Материал: 5 и 6 группы

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам
background image

56 

 

Таблица

 6  

Свойства

 

элементов

 VIA 

группы

 [1] 

Свойство

 O 

S 

Se Te  Po 

Заряд

 

ядра

 Z 

8 

16 

34 

52 

84 

Электронная

  

конфигурация

  

в

 

основ

 

ном

 

состоянии

[He]2

s

2

2p

4 

 

[Ne]3s

2 

3p

4

 

 

[Ar]3d

10

4s

2 

4p

4 

 

[Kr]4d

10

5s

2

5p

4

 

 

[Xe]4f

14

5d

10 

6s

2

6p

4

 

Число

 

стабильных

  

изотопов

 

3 4  6 

8 

0 

Энергия

 

ионизации

 

I

1

, 

кДж

/

моль

:

 

1313,

9 

999,6 940,9 

869,3 

812,0 

Энергия

 

сродства

 

 

к

 

электрону

, 

кДж

/

моль

 

141 200  195 

190 

183 

Электроотрицатель

-

ность

: 

По

 

Полингу

 

По

 

Оллреду

-

Рохову

 

 
 

3,44 
3,50 

 
 

2,58 
2,44 

 
 

2,55 
2,48 

 
 

2,10 
2,01 

 
 

2,00 
1,76 

Ковалентный

  

радиус

, 

нм

 

0,074 0,104  0,140 

0,160 

0,164 

 

3.1. 

Простые

 

вещества

 

 

3.1.1. 

Физические

 

свойства

 

Кислород

 

−

 

бесцветный

 

газ

, 

не

 

имеющий

 

вкуса

 

и

 

запаха

. 

Растворимость

 

в

 

воде

 

−

 3,08 

см

3 

на

 100 

мл

 

воды

 

при

 20 

о

С

. 

Растворимость

 

в

 

органических

 

растворителях

 

на

 

порядок

 

выше

, 

для

 

диэтилового

 

эфира

 

−

 

45,0 

см

3

 

на

 100 

мл

 

при

 25 

о

С

, 30,2 

см

3

 

для

 CCl

4

, 22,3 

см

3

 

для

 

бензола

. 

Жидкий

 

кислород

 (t

кип

 =  

−

182,98 °C) 

−

 

это

 

бледно

-

голубая

 

жидкость

. 

Твердый

 

кислород

 (t

пл

 = 

−

218,79 °C) 

−

 

синие

 

кристаллы

. 

Известны

 

шесть

 

кристаллических

 

фаз

, 

из

 

которых

 

три

 

существуют

 

при

 

давлении

 

в

 1 

атм

: 

α

-

О

2

 

−

 

существует

 

при

 

температуре

 

ниже

 23,65 

К

; 

ярко

-

синие

 

кристаллы

 

относятся

 

к

 

моноклинной

 

сингонии

. 

β

-

О

2

 

−

 

существует

 

в

 

интервале

 

температур

 

от

 23,65 

до

 43,65 

К

; 

бледно

-

синие

 

кристаллы

  (

при

 

повышении

 

давления

 

цвет

 

переходит

 

в

 

розовый

) 

имеют

 

ромбоэдрическую

 

решётку

. 

γ

-

О

2

 

−

 

существует

 

при

 

температурах

 

от

 43,65 

до

 54,21 

К

; 

бледно

-

синие

 

кристаллы

 

имеют

 

кубическую

 

симметрию

. 

Еще

 

три

 

фазы

 

образуются

 

при

 

высоких

 

давлениях

: 

δ

-

О

2

 

интервал

 

температур

 20–240 

К

 

и

 

давление

 6–8 

ГПа

, 

оранжевые

 

кристаллы

; 

ε

-

О

2

 

давление

 

от

 10 

и

 

до

 96 

ГПа

, 

цвет

 

кристаллов

 

от

 

темно

-

красного

 

до

 

черного

, 

моноклинная

 

сингония

; 

background image

57 

 

ζ

-

О

2

 

давление

 

более

 96 

ГПа

, 

металлическое

 

состояние

 

с

 

характерным

 

металлическим

 

блеском

, 

при

 

низких

 

температурах

 

переходит

 

в

 

сверхпроводящее

 

состояние

. 

Электроотрицательность

 

кислорода

 

−

 3,5, 

она

 

уступает

 

только

 

электроотрицательности

 

фтора

. 

Озон

  O

3 

– 

это

 

нестабильный

 

диамагнитный

 

газ

 

синего

 

цвета

 

с

 

харак

-

терным

 

острым

 

запахом

. 

