Общая характеристика. Основные характеристики халькогенов Основные характеристики халькогенов
В 1817 г. Берцеллиус открыл в шламе свинцовых камер сернокислотного завода элемент, близкий по свойствам к теллуру. Он был назван по греческому названию луны - селеном.
Селен и теллур - элементы VI группы периодической системы. По химическим свойствам они близки к сере, но отличаются от нее, в особенности теллур, отчетливо выраженными металлическими свойствами. Подобно сере сетей и теллур оpразуют аморфную и кристаллические формы.
Известны две кристаллические модификации селена. Наиболее устойчив серый или металлический селен, имеющий гексагональную структуру (а = 4,354 А, с = 4,949 А). Он получается при медленном охлаждении расплавленного селена. При осаждении селена из растворов или быстром охлаждении паров селен получается в виде рыхлого красного порошка Красный селен имеет моноклинную кристаллическую структуру. При нагревании до 120° красный селен переходит в серый.
Стекловидный селен получается при быстром охлаждении расплавленного селена в виде хрупкой серовато-свинцовой массы. При температуре около 50° стекловидный селен начинает размягчаться, при более высокой температуре он переходит в кристаллический серый селен.
Кристаллический теллур получается при конденсации паров теллура. Он обладает серебристо-белым цветом. Известны две модификации теллура - α- и β-теллур, Гексагональная α-модификация изоморфна серому селену (а = 4,445 А, с = 5,91 А). Точка перехода α⇔β-теллур 354°. Из водных растворов восстановители осаждают коричневый порошок аморфного теллура.
Физические свойства селена и теллура
Селен является типичным полупроводником. При комнатной температуре он плохо проводит электрический ток. Электропроводность селена сильно зависит от интенсивности освещения. На свету электропроводность в 1000 раз выше, чем в темноте. Наибольшее действие оказывают лучи с длиной волны около 700 мл.
Теллур обладает более высокой электропроводностью, чем селен, причем электросопротивление сильно возрастает при высоких давлениях.
Оба элемента хрупки при обычной температуре, но при нагревании поддаются пластической деформации.
При обычной температуре селен и теллур не реагируют с кислородом. При нагревании на воздухе они окисляются с воспламенением, образуя SeO2 и TeO2. Селен горит синим пламенем, теллур - синим пламенем с зеленоватой каемкой. Горение селена сопровождается характерным запахом («запах гнилой редьки»).
Вода и неокисляющие кислоты (разбавленная серчая и соляная кислоты) не действуют на селен и теллур. Элементы растворяются в концентрированной серной кислоте, азотной кислоте, а также в горячих концентрированных растворах щелочей.
Важным свойством селена и теллура, которое используют в технологии их получения, является их способность растворяться в сернистых щелочах с образованием полисульфидов, которые легко разлагаются кислотами с выделением соответственно селена и теллура.
Селен растворяется в растворах сульфита натрия с образованием соединения типа тиосульфата Na2SeSO3, которое разлагается при подкислении с выделением элементарного селена.
Co всеми галогенами селен и теллур реагируют при обычной температуре. С металлами они образуют селениды и теллуриды, аналогичные сульфидам (например, Na2Se, Ag2Se и др.). Подобно сере, селен и теллур образуют газообразные селеноводород (H2Se) и теллурводород (H2Te), получающиеся при действии кислот на селениды и теллуриды.
Непосредственно элементарный теллур не соединяется с водородом, а селен вступает в реакцию с водородом при темпера туре выше 400°.
17.12.2019
Серия Far Cry продолжает радовать своих игроков стабильностью. За столько времени становится понятно, чем нужно заниматься в этой игре. Охота, выживание, захват...
16.12.2019
Создавая дизайн жилого помещения, особое внимание следует уделить интерьеру гостиной - именно она станет центром вашей “вселенной”....
15.12.2019
Невозможно представить себе строительство дома без использования строительных лесов. В прочих сферах хозяйственной деятельности такие конструкции также используются. С...
14.12.2019
В качестве способа неразъемного соединения изделий из металлов сварка появилась немногим более века назад. При этом невозможно в данный момент переоценить ее значение. В...
14.12.2019
Оптимизация пространства вокруг является крайне важной как для мелких, так и для крупных складских помещений. Это существенно упрощает выполнение работ и оказывает...
13.12.2019
Металлочерепица – металлический материал для покрытия кровли. Полимерными материалами и цинком покрыта поверхность листов. Натуральную черепицу имитирует материал...
13.12.2019
Испытательное оборудование получило широкое применение в разных сферах. Его качество должно быть безупречным. Чтобы достичь такой цели, устройства оснащаются...
13.12.2019
Французский стиль в интерьере стал популярным в последнее время среди любителей, изысканных и в то же время простых решений....
13.12.2019
Художественная ковка является ремеслом, которое требует от мастера особых навыков и умений, а также усидчивости и таланта. Во все эпохи компоненты украшения здания,...
Химия Элементов Неметаллы VIА-подгруппы
Элементы VIА-подгруппы являются неметаллами, кроме Po.
Кислород сильно отличается от других элементов подгруппы и играет особую роль в химии. Поэтому химия кислорода выделена в отдельную лекцию.
Среди остальных элементов наибольшее значение имеет сера. Химия серы очень обширна, так как сера образует огромное количество разнообразных соединений. Ее соединения широко используются в химической практике и в различных отраслях промышленности. При обсуждении неметаллов VIА–подгруппы наибольшее внимание будет уделено химии серы.
Основные вопросы, рассматриваемые в лекции
Общая характеристика неметаллов VIА-подгруппы. Природные соединения Сера
Простое вещество Соединения серы
Сероводород, сульфиды, полисульфиды
Диоксид серы. Сульфиты
Триоксид серы
Серная кислота. Окислительные свойства. Сульфаты
Другие соединения серы
Селен, теллур
Простые вещества Соединения селена и теллура
Селениды и теллуриды
Соединения Se и Te в степени окисления (+4)
Селеновая и теллуровая кислоты. Окислительные свойства.
Элементы VIA-подгруппы |
|||||||||
Общая характеристика |
|||||||||
К VIA-подгруппе принадлежат р-элементы : кисло- |
|||||||||
род O , сера S , селен Se , теллур Te , полоний Po . |
|||||||||
Общая формула валентных элек- |
|||||||||
тронов – ns 2 np 4 . |
|||||||||
кислород |
|||||||||
Кислород, сера, селен и теллур – неметаллы. |
|||||||||
Их часто объединяют общим названием «халькогены» , |
|||||||||
что означает «образующие руды». Действительно многие |
|||||||||
металлы находятся в природе в виде оксидов и сульфидов; |
|||||||||
в сульфидных рудах |
в незначительных количествах при- |
||||||||
сутствуют селениды и теллуриды. |
|||||||||
Полоний – очень редкий радиоактивный элемент, ко- |
|||||||||
торый является металлом. |
|||||||||
молибден |
|||||||||
Для создания устойчивой восьмиэлектронной обо- |
|||||||||
лочки атомам халькогенов не хватает всего двух электро- |
|||||||||
нов. Минимальная степень окисления (–2) является ус- |
|||||||||
вольфрам |
тойчивой у всех элементов . Именно эту степень окисле- |
||||||||
ния элементы проявляют в природных соединениях – ок- |
|||||||||
сидах, сульфидах, селенидах и теллуридах. |
|||||||||
Все элементы VIA-подгруппе, кроме О, проявляют |
|||||||||
сиборгий |
положительные степени окисления +6 и +4. Наиболь- |
||||||||
шая степень окисления кислорода равна +2, проявляет- |
|||||||||
ся только в соединениях с F. |
|||||||||
Наиболее характерными степенями окисления для S, Se, Te являют-
ся: (–2), 0, +4, +6, для кислорода: (–2), (–1), 0.
При переходе от S к Te устойчивость высшей степени окисления +6
понижается, а устойчивость степени окисления +4 усиливается.
У Se, Te, Po, – наиболее устойчивой является степень окисления +4.
Некоторые характеристики атомов элементов ViБ – подгруппы
Относительная |
Первая энергия |
|||
электроотри- |
ионизации, |
|||
цательность |
кДж./моль |
|||
(по Поллингу) |
||||
увеличение числа элек- |
||||
тронных слоев; |
||||
увеличение размера атома; |
||||
уменьшение энергии ио- |
||||
уменьшение электроотри- |
||||
цательности |
Как видно из приведенных выше данных, кислород сильно отличается от других элементов подгруппы высоким значением энергии ионизации, ма-
лым орбитальным радиусом атома и высокой электроотрицательностью, более высокую электроотрицательность имеет только F.
Кислород, играющий в химии совершенно особую роль, рассмотрен от-
дельно. Среди остальных элементов VIА-группы наиболее важным является сера.
