§ 32. Элементы VIА-группы. Кислород и сера

Кислород и сера как химические элементы

Элементы VIА-группы кислород ₈О, сера ₁₆S, селен ₃₄Se и теллур ₅₂Те имеют общее название халькогены, что в переводе означает «рождающие руду». Действительно, подавляющее число природных минералов содержит кислород либо серу, например магнетит Fe₃O₄, халькопирит CuFeS₂.

Как вам известно, кислород — самый распространённый элемент на Земле, он составляет 49 % от массы земной коры.

Сера — шестнадцатый по распространённости элемент, встречается как в виде соединений, так и в самородном состоянии (табл. 26).

Таблица 26. Химические элементы халькогены

На внешнем электронном слое, общая конфигурация которого ns²np⁴, атомы халькогенов имеют по 6 электронов, из которых два неспаренных на р-подуровне (Приложение 1):

₈O

₁₆S

Из приведённых электронных конфигураций внешнего электронного слоя атомов кислорода, серы следует, что низшая степень окисления этих халькогенов –2. Сера проявляет положительные степени окисления +4, +6 при возбуждении s- и p-электронов внешнего слоя на d-подуровень. Сера по электроотрицательности уступает галогенам (кроме йода), азоту и кислороду. Кислород, будучи вторым после фтора по электроотрицательности, проявляет положительную степень окисления +2 только в соединении со фтором .

Неприятные запахи, ощущаемые при гниении трупов животных, можно объяснить выделением соединений серы (меркаптанов и сероводорода), которые образуются при разложении белков.

Кислород как простое вещество

Кислород существует в природе в виде двух простых веществ (аллотропных модификаций) молекулярного строения — кислорода О₂ и озона О₃. В молекуле кислорода существует двойная ковалентная неполярная связь (рис. 29, 72).

Физические свойства кислорода. Кислород мало растворим в воде: при 20 °С в 1 дм³ воды растворяется 31 см³ кислорода. Тем не менее этого хватает для дыхания рыб в водоёмах. Жидкий кислород — подвижная, слегка голубоватая жидкость, кипящая при температуре –183 °С. Твёрдый кислород представляет собой синие кристаллы, плавящиеся при ещё более низкой температуре –219 °С.

Химические свойства кислорода. Кислород во всех реакциях, кроме взаимодействия со фтором, проявляет свойства окислителя. При окислении кислородом простых и сложных веществ образуются, как правило, оксиды.

1. Кислород взаимодействует с металлами:

Он окисляет практически все металлы, кроме серебра, золота и платины. С активными металлами кислород может образовывать не только оксиды, но и пероксиды (Na₂O₂), надпероксиды (KО₂) или другие бинарные соединения.

2. Реагируя с неметаллами, кислород образует кислотные или несолеобразующие оксиды:

С хлором, бромом и йодом кислород не реагирует.

3. Кислород окисляет сложные неорганические и органические вещества:

При этом отметим, что горение углеводородов используют как источник тепловой энергии:

CH_4(г) + 2O_2(г) = CO_2(г) + 2H₂O_(ж)+ 891 кДж.

В органическом синтезе кислород широко применяется в реакциях каталитического окисления:

Получение кислорода

В промышленности кислород получают разделением жидкого воздуха, небольшие порции хранят в баллонах голубого цвета, а в лабораториях — в газометрах (рис. 73). Важнейшим лабораторным способом его получения служит разложение некоторых кислородсодержащих веществ — перманганата калия, бертолетовой соли, воды, пероксида водорода:

В сосуды кислород собирают методом вытеснения воды или воздуха (рис. 74).

§ 32.1

Озон

Озон — газ с резким запахом, имеет бледно-голубой цвет, в жидком состоянии — синий. В процессе реакций озон распадается с образованием атомарного кислорода:

О₃ = О₂ + О,

поэтому по сравнению с кислородом обладает большей химической активностью. В природе озон образуется из атмосферного кислорода при грозовых разрядах, а на высоте 10–30 км — под действием ультрафиолетового излучения. Озоновый слой над поверхностью Земли задерживает коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, вредное для живых организмов.