Молекула

  O

3

 

имеет

 

угловую

 

форму

, 

как

 

и

 

изоэ

-

лектронные

 

частицы

 ONCl 

и

 ON

О

–

 

(

рис

. 13). 

Озон

 

конденсируется

 

в

 

виде

 

темно

-

синей

 

жидкости

 (

т

. 

кип

. –111,9 °

С

) 

и

 

затвердевает

 

в

 

виде

 

фиолетово

-

черных

 

кристаллов

 (

т

. 

пл

. –192,5 °

С

). 

Как

 

твердый

, 

так

 

и

 

жидкий

 

озон

 

взрываются

 

из

-

за

 

разложения

 

до

 

газообразного

 

кислорода

. 

Газообразный

 

озон

 

также

 

термодинамически

 

неустойчив

 

по

 

отношению

 

к

 

разложению

 

до

 

дикислорода

, 

однако

 

он

 

разлагается

 

даже

 

при

 200 °

С

 

весьма

 

медленно

, 

если

 

отсутствуют

 

катализаторы

 

и

 

ультрафиолетовое

 

облучение

. 

Аллотропия

 

серы

 

более

 

обширна

 

и

 

сложна

, 

чем

 

у

 

любого

 

другого

 

элемента

  (

за

 

исключением

, 

пожалуй

, 

углерода

 

после

 

синтеза

 

бесчисленных

 

фуллереновых

 

кластеров

). 

Это

 

обусловлено

 

как

 

большим

 

разнообразием

 

молекулярных

 

форм

, 

существующих

 

благодаря

 

способности

 

серы

 

образовывать

 

цепи

 –S–S–, 

так

 

и

 

многочисленными

 

вариантами

 

расположения

 

этих

 

молекул

 

внутри

 

кристалла

. 

Связи

 S–S 

очень

 

разнообразны

 

и

 

подвижны

: 

межатомное

 

расстояние

 

может

 

меняться

 

в

 

широком

 

диапазоне

 (0,180–

0,260 

нм

) 

в

 

зависимости

 

от

 

числа

 

и

 

кратности

 

связей

, 

в

 

то

 

время

 

как

 

валентные

 

углы

 S–S–S 

меняются

 

от

 90° 

до

 180°, 

а

 

диэдральные

  (

двугранные

) 

углы

 S–S–S–S 

от

 0° 

до

 180° (

рис

. 14). 

Ромбическая

 

и

 

моноклинная

 

моди

-

фикации

 

серы

 

построены

 

из

 

цикли

-

ческих

 

молекул

  S

8

  (

рис

. 15), 

которые

 

имеют

 

форму

 

короны

. 

Длины

 

всех

 

связей

 S–S 

которой

 

равны

 0,206 

нм

 

и

 

углы

 –S–S–S– 

близки

 

к

 

тетраэдрическим

 

(108°). 

 

Рис

. 13. 

Структура

 

молекулы

 

О

3 

 

Рис

. 14. 

Участок

 

бесконечной

 

цепи

 S

n

, 

показывающий

 

типичные

 

значения

 

валентного

 

угла

 S–S–S 

(106

o

) 

и

 

диэдрального

 

угла

 S–S–S–S 

(83,5

o

) [3] 

background image

58 

 

 

Устойчивая

 

при

 

комнатной

 

темпе

-

ратуре

 

ромбическая

 

сера

 

представляет

 

собой

 

легкоплавкий

 

светло

-

желтый

 

порошок

 

плотностью

 2,07 

г

/

см

3

. 

Он

 

нерастворим

 

в

 

воде

 

и

 

не

 

смачивается

 

водой

, 

плавая

 

по

 

ее

 

поверхности

. 

Сера

 

хорошо

 

растворима

 

в

 

жидком

 

аммиаке

, 

а

 

также

 

в

 

некоторых

 

органических

 

раст

-

ворителях

. 

При

 

охлаждении

 

до

 –50 °

С

 

ромбическая

 

сера

 

обесцвечи

-

вается

. 

При

 

охлаждении

 

расплавленной

 

серы

 

образуются

 

длинные

 

светло

-

жел

-

тые

 

иглы

 

моноклинной

 

модификации

 

(

плотность

 1,96 

г

/

см

3

). 

При

 

комнатной

 

температуре

 

они

 

неустойчивы

: 

иглы

, 

хотя

 

и

 

сохраняют

 

прежнюю

 

форму

, 

теряют

 

прозрачность

 

и

 

блеск

, 

пре

-

вращаясь

 

в

 

конгломерат

 

мелких

 

крис

-

таллов

 

ромбической

 

серы

. 

При

 

закалке

, 

т

. 

е

. 

