаборатории для удаления разлитой ртути: ее пары очень опасны
Роль в биологических функциях	Халькогены могут выступать как питательные вещества или как токсины

История открытий и происхождение названий халькогенов

Как мы уже рассказали, искусственным путем был получен только один халькоген – ливерморий. Его синтезировали в рамках исследований по получению сверхтяжелых элементов. У остальных халькогенов есть собственные истории открытия.

Открытие кислорода

Понятное дело, кислород «как факт» был известен с глубокой древности – мы ведь им дышим. А вот в качестве химического элемента его открыли только в конце XVIII века. Причем это сделали сразу два ученых независимо друг от друга. Первым был в 1771 году швед Карл Шееле, получивший «огненный воздух» в ходе эксперимента по прокаливанию селитры с серной кислотой. Вторым – англичанин Джозеф Пристли, в 1774 году обнаруживший газообразное вещество, образовавшееся при разложении оксида ртути. Ему и досталась слава первооткрывателя: Карл Шееле «дотянул» с описанием своего открытия в книге аж до 1777 года.

Открытие серы

Сама по себе сера была известна со времен глубокой древности. Ее использовали в религиозных обрядах (например, в качестве священных курений), для военных целей и для дезинфекции. Еще с ее помощью в Древнем Риме отбеливали ткани. В стародавние времена главными источниками серы были вулканические регионы, а изобретательные китайцы научились извлекать ее из пирита. Однако открытие серы как химического элемента принадлежит французскому химику Антуану Лавуазье. Ученый проводил опыты по горению. Доподлинно неизвестно, какие вещества он сжигал. Важно, что в результате месье Антуан обнаружил выделение газа и изучил свойства элемента, это явление породившего. Им и оказалась сера.

Открытие селена

Селен открыли немного позже – в 1817 году. Открытие сделал шведский химик Берцелиус в ходе исследований способов получения серной кислоты. Проводя эксперимент, ученый обнаружил вещество, похожее на первый взгляд на теллур, однако при более тщательном изучении, оказавшееся совсем иным. Это и был селен. Химический элемент обязан своим названием желанию ученого подчеркнуть одновременно и связь, и различие элементов. Теллур произошел от латинского слова tellus, что значит «земля». Ну а какая земля без луны, такой близкой, но в то же время совершенно особенной? Хрупкий и блестящий неметалл серого цвета обязан своим названием греческому σελήνη – это слово переводится как «луна».

Открытие теллура

Итак, теллур получил свое название в честь Земли. Был впервые обнаружен австрийским инженером Францем Мюллером при исследовании золотоносной руды из Трансильвании. В 1782 году такая находка казалась, мягко говоря, удивительной. Озадаченный инженер назвал ее Aurum problematicum, то есть «сомнительное золото». Впоследствии теллур получил свое название в честь римской богини Теллуры или Терры (более известной по мифам как древнегреческая Гея). Она считалась богиней Земли. Вот такое обоснование для названия химического элемента.

Открытие полония

Радиоактивный химический элемент полоний получит название в честь Польши. Именно так название страны значится на латыни – Polonia. Дело в том, что Польша была родиной автора открытия – Марии Склодовской-Кюри. Ученый-экспериментатор обнаружила новый элемент в 1898 году при исследовании урановой смолки из Богемии. Полоний и его соединения высокотоксичны и являются одними из самых опасных среди известных ныне веществ.

Характеристика халькогенов

Халькогены относятся к главной подгруппе шестой группы периодической системы. Они имеют следующие наименования и обозначения: кислород О, сера S, селен Se, теллур Te и полоний Po. Наибольшей окислительной способностью обладают кислород и сера: они являются типичными неметаллами. Полоний является типичным металлом. У селена и теллура промежуточное положение. Температура плавления и кипения простых веществ зависит от атомного номера. С его увеличением по подгруппе указанные показатели возрастают.

Атомы халькогенов имеют по два неспаренных электрона. В низшей степени окисления они образуют летучие водные соединения (например, H₂O). Их водные растворы являются кислотами. В высшей степени образуют высшие оксиды и соответствующие им кислоты (например, H₂SO₄, H₂TeO₄), сила которых убывает сверху вниз.

Физические свойства халькогенов

Кислород представляет собой бесцветный газ. Сера – твердое вещество желтого цвета. Селен тоже твердое вещество, но цвет серый. Теллур представляет собой серое вещество с металлическим блеском.

О кислороде и сере стоит поговорить подробней. Итак, кислород O₂ является газом без цвета, запаха и вкуса. Он мало растворим в воде. Температура кипения составляет 183 градуса. В жидком и твердом состоянии имеет голубой цвет и притягивается магнитом. Кислород имеет две аллотропные модификации (кислород и озон). 

Сера бывает пластической (аморфной) и кристаллической. У последней две аллотропные модификации – ромбическая и моноклинная. Ромбическая сера является наиболее устойчивой. Она представляет из себя твердое вещество желтого цвета, растворяющееся в сероуглероде CS₂, плохо проводящее тепло и электричество. Является легкоплавким. Температура кипения 444,6 градусов по Цельсию.

