Kalkogener

Kalkogeners fysiska egenskaper

Atommassan växer tillsammans med växtperioden för grundämnet i gruppen. Den lägsta massan (16u) är karakteristisk för syret (O) och massorna 32u, 104u, 198u och 209u kännetecknar svavlet (S), selen (Se), tellur (Te) respektive polonium (Po). Atomradien ökar också med växtperioden, vilket gör att syre har den kortaste radien på 73 pm. En annan egenskap hos kalkogener är deras jonradie som också växer med den ökande perioden. Dess värden för den gruppen av grundämnen börjar med 140 pm för syre och slutar med 221 pm för tellur. Men när antalet perioder i gruppen ökar, minskar vissa egenskaper som jonisering och elektronegativitet. Den högsta joniseringsenergin på 1314 [kJ ·mol ^-1] kännetecknar syreatomen, medan den för svavel är 999,6 [kJ ·mol ^-1], 940,9 [kJ ·mol ^-1] för selen, 869,3 [kJ ·mol ^-1] för tellur och 812 [kJ ·mol ^-1] för polonium. Elektronegativitetsvärdena som bestäms för vart och ett av elementen är följande:

• syre: 3,5,
• svavel: 2,44,
• selen: 2,48,
• tellurium: 2,01.

Smält- och kokpunkterna växer vanligtvis med växtperioden.

Tabell 1. Smält- och kokpunkter för kalkogener.

Kalkogeners elektronkonfiguration

Konfigurationen av valenselektroner som är karakteristisk för den gruppen av element är ns ² p ⁴ . Dessutom uppvisar kalkogener en tendens att acceptera två elektroner, så att i praktiken ta konfigurationen av den närmaste ädelgasen när deras oxidationstillstånd växlar till –II. Sådana övergångar kan utföras på några sätt:

1. Om det finns en stor skillnad i elektronegativitet under bindningen av elementen, kan kalkogenatomen acceptera två elektroner och bilda ett X ^2- Syre, som är det mest elektronegativa elementet i gruppen, bildar jonbindningar med de flesta metaller, vilket leder till att produktion av sådana anjoner, ^O2- .
2. Det är möjligt att acceptera en elektron och producera en kovalent bindning. Detta är vad som händer i till exempel hydroxider när en hydroxidjon ^OH- bildas, eller i vätesulfider med vätesulfidjonen ^SH- . Sådana joner har olika stabilitetsnivåer som avtar från syre till selen.
3. Bildandet av två kovalenta bindningar, till exempel i hydrider och halogenider. Det finns också bindningar som innehåller identiska kalkogenatomer, såsom iväteperoxid eller vätedisulfid. Syre har en tendens att binda till två eller tre atomer, medan svavel och selen kan bilda polyatomiska kedjor som ett resultat av katenering. Dubbelbindningar bildas oftast av syre och svavel, vilket är fallet med t.ex. urea eller tiourea. Dessutom kan svavel och ytterligare kalkogener (till skillnad från syre, som alltid är i –II-oxidationstillstånd) bilda mer än två och till och med upp till sex kovalenta bindningar. Detta beror på närvaron av elektroner även på valensskalets d- orbitaler, och deras oxidationstillstånd kan vara IV eller VI.

Allotropa sorter av syre

Syre förekommer i två allotropa varianter: som det vanligaste diatomiska syret och som ozon med triatomära molekyler. Diatomiska syremolekyler är paramagnetiska och innehåller oparade elektroner vid de antibindande π ^* -orbitalen. Detta är ett tripletttillstånd, eftersom dess mångfald är 3. Ett sådant syre förekommer under normala förhållanden som en färglös gas, lätt blå när den bildar tjocka skikt och när den är i flytande eller fast tillstånd. Dess lukt är märkbar och den är något tyngre än luften. Förutom den grundläggande isotopen, ¹⁶ O, finns det ytterligare två ( ¹⁷ O och ¹⁸ O) som kan hittas i små mängder i naturligt syre. Som ett resultat av vissa elektriska urladdningar omvandlas sådant O2 _– syre i det grundläggande tripletttillståndet lätt till ett av de två exciterade tillstånden. Båda är rika på singletttillståndsenergi, men den nedre har en antibindande π ^* orbital med två motsatt spinnande elektroner. Det högre exciterade tillståndet har en elektron vid varje π ^* orbital med spinn orienterade antiparallellt. Excitationen sker under absorptionen av ett lämpligt kvantum av ljusenergi och som ett resultat av överföring av energi genom de exciterade molekylerna av vissa färgämnen, till exempel klorofyll och metylenblått. Sådant syre i singletttillståndet är en stark oxidant.

Allotropa varianter av svavel

Beroende på förhållandena producerar elementärt svavel molekyler med en ring- eller kedjad struktur. Det finns många varianter av svavel i fast och flytande tillstånd. Vid rumstemperatur är en stabil version det rombiska svavlet (även kallat alfasvavel) som har en klar gul färg. Den är byggd av oktoatomiska molekyler arrangerade för att bilda en sicksackformad ring. När den värms upp till 368,8 K omvandlas den till monoklint svavel. Denna sort kallas beta-svavel, som skiljer sig från sin alfa-ekvivalent genom arrangemanget av oktoatomära S ₈ -molekyler. Monoklint svavel smälter vid 392,2 K för att bli en ljusgul, rörlig vätska som kännetecknas på molekylär nivå av jämvikten mellan acykliskt svavel och cyklooktasvavel. När antalet öppna kedjor ökar i förhållande till slutna kedjor sjunker vätskans fryspunkt. När uppvärmningen fortsätter, bryts kedjorna av och genomgår katenering, vilket innebär att de binder med varandra och bildar långa kedjor. De kan innehålla upp till 10 ⁵ S ₈ enheter. Svavel kokar vid 717,8 K, och de orange-gula ångorna som är S ₈ -molekyler dissocierar till molekyler med ett minskande antal atomer. Vid 1200 K innehåller gasformigt svavel huvudsakligen diatomiska molekyler. Den långsamma kondensationen av svavelångor i kombination med nedkylning till rumstemperatur orsakar bildandet av den så kallade sulfatsyran, det vill säga en dammig, klargul produkt. En abrupt avkylning av ångorna ner till intervallet flera till flera dussin kelviner leder till att produkter bildas med olika färger: violett, brun, grön eller gul, beroende på kylningsmetod.

Produktion av kalkogener

Syre

De råvaror som krävs för att producera syre i industriell skala är luft och vatten. Produktionen av syre innebär att luften kondenseras och sedan separeras elementet av intresse genom fraktionsdestillation vid cirka 0,3 MPa. Den så förvärvade produkten innehåller normalt ca. 3 %argon. Syret som produceras av vattenelektrolys utmärker sig genom mycket hög renhet. Detta är dock en ganska dyr metod som endast används i vissa länder. För laboratorieändamål produceras vanligtvis små mängder syre genom termisk nedbrytning av föreningar såsom kaliumtetraoxomanganat (VII) eller kaliumtrioxoklorat (V) i närvaro av ren mangan (IV)oxid som katalysator.

Svavel

Den huvudsakliga metoden för att framställa elementärt svavel är raffinering av naturligt svavel. Frasch-processen, som främst används i Texas och Louisiana, består i att flytande svavel smälts med överhettad ånga under inverkan av tryckluft till ytan. Denna teknik gör det möjligt att få en extremt ren produkt som inte behöver förädlas. I Polen används den metoden nära staden Tarnobrzeg. Dessutom är svavel också en biprodukt av processteknisk gasbehandling , till exempel vid rening av naturgas från svavelväte och svaveldioxid. Sådan extraktion av svavelväte utförs med metoder som Claus-processen, det vill säga en katalytisk oxidation av svavelväte för att producera svavel och vatten.

Selen

Detta element är en vanlig förorening som finns i sulfidmalmer och vulkaniskt svavel. Under termisk bearbetning av dessa material omvandlas det till selendioxid som förekommer som ett fast ämne i damm som samlas upp av dammavskiljningsutrustning. De utgör alltså råvaror som kan vara källan till rent selen. En sådan bearbetning innebär att de behandlas med en kaliumcyanidlösning och sedan filtreras bort den producerade lösningen och fälla ut Se under inverkan av saltsyra . En annan metod, som oftare tillämpas i praktiken, är att förvärva selen från anodslem som bildas genom elektrolytisk raffinering av koppar.

Tellur

De nämnda anodslemen innehåller också vissa mängder tellur. Därför är deras bearbetning den huvudsakliga metoden för att framställa den.

Tillämpningar av kalkogener

Oxygen har ett brett användningsområde. I industriell skala används den alltmer inom metallurgi och för stålraffinering i ugnar med öppen härd. Processen att svetsa metaller i en acetylen-syre låga förbrukar också mycket syre. I gruvdrift används aktivt kol mättat med flytande syre som sprängämne. Inom medicinen appliceras syrgas vid andningsbesvär. Dess alternativa form, ozon, används som ett bakteriedödande medel för vattendesinfektion. Svavel är ett av de viktigaste materialen för att producera svaveldioxid som sedan bearbetas till svavelsyra som används som desinfektionsmedel eller blekningsmedel. Dessutom används svavel i processer som gummivulkanisering eller framställning av vissa organiska färgämnen, inklusive koldisulfid och ultramarin. Det är också en av de råvaror som krävs för att producera svartkrut, fyrverkerier eller tändstickor. Svavelbaserade preparat används också inom medicin (formuleringar som stödjer behandling av hudsjukdomar) och inom jordbruket (ämnen som används för att bekämpa växtparasiter). Selen krävs för att producera fotoceller och likriktare. Det fungerar som ett rubinrött färgämne vid glasbearbetning och används i xerografi. Tellur, som tillsats till blybaserade produkter, förbättrar deras mekaniska styrka och korrosionsbeständighet. Det är också ett substrat som används för att tillverka viktiga halvledarmaterial som är byggda av tellurider av tungmetaller som vismut, antimon, bly och kadmium. Polonium används mestadels som en testkälla för alfastrålning och en värmekälla i rymdutrustning