быстром

 

охлаж

-

дении

 

расплавленной

 

серы

, 

предвари

-

тельно

 

нагретой

 

до

 

температуры

 

кипе

-

ния

, 

образуется

 

метастабильная

 

пласти

-

ческая

 

модификация

, 

образованная

 

спиральными

 

цепями

 

из

 

атомов

 S 

(

рис

. 16). 

В

 

пластической

 

сере

 

эти

 

цепочки

 

большей

 

частью

 

скручены

 

и

 

вытянуты

 

в

 

одном

 

направлении

. 

Тон

-

кие

 

нити

, 

полученные

 

при

 

выливании

 

кипящего

 

расплава

 

в

 

холодную

 

воду

, 

удается

 

растянуть

 

в

 15 

раз

. 

Со

 

време

-

нем

 

эта

 

модификация

 

постепенно

 

пере

-

ходит

 

обратно

 

в

 

ромбическую

 

серу

. 

Помимо

 

циклических

 

молекул

 S8 

известно

 

большое

 

количество

 

модифи

-

каций

  S

n

 

с

 

размером

 

цикла

 n = 6 – 20. 

Например

, 

в

 

растворах

 

ромбической

 

серы

 

в

 

полярных

 

растворителях

  (

мета

-

ноле

, 

ацетонитриле

) 

присутствует

 

примерно

 1 % 

серы

 S

7

 (

рис

. 17). 

Общим

 

методом

 

синтеза

 

цикла

 

размером

 (

х

 + 

у

)

служит

 

взаимодействие

 

сульфана

 

H

2

S

x

 

с

 

хлоридом

 S

y

Cl

2

, 

например

: 

 

Рис

. 15. 

Строение

 

молекулы

 S8:  

а

 – 

вид

 

сбоку

; 

б

 – 

вид

 

сверху

;  

в

 – 

форма

 

кристаллов

 

ромбической

 

серы

;  

г

 – 

форма

 

кристаллов

 

моноклинной

 

серы

 [1] 

 

Рис

. 16. 

Строение

 

левых

 

и

 

правых

 

спиралей

 S

∞

 

[3]

 

background image

59 

 

H

2

S

8

 + S

4

Cl

12

 = S

12

 + 2

НС

1 

Полиморфизм

 

селена

 

и

 

теллура

 

связан

 

с

 

многообразием

 

способов

 

упаковки

 

молекулярных

 

цепей

 

и

 

циклов

 

в

 

кристаллах

. 

Красные

 

моноклинные

 

модификации

 

селена

  (

α

, 

β

, 

γ

), 

образующиеся

 

при

 

кристаллизации

 

растворов

 

селена

 

в

 

сероуглероде

, 

состоят

 

из

 

циклических

 

гофрированных

 

молекул

 Se

8

, 

похожих

 

на

 S

8

, 

и

 

не

 

проводят

 

электрический

 

ток

. 

Аморфный

 

красный

 

селен

 

осаждается

 

из

 

водных

 

растворов

 

его

 

соединений

 

действием

 SO

2

 

и

 

других

 

восстановителей

. 

 

Рис

. 17. 

Молекулярная

 

структура

 

цикло

-S

n

: 

а

) S

7

, 

б

) S

12

, 

в

) S

18

, 

г

) S

20

 [3]

 

 

Наиболее

 

термодинамически

 

устойчива

 

серая

 

гексагональная

 

(

элементарный

 

объем

 

представляет

 

собой

 

ортогональную

 

призму

 

с

 

основаниями

 

в

 

виде

 

правильных

 

шестиугольников

) 

модификация

 

селена

  

обладающая

 

металлическим

 

блеском

  (

t

пл

 = 220 °

С

). 

Она

 

образуется

 

при

 

нагревании

 

всех

 

остальных

 

модификаций

. 

Серый

 

селен

 

состоит

 

из

 

неразветвленных

 

спиральных

 

полимерных

 

цепей

 Se

n

, 

в

 

которых

 

каждый

 

атом

 

селена

 

соединен

 

ковалентными

 

связями

 

с

 

двумя

 

ближайшими

 

соседями

. 

Для

 

теллура

 

существует

 

только

 

одна

 

гексагональная

 

модификация

, 

аналогичная

 

гексагональной

 

модификации

 

селена

 

и

 

также

 

состоящая

 

из

 

бесконечных

 

параллельных

 

спиральных

 

цепей

. 

Отдельных

 

молекул

 

свободный

 

теллур

 

не

 

образует

. 

Между

 

цепями

 

действуют

 

слабые

 

background image

60 

 

межмолекулярные

 

силы

, 

поэтому

 

Те

, 

как

 

и

 Se, 

плавится

 

при

 

сравнительно

 

низких

 

температурах

. 