Химические свойства халькогенов

Химические свойства халькогенов принято рассматривать на примере кислорода и серы. Свойства остальных элементов схожи с серой.

Кислород является самым активным из неметаллов после фтора. Он взаимодействует как с простыми, так и со сложными веществами.

Кислород взаимодействует с большинством простых веществ, кроме Cl₂, Br₂, F₂, Au, Pt и рядом инертных газов (He, Ne, Ar). Чаще всего реакция экзотермична.

Приведем примеры реакций с металлами:

• 4Li + O₂ → 2Li₂O (оксид лития)
• 2Cu + O₂ → 2CuO (оксид меди II)
• 2Na + O₂ → Na₂O₂ (пероксид натрия)

Теперь рассмотрим взаимодействие с неметаллами:

• 2C + O₂ → 2CO (неполное горение, в результате угарный газ)
• C + O₂ → CO₂ (полное горение, в результате углекислый газ)
• 2F₂ + O₂ → 2OF₂ (фторид кислорода)
• N₂ + O₂ ⇄ 2NO (требуется электрический разряд или высокая температура, получается оксид азота II)

Важный аспект – окисление низших оксидов:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

Кислород взаимодействует со сложными веществами в следующих реакциях:

• горения: 2H₂S + 3O₂ = 2SO₂↑ + 2H₂O
• окисления: 4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O

Теперь поговорим о сере. Она обладает следующими химическими свойствами:

1. в своих соединениях сера способна проявлять разные степени окисления;
2. реагирует с концентрированными кислотами-окислителями, например: S + 6HNO₃ (конц) = H₂SO₄ + 6NO₂↑ + 2H₂O
3. реагирует с фтором и хлором, например: S + 3F₂ = SF₆;
4. горит на воздухе, образуя SO₂ (оксид серы IV, или сернистый газ);
5. при нагревании сера реагирует со многими металлами и неметаллами. При реакции с металлами образуются сульфиды, например: Cu+S = CuS (сульфид меди II);
6. сера растворяется в горячих щелочах – происходит реакция диспропорционирования.

Получение и применение халькогенов

В промышленности кислород получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха или электролизом воды. В природе же он образуется в процессе фотосинтеза.

6CO₂ + 6H₂O ⇄ C₆H₁₂O₆ +6O₂↑

Озон образуется во время электрического разряда (в естественных условиях) или в лаборатории при термическом разложении солей или оксидов.

Кислород воздуха используется в металлургической промышленности, для получения различных веществ в химической промышленности, для высокотемпературной сварки металлов, сжигания горючих и топливных материалов (например, угля или нефти). В медицине без кислорода не обойтись при искусственной вентиляции легких. Озон применяется для очистки воды, воздуха и дезинфекции оборудования.

Серу получают в промышленности путем выплавления из ископаемой самородной серы. В лаборатории же используют неполное окисление сероводорода при недостатке кислорода. Например:

2H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O

При этом пары серы кристаллизуются на холодной поверхности.

Сера применяется в химическом синтезе для получения оксида серы (IV), серной кислоты, сероуглерода. Также химический элемент важен при вулканизации резины, производстве пороха, инсектицидов и фунгицидов.

Задачи по теме «Халькогены»

Перед вами несколько заданий на изученную тему. Постарайтесь выполнить каждое, а затем проверьте себя, ознакомившись с ответами.

Задача 1

Определите степень окисления серы в веществах:

H₂SO₄, SO₂, H₂S, S, FeS₂, K₂SO₃, SF₆

Задача 2

Найдите массовую долю серы и кислорода в сульфате алюминия.

Задача 3

Завершите уравнения осуществимых реакций:

Na₂S + O₂ →
K + O₂ →
S + HCl →
S + F₂ →

Задача 4

Найдите объем кислорода, который потребуется для обжига сульфида меди (II) массой 19.2 г.

Ответы к задачам

Ознакомьтесь с ответами к заданиям, проверьте себя и учтите ошибки, если они есть.

Задача 1

Степень окисления указана в скобках для каждого вещества:

H₂SO₄ (+6), SO₂ (+4), H₂S (-2), S (0), FeS₂ (-1), K₂SO₃ (+4), SF₆ (+6)

Задача 2

Приведено решение задачи:

Al₂(SO₄)₃; w (S) = 96/342 × 100% ≈ 28,07 %.
W(O) = 192/342 × 100% ≈ 56,14 %.

Задача 3

Записаны осуществимые реакции:

Na₂S + 2O₂ → Na₂SO₄
K + O₂ → KO₂
S + HCl → реакция не идет
S + 3F₂ → SF₆

Задача 4

Приведено решение задачи:

2CuS + 3O₂ → (t) 2CuO + 2SO₂

1. Находим количество сульфида меди (II): n(CuS) = 19,2/96 = 0,2 моль
2. Находим количество кислорода: n(O₂) = 3/2 × 0.2 моль = 0,3 моль
3. Вычисляем объем кислорода: V(O₂) = 0,3 × 22,4 = 67,2 л

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Варвара Гостюхина, учитель химии высшей квалификационной категории: