Элементы группы VIA

Важнейшими неметаллами группы VIA являются кислород и сера. Особое значение в химии и жизни имеет первый элемент группы VIA — кислород. Пожалуй, все согласятся с тем, что слово «кислород» мы слышим или произносим почти ежедневно. Очень важна и сера не только как элемент в составе многих необходимых в хозяйстве веществ, но и как один из элементов, образующих белки. Элементы группы VIA (халькогены) имеют шесть электронов на орбиталях внешнего энергетического уровня, у них остаются две вакансии на р-подуровне и соответственно два неспаренных электрона:

Для всех элементов группы VIA характерно двухвалентное состояние. Валентность кислорода не может повышаться, так как у него нет свободных орбиталей, достаточно близких по энергии к подуровню 2р. В этом отношении свойства кислорода сходны со свойствами фтора. Сера и все остальные элементы группы VIA имеют свободные d-орбитали на внешнем уровне и в возбужденных состояниях становятся четырехи шестивалентными:

Состояния повышенной валентности стабилизируются только в соединениях с кислородом, фтором и хлором. В соединениях со всеми другими элементами сера может быть только двухвалентной.

Кислород имеет высокую электроотрицательность (% = 3,5), занимая второе место после фтора. Электроотрицательность серы значительно ниже (х = 2,6). При переходе в группе VIA сверху вниз усиливаются металлические свойства элементов. Кислород, сера и селен в виде простых веществ — неметаллы, теллур — полуметалл, полоний — металл.

Кислород

Кислороду принадлежит особая роль в химии. Два важных класса неорганических веществ — оксиды и гидроксиды — кислородные соединения по определению. Материал, рассмотренный в предшествующих главах, показывает, сколь велика в химии роль воды — кислородного соединения Н₂0 — в качестве среды (растворителя), в которой протекает множество химических реакций. Именно оксиды оказываются особыми веществами, которые образуют при взаимодействии с водой кислоты и основания. Если представить себе, что при химических исследованиях главнейшим веществом в качестве растворителя оказался бы, например, фтороводород, то фториды выделили бы в особый класс веществ, а оксиды металлов рассматривали бы как разновидность бинарных солей.

Таким образом, особая роль кислорода в значительной мере определяется тем, что с водородом он образует жидкое соединение, в большом количестве имеющееся в природе и играющее неоценимую роль в качестве растворителя.

Кислород — самый распространенный элемент в биосфере. Он не только образует воду и кристаллические минералы с кремнием, углеродом, серой, фосфором, металлами, но также в виде простого вещества является составной частью атмосферы. Не менее 60% массы живых организмов составляет оксид водорода — вода, служащая внутренней средой каждой жизнедеятельной клетки. Кислород входит в состав молекул белков, жиров, углеводов, т. е. всех веществ, образующих живую материю. Наконец, кислород в виде простого вещества 0₂ необходим как окислитель для протекания реакций, дающих клеткам необходимую для жизнедеятельности энергию. Хорошо известно, что без поступления кислорода жизнь прекращается за считанные минуты. Это единственное необходимое для жизни простое вещество.

Кислород как элемент образует два простых вещества — кислород (дикислород) 0₂ и озон (трикислород) 0₃. Кислород 0₂ — бесцветный газ без запаха. При глубоком охлаждении он становится жидкостью голубого цвета (температура кипения -183 °С).

Издавна считается, что двухвалентные атомы кислорода должны образовывать между собой двойную связь. Тогда у каждого атома появляется по две электронные пары. Но, как показывают исследования, в молекуле кислорода имеются два неспаренных электрона. Это явление, неожиданное для молекулы с четным числом электронов, заставляет полагать, что в молекуле 0₂ на самом деле имеется тройная связь, ослабленная наличием двух электронов на орбиталях с повышенной энергией. Из-за этого молекула 0₂ по устойчивости подобна молекуле с двойной связью:

Под действием световой энергии кислород 0₂ превращается в озон:

Озон образуется в атмосфере Земли на высоте от 20 до 30 км из кислорода под действием ультрафиолетовых лучей. Он неустойчив, снова распадается, отщепляя атом кислорода. Поэтому содержание озона в атмосфере не увеличивается. Ничтожный по концентрации слой озона поглощает коротковолновые ультрафиолетовые лучи, способные убивать живые клетки и вызывать мутации. Наблюдающееся в последние десятилетия медленное падение содержания озона в атмосфере представляет собой серьезную экологическую проблему.

Молекула озона не менее странная, чем молекула кислорода. Она полярна, и это единственный случай среди молекул простых веществ:

Атом кислорода в вершине угла близок к трехвалентному состоянию, так как, отдав электрон двум другим атомам, сам имеет три неспаренных электрона. На этом примере видно, что у атомов могут возникать валентные состояния, которые трудно предсказать теоретически.

Озон имеет очень резкий и своеобразный запах, который всегда ощущается в физиотерапевтических кабинетах поликлиник и больниц. Здесь он образуется из кислорода под действием излучения кварцевых ламп. При малой концентрации примесь озона в воздухе считается полезной, так как он уничтожает болезнетворные микроорганизмы. Но при концентрации в воздухе выше 0,1 мг/м³ озон становится весьма опасен, так как разрушает слизистую оболочку легких. Поясним, воздух, содержащий несколько процентов озона, моментально разрушает резиновые шланги.