 

3.1.2. 

Нахождение

 

в

 

природе

 

и

 

получение

 

Основным

 

источником

 

кислорода

 

в

 

виде

 

простого

 

вещества

 (

О

2

 

и

 

О

3

) 

служит

 

прежде

 

всего

 

атмосфера

 

Земли

, 

значительное

 

его

 

количество

 

растворено

 

в

 

гидросфере

. 

Помимо

 

этого

 

кислород

 

присутствует

 

в

 

земной

 

коре

 

в

 

виде

 

различных

 

соединений

, 

составляя

 45,5 

мас

. % 

земной

 

коры

. 

В

 

промышленности

 

кислород

 

получают

 

из

 

воздуха

 

путем

 

криогенной

 

ректификации

. 

Выбор

 

лабораторного

 

способа

 

получения

 

кислорода

 

зависит

 

от

 

необходимого

 

количества

 

газа

 

и

 

его

 

чистоты

. 

Многие

 

соли

 

оксокислот

 

при

 

нагревании

 

разлагаются

 

с

 

выделением

 

кислорода

, 

например

, 

хлорат

 

калия

 KClO

3

 (

бертолетова

 

соль

): 

2KClO

3 

→

 2KCl + 3O

2

. 

Наиболее

 

часто

 

применяется

 

термическое

 

разложение

 

перманганата

 

калия

 KMnO

4

: 

2KMnO

4

 

→

 K

2

MnO

4

 + MnO

2

 + O

2

↑

. 

Так

 

же

 

часто

 

используется

 

каталитическое

 

разложение

 

пероксида

 

водорода

 

в

 

присутствии

 

оксида

 

марганца

 (IV): 

2H

2

O

2

 

→

 2H

2

O + O

2

↑

. 

Озон

 

образуется

 

при

 

действии

 

на

 

кислород

 

электрического

 

разряда

 

или

 

ультрафиолетового

 

излучения

. 

Их

 

разделяют

 

фракционной

 

перегонкой

 

сжиженной

 

смеси

  O

3

 – O

2

. 

В

 

лаборатории

 

смесь

 

озона

 

с

 

кислородом

 (5–15% O

3

) 

получают

 

при

 

тихом

 

разряде

 

переменного

 

тока

 

высокого

 

напряжения

 (8000 

В

) 

или

 

при

 

электролизе

 

эвтектической

 

смеси

 

хлорной

 

кислоты

 HClO

4

, 

перхлората

 

магния

 Mg(ClO

4

)

2

 

и

 

воды

 

при

 –50 °

С

 

(>20 % O

3

). 

В

 

атмосфере

 

озон

 

образуется

 

из

 

кислорода

 

под

 

действием

 

солнечного

 

ультрафиолетового

 

излучения

, 

на

 

высоте

 15–25 

км

 

его

 

концентрация

 

достигает

 27 

масс

. %. 

Озоновый

 

слой

 

защищает

 

живые

 

организмы

 

от

 

действия

 

жесткого

 

ультрафиолетового

 

излучения

. 

Содержание

 

серы

 

в

 

земной

 

коре

 

составляет

 0,0340 %, 

главным

 

образом

 

в

 

виде

 

соединений

. 

Она

 

занимает

 

шестнадцатое

 

место

 

по

 

распространенности

 

среди

 

химических

 

элементов

 

вслед

 

за

 

барием

 (0,0390 %) 

и

 

стронцием

 

(0,0384 %); 

содержание

 

серы

 

в

 

земной

 

коре

 

примерно

 

вдвое

 

выше

, 

чем

 

у

 

следующего

 

за

 

нею

 

углерода

 (0,0180 %). 

Три

 

наиболее

 

важных

 

промышленных

 

источника

 

серы

. 

1. 

Элементарная

 

сера

 (

простое

 

вещество

) 

на

 

шапках

 

соляных

 

куполов

 

в

 

США

 

и

 

Мексике

 

и

 

осажденные

 

эвапоритовые

 

отложения

 

на

 

юго

-

востоке

 

Польши

. 

2. H

2

S 

в

 

природном

 

газе

 

и

 

сырой

 

нефти

, 

серосодержащие

 

органические

 

соединения

 

нефтьсодержащих

 

сланцев

 

и

 

угля

. 

Добыча

 

серы

 

из

 

природного

 

газа

 

начинается

 

с

 

отделения

 

сероводорода

 

абсорбцией

 

в

 

моноэтаноламине

. 

Затем

 

третья

 

часть

 

сероводорода

 

сжигается

 

для

 

получе

-

Источник: https://files.student-it.ru/previewfile/15400