§ 32. Элементы VIА-групы. Кісларод і сера

Кісларод і сера як хімічныя элементы

Элементы VIА-групы кісларод ₈О, сера ₁₆S, селен ₃₄Se і тэлур ₅₂Те маюць агульную назву халькагены, што ў перакладзе азначае «якія нараджаюць руду». Сапраўды, пераважная колькасць прыродных мінералаў утрымлівае кісларод або серу, напрыклад магнетыт Fe₃O₄, халькапірыт CuFeS₂.

Як вам вядома, кісларод — самы распаўсюджаны элемент на Зямлі, ён складае 49 % ад масы зямной кары.

Сера — шаснаццаты па распаўсюджанасці элемент, сустракаецца як у выглядзе злучэнняў, так і ў самародным стане (табл. 26).

Табліца 26. Хімічныя элементы халькагены

На знешнім электронным слоі, агульная канфігурацыя якога ns²np⁴, атамы халькагенаў маюць па 6 электронаў, з якіх два няспараныя на р-падузроўні (Дадатак 1):

₈O

₁₆S

З прыведзеных электронных канфігурацый знешняга электроннага слоя атамаў кіслароду, серы вынікае, што найніжэйшая ступень акіслення гэтых халькагенаў –2. Сера праяўляе дадатныя ступені акіслення +4, +6 пры ўзбуджэнні s- і p-электронаў знешняга слоя на d-падузровень. Сера па электраадмоўнасці саступае галагенам (акрамя ёду), азоту і кіслароду. Кісларод, які з’яўляўся другім пасля фтору па электраадмоўнасці, праяўляе дадатную ступень акіслення +2 толькі ў злучэнні са фторам .

Непрыемныя пахі, што адчуваюцца пры гніенні трупаў жывёл, можна растлумачыць вылучэннем злучэнняў серы (меркаптанаў і серавадароду), якія ўтвараюцца пры раскладанні бялкоў.

Кісларод як простае рэчыва

Кісларод існуе ў прыродзе ў выглядзе двух простых рэчываў (алатропных мадыфікацый) малекулярнай будовы — кіслароду О₂ і азону О₃.

У малекуле кіслароду існуе двайная кавалентная непалярная сувязь (мал. 29, 72).

Фізічныя ўласцівасці кіслароду. Кісларод мала раствараецца ў вадзе: пры 20 °С на 1 дм³ вады раствараецца 31 см³ кіслароду. Тым не менш гэтага хапае для дыхання рыб у вадаёмах. Вадкі кісларод — рухомая, злёгку блакітнаватая вадкасць, якая кіпіць пры тэмпературы –183 °С. Цвёрды кісларод уяўляе сабой сінія крышталі, што плавяцца пры яшчэ больш нізкай тэмпературы –219 °С.

Хімічныя ўласцівасці кіслароду. Кісларод ва ўсіх рэакцыях, акрамя ўзаемадзеяння з фторам, праяўляе ўласцівасці акісляльніку. Пры акісленні кіслародам простых і складаных рэчываў утвараюцца, як правіла, аксіды.

1. Кісларод узаемадзейнічае з металамі:

Ён акісляе практычна ўсе металы, акрамя серабра, золата і плаціны. З актыўнымі металамі кісларод можа ўтвараць не толькі аксіды, але і пераксіды (Na₂O₂), надпераксіды (KО₂) або іншыя бінарныя злучэнні.

2. Рэагуючы з неметаламі, кісларод утварае кіслотныя або нясолеўтваральныя аксіды:

З хлорам, бромам і ёдам кісларод не рэагуе.

3. Кісларод акісляе складаныя неарганічныя і арганічныя рэчывы:

Пры гэтым адзначым, што гарэнне вуглевадародаў выкарыстоўваюць як крыніцу цеплавой энергіі:

CH_4(г) + 2O_2(г) = CO_2(г) + 2H_2(г)O_(в) + 891 кДж.

У арганічным сінтэзе кісларод шырока ўжываецца ў рэакцыях каталітычнага акіслення:

Атрыманне кіслароду

У прамысловасці кісларод атрымліваюць раздзяленнем вадкага паветра, невялікія порцыі захоўваюць у балонах блакітнага колеру, а ў лабараторыях — у газаметрах (мал. 73). Найважнейшым лабараторным спосабам яго атрымання служыць раскладанне некаторых кіслародзмяшчальных рэчываў — перманганату калію, берталетавай солі, вады, пераксіду вадароду:

У посуд кісларод збіраюць метадам выцяснення вады ці паветра (мал. 74).

§ 32.1

Азон

Азон — газ з рэзкім пахам, мае бледна-блакітны колер, у вадкім стане — сіні. У працэсе рэакцый азон распадаецца з утварэннем атамарнага кіслароду:

О₃ = О₂ + О,

таму ў параўнанні з кіслародам валодае большай хімічнай актыўнасцю.