Сопоставляя свойства кислорода 0₂ и озона 0₃, можно сделать вывод, что полезны или ядовиты не химические элементы, а образуемые ими вещества, которые тем или иным путем воздействуют на живые организмы.

Получение кислорода. В настоящее время озон все шире применяют вместо хлора для обеззараживания питьевой воды. Для этой цели он производится непосредственно на водопроводных станциях в специальных озонаторах.

В промышленности кислород 0₂ в индивидуальном виде получают дробной перегонкой (ректификацией) жидкого воздуха. После доведения до требуемой степени чистоты кислород помещают в газовые баллоны высокого давления, окрашенные в голубой цвет. Можно видеть связки таких баллонов на автомобильных платформах или на специальных участках больничных территорий.

Из сложных веществ кислород невозможно вытеснить ничем, кроме фтора, но на практике такой способ получения не применяется — слишком трудно работать с химически активным фтором. Поэтому лабораторные способы получения кислорода основаны на термическом разложении некоторых солей кислородсодержащих кислот, а также перекиси водорода:

Химические свойства кислорода. Кислород действует как окислитель по отношению ко всем элементам, кроме фтора. Он реагирует с большинством веществ, атомы которых могут образовать связи с кислородом. При обычных условиях химическая активность кислорода невелика, и это очень важно для жизни. Все органические вещества, в том числе и входящие в состав живых организмов, способны окисляться кислородом до углекислого газа и воды. Если бы эти реакции шли быстро, то жизнь в кислородной атмосфере была бы невозможна. На самом деле кислород не только не убивает живые организмы, но и необходим для них. Он окисляет глюкозу, продукты расщепления жиров и некоторые другие вещества, служащие источниками энергии для жизнедеятельности клеток. Но осуществляются эти реакции только при участии специальных белковых катализаторов — ферментов.

С участием кислорода идут реакции горения и окисления. Горение — это быстрая реакция, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Скорость горения зависит от содержания кислорода в газовой смеси. Известно, что тлеющий на воздухе уголь ярко загорается в кислороде. Ускорить реакцию горения можно путем использования обогащенной кислородом смеси либо принудительной подачей обычного воздуха в зону горения.

Обычно как кислород 0₂, так и озон 0₃ окисляют вещества до одних и тех же конечных продуктов, но озон реагирует во много раз быстрее. Подкисленный раствор иодида калия постепенно желтеет вследствие окисления ионов Г кислородом и выделения иода. Озон с тем же раствором реагирует очень быстро:

Эта реакция применяется для качественного и количественного определения озона.

В большинстве химических реакций с простыми и сложными веществами кислород 0₂ восстанавливается до степени окисления -2. Однако есть необычные реакции. С некоторыми активными металлами кислород образует пероксиды, например Na₂0₂, содержащие ионы 0₂^_, в которых атомы кислорода соединены между собой и имеют степень окисления -1.

При гидролизе пероксида натрия образуется перекись водорода:

Соединения кислорода. Важнейшие типы соединений кислорода представлены на рис. 6.1.

Свойства кислородных соединений подробно рассмотрены в параграфах, посвященных остальным химическим элементам, а также отчасти — в предыдущих главах (кислоты, основания и др.). Здесь же остановимся еще раз на свойствах воды и пероксида водорода.

Вода. Это вещество имеет целый комплекс необычных (аномальных) физических свойств. Она расширяется при охлаждении от +4 до О °С и далее при превращении в лед. У воды наиболее высокая температура кипения среди легких молекулярных веществ. Вода имеет очень большую теплоемкость и поэтому в природе аккумулирует много теплоты. Этим определяется климат побережий морей и океанов. Вода является прекрасным растворителем благодаря полярности молекул Н₂0 и их способности образовывать водородные связи (см. выше). Молекулы воды реагируют между собой с переносом протона, вследствие чего у воды появляется электрическая проводимость.

Рис. 6.1. Классификация соединений кислорода

Рассмотрим типичные химические реакции воды с веществами разных классов:

• реакции с неметаллами.

• реакции с металлами.

• реакции с оксидами.

• реакции с кислотами.

• реакции с основаниями.

• реакции с солями — гидратация.

• и гидролиз.

Органические вещества присоединяют воду по кратным связям:

Пероксид водорода. Кислород и водород образуют еще одно соединение — пероксид (перекись) водорода Н₂0₂. Это бесцветная жидкость, более плотная, чем вода; неограниченно смешивается с водой. В аптеках пероксид водорода продается в виде 3%-ного раствора, а для химических целей обычно используют 30%-ный раствор, называемый пергидроль. Разбавленный пероксид водорода действует как кровеостанавливающее средство, а пергидроль сильно повреждает кожу, тотчас оставляя белые пятна. Важнейшее свойство пероксида водорода — неустойчивость к разложению на воду и кислород. Этим объясняются его окислительные свойства. Чистое вещество разлагается медленно. Ионы металлов в растворах и некоторые гетерогенные катализаторы сильно ускоряют разложение Н₂0₂

Пероксид водорода проявляет окислительно-восстановительную двойственность: действует как сильный окислитель в кислой и щелочной средах, но может и окисляться с выделением 0₂.