Chalcogens

Sifat fizikal chalcogens

Jisim atom tumbuh bersama dengan tempoh pertumbuhan unsur dalam kumpulan. Jisim terendah (16u) ialah ciri oksigen (O) dan jisim 32u, 104u, 198u dan 209u masing-masing mencirikan sulfur (S), selenium (Se), telurium (Te) dan polonium (Po). Jejari atom juga meningkat dengan tempoh pertumbuhan, yang bermaksud bahawa oksigen mempunyai jejari terpendek iaitu 73 pm. Satu lagi ciri chalcogens ialah jejari ioniknya yang juga tumbuh dengan tempoh yang semakin meningkat. Nilainya untuk kumpulan unsur itu bermula dengan 140 malam untuk oksigen dan berakhir dengan 221 malam untuk telurium. Walau bagaimanapun, apabila bilangan tempoh dalam kumpulan meningkat, beberapa ciri seperti pengionan dan keelektronegatifan menurun. Tenaga pengionan tertinggi 1314 [kJ ·mol ^-1] mencirikan atom oksigen, manakala untuk sulfur ialah 999.6 [kJ ·mol ^-1], 940.9 [kJ ·mol ^-1] untuk selenium, 869.3 [kJ ·mol ^-1] untuk tellurium, dan 812 [kJ ·mol ^-1] untuk polonium. Nilai keelektronegatifan yang ditentukan untuk setiap unsur adalah seperti berikut:

• oksigen: 3.5,
• sulfur: 2.44,
• selenium: 2.48,
• telurium: 2.01.

Titik lebur dan didih biasanya tumbuh dengan tempoh pertumbuhan.

Jadual 1. Takat lebur dan didih chalcogens.

Konfigurasi elektron bagi chalcogens

Konfigurasi ciri elektron valens bagi kumpulan unsur itu ialah ns ² p ⁴ . Di samping itu, chalcogens menunjukkan kecenderungan untuk menerima dua elektron, jadi, dalam amalan, untuk mengambil konfigurasi gas mulia terdekat apabila keadaan pengoksidaan mereka bertukar kepada –II. Peralihan sedemikian boleh dilakukan dalam beberapa cara:

1. Jika terdapat perbezaan besar dalam keelektronegatifan semasa ikatan unsur, atom chalcogen boleh menerima dua elektron dan membentuk X ^2- Oksigen, sebagai unsur paling elektronegatif dalam kumpulan, membentuk ikatan ionik dengan kebanyakan logam, yang membawa kepada penghasilan anion tersebut, O ^2- .
2. Adalah mungkin untuk menerima satu elektron dan menghasilkan satu ikatan kovalen. Inilah yang berlaku dalam, sebagai contoh, hidroksida apabila ion hidroksida OH ^– terbentuk, atau dalam hidrogen sulfida dengan ion hidrogen sulfida SH ^– . Ion tersebut mempunyai pelbagai tahap kestabilan yang menurun daripada oksigen kepada selenium.
3. Pembentukan dua ikatan kovalen, contohnya dalam hidrida dan halida. Terdapat juga ikatan yang mengandungi atom kalkogen yang sama, seperti dalamhidrogen peroksida atau hidrogen disulfida. Oksigen mempunyai kecenderungan untuk terikat kepada dua atau tiga atom, manakala sulfur dan selenium boleh membentuk rantai poliatomik hasil daripada katenasi. Ikatan berganda paling kerap dibentuk oleh oksigen dan sulfur, iaitu kes urea atau tiourea, sebagai contoh. Di samping itu, sulfur dan kalkogen selanjutnya (tidak seperti oksigen, yang sentiasa dalam keadaan pengoksidaan –II) boleh membentuk lebih daripada dua malah sehingga enam ikatan kovalen. Ini disebabkan oleh kehadiran elektron juga pada orbital d kulit valens, dan keadaan pengoksidaan mereka boleh menjadi IV atau VI.

Varieti oksigen alotropik

Oksigen berlaku dalam dua jenis alotropik: sebagai oksigen diatomik yang biasa ditemui dan sebagai ozon dengan molekul triatomik. Molekul oksigen diatomik adalah paramagnet dan mengandungi elektron tidak berpasangan pada orbital π ^* anti-ikatan. Ini adalah keadaan triplet, kerana kepelbagaiannya ialah 3. Oksigen sedemikian berlaku dalam keadaan biasa sebagai gas tidak berwarna, biru sedikit apabila membentuk lapisan tebal dan apabila dalam keadaan cecair atau pepejal. Baunya ketara, dan ia lebih berat sedikit daripada udara. Sebagai tambahan kepada isotop asas, ¹⁶ O, terdapat dua lagi ( ¹⁷ O dan ¹⁸ O) yang boleh didapati dalam jumlah kecil dalam oksigen semula jadi. Hasil daripada beberapa nyahcas elektrik, oksigen O ₂ sedemikian dalam keadaan triplet asas mudah berubah menjadi salah satu daripada dua keadaan teruja. Kedua-duanya kaya dengan tenaga keadaan singlet, tetapi yang lebih rendah mempunyai satu orbital π ^* anti-ikatan dengan dua elektron berputar bertentangan. Keadaan teruja yang lebih tinggi mempunyai satu elektron pada setiap orbital π ^* dengan anti-selari berorientasikan putaran. Pengujaan berlaku semasa penyerapan kuantum tenaga cahaya yang sesuai dan akibat pemindahan tenaga melalui molekul teruja beberapa pewarna, contohnya klorofil dan metilena biru. Oksigen sedemikian dalam keadaan singlet adalah oksidan yang kuat.

Jenis alotropik sulfur

Bergantung pada keadaan, sulfur asas menghasilkan molekul dengan cincin atau struktur berantai. Terdapat banyak jenis sulfur dalam keadaan pepejal dan cecair. Pada suhu bilik, versi yang stabil ialah sulfur rombik (juga dipanggil alpha sulfur) yang mempunyai warna kuning terang. Ia dibina daripada molekul oktoatomik yang disusun membentuk cincin berbentuk zigzag. Apabila dipanaskan sehingga 368.8 K, ia berubah menjadi sulfur monoklinik. Varieti ini dirujuk sebagai beta sulfur, yang berbeza daripada alfa yang setara dengan susunan molekul S ₈ oktoatomik. Sulfur monoklinik cair pada 392.2 K untuk menjadi cecair mudah alih kuning terang yang dicirikan pada tahap molekul oleh keseimbangan antara sulfur akiklik dan siklooctasulfur. Apabila bilangan rantai terbuka bertambah berbanding dengan rantai tertutup, takat beku cecair berkurangan. Semasa pemanasan berterusan, rantai terputus dan mengalami katenasi, bermakna ia terikat antara satu sama lain untuk membentuk rantai panjang. Mereka boleh mengandungi walaupun sehingga 10 ⁵ S ₈ unit. Sulfur mendidih pada 717.8 K, dan wap oren-dan-kuning sebagai molekul S ₈ terurai menjadi molekul dengan bilangan atom yang semakin berkurangan. Pada 1200 K, sulfur gas terutamanya mengandungi molekul diatomik. Pemeluwapan perlahan wap sulfur digabungkan dengan penyejukan ke suhu bilik menyebabkan pembentukan asid sulfat yang dipanggil, iaitu produk kuning cerah yang berdebu. Penyejukan wap secara tiba-tiba hingga ke julat beberapa hingga beberapa dozen kelvin membawa kepada pembentukan produk dengan pelbagai warna: ungu, coklat, hijau atau kuning, bergantung pada kaedah penyejukan.

Pengeluaran chalcogens

Oksigen

Bahan mentah yang diperlukan untuk menghasilkan oksigen pada skala industri ialah udara dan air. Penghasilan oksigen melibatkan pemeluwapan udara dan kemudian mengasingkan unsur kepentingan melalui penyulingan berpuak pada sekitar 0.3 MPa. Produk yang diperolehi biasanya mengandungi lebih kurang. 3 %daripada argon. Oksigen yang dihasilkan oleh elektrolisis air menonjol dengan ketulenan yang sangat tinggi. Walau bagaimanapun, ini adalah kaedah yang agak mahal yang digunakan hanya di beberapa negara. Untuk tujuan makmal, sejumlah kecil oksigen biasanya dihasilkan melalui penguraian terma sebatian seperti kalium tetraoxomanganat (VII) atau kalium trioksoklorat (V) dengan kehadiran mangan tulen (IV) oksida sebagai mangkin.

Sulfur

Kaedah utama untuk menghasilkan sulfur asas ialah penapisan sulfur asli. Proses Frasch, terutamanya digunakan di Texas dan Louisiana, terdiri daripada menyesarkan cecair sulfur yang dicairkan dengan wap panas lampau di bawah kesan udara termampat ke permukaan. Teknologi ini membolehkan untuk memperoleh produk yang sangat tulen yang tidak memerlukan penapisan. Di Poland, kaedah itu digunakan berhampiran bandar Tarnobrzeg. Di samping itu, sulfur juga merupakan hasil sampingan proses rawatan gas teknikal, contohnya apabila menulenkan gas asli hidrogen sulfida dan sulfur dioksida. Pengekstrakan hidrogen sulfida sedemikian dijalankan dengan kaedah seperti proses Claus, iaitu pengoksidaan pemangkin hidrogen sulfida untuk menghasilkan sulfur dan air.

Selenium

Unsur ini adalah bahan cemar biasa yang terdapat dalam bijih sulfida dan sulfur gunung berapi. Semasa pemprosesan haba bahan-bahan ini, ia berubah menjadi selenium dioksida yang berlaku sebagai pepejal dalam habuk yang dikumpul oleh peralatan nyahhabuk. Oleh itu, mereka membentuk bahan mentah yang boleh menjadi sumber selenium tulen. Pemprosesan sedemikian melibatkan merawatnya dengan larutan kalium sianida dan kemudian menapis larutan yang dihasilkan dan memendakan Se di bawah kesan asid hidroklorik . Kaedah lain, lebih kerap digunakan dalam amalan, adalah untuk memperoleh selenium daripada lendir anod yang dibentuk oleh penapisan elektrolitik tembaga.

Telurium

Lendir anod yang disebutkan juga mengandungi sejumlah telurium. Oleh itu, pemprosesan mereka adalah kaedah utama untuk menghasilkannya.

Aplikasi chalcogens

Oksigen mempunyai pelbagai aplikasi. Pada skala perindustrian, ia semakin digunakan dalam metalurgi dan untuk penapisan keluli dalam relau perapian terbuka. Proses mengimpal logam dalam nyalaan asetilena-oksigen juga menggunakan banyak oksigen. Dalam perlombongan, karbon aktif tepu dengan oksigen cecair digunakan sebagai bahan letupan. Dalam perubatan, oksigen digunakan dalam kes masalah pernafasan. Bentuk alternatifnya, ozon, digunakan sebagai bakteria untuk pembasmian kuman air. Sulfur merupakan salah satu bahan utama untuk menghasilkan sulfur dioksida yang kemudiannya diproses menjadi asid sulfurik yang digunakan sebagai pembasmi kuman atau pemutih. Di samping itu, sulfur digunakan dalam proses seperti pemvulkanan getah atau pengeluaran pewarna organik tertentu, termasuk karbon disulfida dan ultramarin. Ia juga merupakan salah satu bahan mentah yang diperlukan untuk menghasilkan serbuk hitam, bunga api atau mancis. Persediaan berasaskan sulfur juga digunakan dalam perubatan (formulasi yang menyokong merawat penyakit kulit) dan dalam pertanian (bahan yang digunakan untuk melawan parasit tumbuhan). Selenium diperlukan untuk menghasilkan fotosel dan penerus. Ia bertindak sebagai pewarna merah delima dalam pemprosesan kaca dan digunakan dalam xerografi. Tellurium, sebagai bahan tambahan kepada produk berasaskan plumbum, meningkatkan kekuatan mekanikal dan rintangan kakisan mereka. Ia juga merupakan substrat yang digunakan untuk membuat bahan semikonduktor penting yang dibina daripada telurida logam berat seperti bismut, antimoni, plumbum dan kadmium. Polonium kebanyakannya digunakan sebagai sumber ujian sinaran alfa dan sumber haba dalam peralatan angkasa