Кислород. Его свойства и применение

Если посмотреть на таблицу периодической системы Д.И. Менделеева и взглянуть на группу VI, то можно увидеть, что в ней находятся  элементы, атомы которых имеют 6 валентных электронов и высшая степень окисления их в соединениях +6. VI группа разделена на две подгруппы – главную и побочную. В главную входят элементы малых и больших периодов: O (кислород), S (сера), Se (селен), Te (теллур), Po (полоний); в побочную – элементы только больших периодов: Cr (хром), Mo (молибден), W (вольфрам). Подобное распределение свидетельствует о том, что внутри даже одной группы есть элементы, более близкие по своим свойствам друг другу и менее сходные.

Действительно, в главной подгруппе имеются элементы, имеющие в основном неметаллический характер. Сильнее всего эти свойства проявляются у кислорода и серы. Селен и теллур занимают промежуточное положение между металлами и неметаллами. По химическим свойствам они стоят ближе к неметаллам. У полония, наиболее тяжелого элемента подгруппы, радиоактивного и сравнительно коротко живущего, металлический характер выражен более ярко, но по отдельным свойствам он близок теллуру. В соответствии с этим при переходе от кислорода к полонию наблюдается большое разнообразие в структурных типах кристаллических решеток, как у простых веществ, так и у их соединений.

Кислород, серу, селен и теллур объединяют в группу «халькогенов», что в переводе греческого означает «порождающие руды». Эти элементы входят в состав многих руд. Так, большинство металлов в природе находится в связанном состоянии в виде сульфидов, оксидов, селенидов и т.д. Например, важнейшими рудами железа и меди являются красный железняк Fe2O3 , магнитный железняк Fe3O4, пирит FeS2, красная магнитная руда Cu2O, медный блеск Cu2S. В составе всех приведенных руд содержатся элементы VI группы.

Побочную подгруппу составляют металлы: хром, молибден и вольфрам. По большинству физических и химических свойств молибден и вольфрам схожи между собой и несколько отличаются от хрома. 

II. Характеристика элементов VI подгруппы.

Химические свойства элементов определяются, прежде всего, строением наружных электронных слоев (энергетических уровней). На приведенной схеме (рис.1) показано последовательное заполнение электронами слоев атомов элементов VI группы.

Максимально возможное число электронов в слоях (Z) определяется по формуле: Z=2n2 , где n – номер слоя.

Согласно этой зависимости число электронов должно быть равно: в первом слое – 2, во втором – 8, в третьем – 18, в четвертом – 32 и т.д. Однако больше чем 32 электрона в слое атомов каких-либо ныне известных элементов не обнаружено.

 O                                                      Cr

 +8    2 6                                                    1 13 8 2   +24                                                                                                                                                                                                                                 

S                                                       Mo      

+16   2 8 6                                                 1 13 18 8 2   +42  

Se                                                     W                                 

+34   2 8 18 6                                            2 12 32 18 8 2   +74 

Te

+52   2 8 18 18 6

Po

+84   2 8 18 32 18 6

Рис. 1. Схема строения атомов элементов VI группы.

Электронное строение атомов элементов VI группы может быть представлено следующим образом (табл. 1).                                                                                   

Таблица 1

Электронные конфигурации атомов элементов VI группы

  8O     1s2 2s2 2p4

16S      1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

34Se    1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p4

52Te    1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p4

84Po    1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d10 6s2 6p4

24Cr    1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s1

42Mo   1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d5 5s1

74W     1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d4 6s2

Если присмотреться к изображенным структурам, то можно заметить, что сумма электронов двух последних подуровней в атомах всех указанных элементов равна 6. В этом – причина общности химических свойств. Но видна и большая разница в электронных конфигурациях между атомами элементов главной и побочной подгрупп.

Атомы элементов главной подгруппы на наружном электронном слое имеют одинаковое число электронов – 6. Последние расположены на s- и р- подуровнях (s2 p4) и принимают участие в образовании химических связей.