У прыродзе азон утвараецца з атмасфернага кіслароду пры навальнічных разрадах, а на вышыні 10–30 км — пад дзеяннем ультрафіялетавага выпраменьвання. Азонавы слой над паверхняй Зямлі затрымлівае караткахвалевае ультрафіялетавае выпраменьванне Сонца, шкоднае для жывых арганізмаў.

Азон утвараецца пры працы лазерных прынтараў, крыніц рэнтгенаўскага і ультрафіялетавага выпраменьвання. Памежна дапушчальная канцэнтрацыя (ПДК) азону ў паветры працоўнай зоны складае 0,1 мг/м³. Характэрны пах азону адчуваецца ўжо пры канцэнтрацыях 0,004–0,010 мг/м³, гэта значыць у шмат разоў ніжэйшых за гігіенічны нарматыў, што важна для персаналу, які працуе з азонам.

Ваду абеззаражваюць хлараваннем або азанаваннем. Азанаванне вады больш бяспечнае для чалавечага арганізма, чым хлараванне.

Сера

Састаў і будова малекулы серы. Малекулы крышталічнай серы маюць форму замкнёных цыклаў. Калі расплаўленую серу выліць у шклянку з халоднай вадой (хутка астудзіць), то ўтворыцца пластычная сера. Яе малекулы ўяўляюць сабой доўгія ланцугі (мал. 75). Пластычная сера няўстойлівая і ўжо праз некалькі гадзін пасля атрымання ператвараецца ў жоўтыя крышталі рамбічнай серы як найбольш устойлівай з алатропных мадыфікацый.

Вядома некалькі алатропных мадыфікацый серы: дзве крышталічныя — монаклінная S₈ (T_пл.= 119,3 °С) і рамбічная S₈ (T_пл.= 112,8 °С), а таксама пластычная S_∞ (мал. 75). Найбольш устойлівая пры пакаёвай тэмпературы рамбічная сера.

Хімічныя ўласцівасці. Сера — дастаткова актыўны неметал. Пры награванні лёгка акісляецца кіслародам і галагенамі, рэагуе як акісляльнік з вадародам і металамі (акрамя золата і плаціны):

Сера як адноўнік	Сера як акісляльнік

Прымяненне кіслароду і серы. Найбольш значныя сферы ўжывання кіслароду і серы паказаны ў табліцы 27.

Табліца 27. Сферы ўжывання кіслароду, азону і серы

Кісларод знайшоў ужыванне ў дыхальных апаратах (мал. 76).

Пытанні, заданні, задачы

1. Пералічыце найбольш характэрныя ступені акіслення:

• а) кіслароду;
• б) серы;
• в) селену.

Прывядзіце прыклады адпаведных злучэнняў.

2. Назавіце алатропныя мадыфікацыі:

• а) кіслароду;
• б) серы.

3. Складзіце формулы аксідаў і сульфідаў літыю, магнію, алюмінію.

4. Разлічыце масу порцыі серы колькасцю 3,5 моль.

5. Запоўніце табліцу «Кісларод і сера ў акісляльна-аднаўленчых рэакцыях», склаўшы ўраўненні адпаведных рэакцый.

6. Складзіце 10 ураўненняў магчымых рэакцый паміж рэчывамі, формулы якіх Ba, K, Рt, ZnS, S, H₂, O₂. Пакажыце пры гэтым ступені акіслення элементаў.

7. Чаму роўны аб’ём паветра, неабходны для спальвання:

• а) серы масай 12 г;
• б) бутану аб’ёмам 10 м³ (н. у.)?

8. Разлічыце аб’ём кіслароду, які можа быць атрыманы пры раскладанні берталетавай солі масай 49 г.

9. Складзіце ўраўненні рэакцый паводле схемы:

• a) ;
• б) .

10. Пры награванні перманганату калію масай 3,16 г атрыманы кісларод аб’ёмам 168 см³ (н. у.). Вызначце масавую долю солі, якая расклалася.

*Самакантроль

1. Найніжэйшая ступень акіслення атамаў халькагенаў роўная:

• а) −4;
• б) −2;
• в) +4;
• г) +6.

2. Укажыце выразы, якія характарызуюць серу як простае рэчыва:

• а) пры гарэнні серы ў кіслародзе ўзнікае блакітнае полымя;
• б) на знешнім энергетычным узроўні атама серы знаходзіцца 6 электронаў;
• в) сера выкарыстоўваецца для вулканізацыі каўчуку;
• г) сера ўваходзіць у састаў пірыту і меднага калчадану.

3. З кіслародам могуць рэагаваць:

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

4. Да халькагенаў адносяцца элементы з канфігурацыяй знешняга электроннага слоя атама:

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

5. Лік атамаў у порцыі азону колькасцю 0,1 моль роўны:

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