Озон образуется при работе лазерных принтеров, источников рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м³. Характерный запах озона начинает ощущаться уже при концентрациях 0,004–0,010 мг/м³, то есть во много раз ниже гигиенического норматива, что важно для персонала, работающего с озоном.

Воду обеззараживают хлорированием или озонированием. Озонирование воды более безопасно для человеческого организма, чем хлорирование.

Сера

Состав и строение молекулы серы. Молекулы кристаллической серы имеют форму замкнутых циклов. Если расплавленную серу вылить в стакан с холодной водой (быстро охладить), то образуется пластическая сера. Её молекулы представляют собой длинные цепи (рис. 75). Пластическая сера неустойчива и уже через несколько часов после получения превращается в жёлтые кристаллы ромбической серы как наиболее устойчивой из аллотропных модификаций.

Известно несколько аллотропных модификаций серы: две кристаллические — моноклинная S₈ (T_пл.= 119,3 °С) и ромбическая S₈ (T_пл.= 112,8 °С), а также пластическая S_∞ (рис. 75). Наиболее устойчива при комнатной температуре ромбическая сера.

Химические свойства. Сера — достаточно активный неметалл. При нагревании легко окисляется кислородом и галогенами, реагирует как окислитель с водородом и металлами (кроме золота и платины):

Сера как восстановитель	Сера как окислитель

Применение кислорода и серы. Наиболее значимые области применения кислорода и серы указаны в таблице 27.

Таблица 27. Области применения кислорода, озона и серы

Кислород нашёл применение в дыхательных аппаратах (рис. 76).

Вопросы, задания, задачи

1. Перечислите наиболее характерные степени окисления:

• а) кислорода;
• б) серы;
• в) селена.

Приведите примеры соответствующих соединений.

2. Назовите аллотропные модификации:

• а) кислорода;
• б) серы.

3. Составьте формулы оксидов и сульфидов лития, магния, алюминия.

4. Рассчитайте массу порции серы количеством 3,5 моль.

5. Заполните таблицу «Кислород и сера в окислительно-восстановительных реакциях», составив уравнения соответствующих реакций.

6. Составьте 10 уравнений возможных реакций между веществами, формулы которых Ba, K, Рt, ZnS, S, H₂, O₂. Укажите при этом степени окисления элементов.

7. Чему равен объём воздуха, необходимый для сжигания:

• а) серы массой 12 г;
• б) бутана объёмом 10 м³ (н. у.)?

8. Рассчитайте объём кислорода, который может быть получен при разложении бертолетовой соли массой 49 г.

9. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

• a) ;
• б) .

10. При нагревании перманганата калия массой 3,16 г получен кислород объёмом 168 см³ (н. у.). Определите массовую долю разложившейся соли.

*Самоконтроль

1. Низшая степень окисления атомов халькогенов равна:

• а) −4;
• б) −2;
• в) +4;
• г) +6.

2. Укажите выражения, характеризующие серу как простое вещество:

• а) при горении серы в кислороде возникает голубое пламя;
• б) на внешнем энергетическом уровне атома серы находится 6 электронов;
• в) сера используется для вулканизации каучука;
• г) сера входит в состав пирита и медного колчедана.

3. С кислородом могут реагировать:

• a) СuS;
• б) С₂Н₆;
• в) Cl₂;
• г) H₂.

4. К халькогенам относятся элементы с конфигурацией внешнего электронного слоя атома:

• а) ns²np²;
• б) 2s²2p⁴;
• в) ns²np⁴;
• г) 4s²4p⁴.

5. Число атомов в порции озона количеством 0,1 моль равно:

• а) 6,02 ∙ 10⁻²²;
• б) 6,02 ∙ 10²²;
• в) 1,204 ∙ 10²³;
• г) 1,806 ∙ 10²³.