Элементы, в атомах которых заполняется электронами р- подуровень наружного слоя, называются р- элементами. Такими являются кислород, сера, теллур, селен и полоний: в их атомах заполнен s- подуровень и заполняется электронами р- подуровень наружного слоя. Для атомов этих элементов специфична тенденция к притяжению дополнительных (двух), по сравнению с нейтральными атомами, электронов. Проявляется она в их соединениях с неметаллами (CuS, Na2S, K2Te) и в существовании отрицательных ионов в расплавах солей наиболее активных металлов (S2-, Se2-, Te2-). 

Следует заметить, что у атомов теллура и полония не достроен предпоследний слой в отличие от кислорода, серы и селена, где он полностью заполнен. Но несмотря на общность свойств р- элементов VI группы, имеются и некоторые различия между ними.

Атомы хрома, молибдена имеют по 1 электрону в наружном электронном слое и по 13 электронном - в предпоследнем. У атомов вольфрама число электронов в наружном слое увеличивается до 2, а в предпоследнем уменьшается до 12. Элементы, в атомах которых заполняется электронами d- подуровень слоя, соседнего с наружным слоем, называются d- элементами. Такими являются хром, молибден и вольфрам.

Следовательно, наружный слой элементов побочной подгруппы (d- элементов) представлен только s- подуровнем и в образовании химической связи, кроме 1-2 электронов с этого подуровня, участвует некоторое число электронов с d- подуровня предпоследнего слоя. Эти различия сказываются на химических свойствах d- элементов. Прежде всего, это – металлы. Их специфические свойства связаны с небольшим числом наружных электронов в атомах. При определенных условиях, например в водных растворах кислот, 2 или 3 электрона полностью переходят к другим атомам, и атомы металла превращаются соответственно в двух- или трехзарядовые гидратированные катионы. Способность атомов металлов частично или полностью смещать свои электроны к другим атомам обуславливает образование прочных соединений с неметаллами, вытеснение водорода из кислот, основной характер оксидов и гидроксидов и т.д.

Итак, число и состояние электронов на наружных уровнях атома – один из важнейших признаков химической природы. Однако химическая индивидуальность отдельных элементов – их металлическая и неметаллическая активность – определяется не только наружными электронными структурами атомов, но и строением их атомов в целом: зарядом ядра, количеством и состоянием электронов в отдельных слоях, радиусами атомов.

Количественная характеристика химических свойств элементов определяется строением наружного электронного слоя, в состав которого могут входить электроны одного слоя разных подуровней или иногда и смежных подуровней двух соседних слоев (например, у элементов побочных подгрупп).

В атоме кислорода два не спаренных р- электрона из четырех, и поэтому для образования двух электронных пар при взаимодействии с тем или иным атомом не требуется энергии возбуждения (a). Ячейки соответствует определенным состояниям (орбиталям) электронов на каждом подуровнем; подуровни характеризуются разной формой электронных облаков. Электроны на схеме показаны стрелками. Во всех соединениях для кислорода типична степень окисления –2, исключение составляют O+2F2 и O+4O2 (озон).

У аналогов кислорода (сера, селен, теллур и полоний) положение совсем иное. Например, в наружном электронном слое атома серы также находятся 6 электронов, но в отличие от кислорода там может быть 18, т.е. имеются вакантные места (б). Следовательно, чтобы сера вступила в реакцию, приобрела в соединениях степень окисления +4 или +6, нужно небольшое возбуждение атома, т.к. электроны переводятся на d- подуровень того же энергетического слоя, что несомненно требует определенных затрат энергии (в и г).    

То же объяснение можно применить к селену, теллуру, полонию и металлам подгруппы хрома. Эти элементы могут проявлять различную степень окисления: от —2 до +6.

Таблица 2

Возможные степени окисления атомов элементов VI группы