Сера образует очень большое количество разнооб- |
|||
разных соединений. Известны ее соединения почти со все- |
|||
ми элементами, кроме Au, Pt, I и благородных газов. Кро- |
|||
ме широко распространенных соединений S в степенях |
|||
3s2 3p4 |
|||
окисления (–2), +4, +6, известны, как правило, малоус- |
|||
тойчивые соединения в степенях окисления: +1 (S2 O), +2 |
|||
(SF2 , SCl2 ), +3 (S2 O3 , H2 S2 O4 ). Многообразие соединений серы подтверждает и тот факт, что только кислородсодержащих кислот S известно около 20.
Прочность связи между атомами S оказывается соизмеримой с проч-
ностью связей S с другими неметаллами: O, H, Cl, поэтому для S характер-
том числе очень распространенный минерал пирит FeS2 , и политионовые кислоты (например, H2 S4 O6 ).Таким образом химия серы является весьма обширной.
Важнейшие соединения серы, используемые в промышленности
Самым широко используемым соединением серы в промышленности и лаборатории является серная кислота . Мировой объем производства сер-
ной кислоты составляет 136 млн.т. (ни одна другая кислота не производится в таких больших количествах). К распространенным соединениям относятся со-
ли серной кислоты – сульфаты , а также соли сернистой кислоты – сульфиты.
Природные сульфиды используются для получения важнейших цветных ме-
таллов: Cu, Zn, Pb, Ni, Co и др. Среди других распространенных соединений серы следует назвать: сероводородную кислоту H2 S, ди- и триоксиды серы: SO2
и SO3, тиосульфат Na2 S2 O3 ; кислоты: дисерную (пиросерную) H2 S2 O7 , перок-
содисерную H2 S2 O8 и пероксодисульфаты (персульфаты): Na2 S2 O8 и
(NH4 )2 S2 O8 .
Сера в природе
чается в виде простого вещества , образующего большие подземные залежи,
и в виде сульфидных и сульфатных минералов, а также в виде соединений,
являющихся примесями в угле и нефти. Уголь и нефть получаются в результа-
те разложения органических веществ, а сера входит в состав животных и расти-
тельных белков. Поэтому при сжигании угля и нефти образуются оксиды серы,
загрязняющие окружающую среду.
Природные соединения серы
Рис. Пирит FeS2 – основной минерал, который используется для получения серной кислоты
самородная сера;
сульфидные минералы:
FeS2 – пирит или железный колчедан
FeCuS2 – халькопирит (медный колче-
FeAsS – арсенопирит
PbS – галенит или свинцовый блеск
ZnS – сфалерит или цинковая обманка
HgS – киноварь
Cu2 S- халькозин или медный блеск
Ag2 S– аргентит или серебряный блеск
MoS2 – молибденит
Sb2 S3 – стибнит или сурьмяный блеск
As4 S4 –реальгар;
сульфаты:
Na2 SO4 . 10 H2 O – мирабилит
CaSO4 . 2H2 O – гипс
CaSO4 - ангидрит
BaSOбарит или тяжелый шпат
SrSO4 – целестин.
Рис. Гипс CaSO4 . 2H2 O
Простое вещество
В простом веществе атомы серы связаны -связью с двумя соседними.
Наиболее устойчивой является структура, состоящая из восьми атомов серы,
объединенных в гофрированное кольцо, напоминающее корону. Существует несколько модификаций серы: ромбическая сера, моноклинная и пластическая сера. При обычной температуре сера находится в виде желтых хрупких кри-
сталлов ромбической формы (-S), образован-
ных молекулами S8 . Другая модификация – моноклинная сера (-S) также состоит из восьмичленных колец, но отличается распо-
ложением молекул S8 в кристалле. При рас-
плавлении серы кольца рвутся. При этом мо-
гут образоваться перепутанные нити, которые
Рис. Сера
делают расплав вязким, при дальнейшем по-
вышении температуры полимерные цепи могут разрушаться, и вязкость будет ослабевать. Пластическая сера образуется при резком охлаждении расплавлен-
ной серы и состоит из перепутанных цепей. Со временем (в течение нескольких дней) она преобразуется в ромбическую серу.
Сера кипит при 445о С. В парах серы имеют место равновесия:
450 о С |
650 о С |
900 о С |
1500 о С |
S 8 S 6 |
S 4 |
S 2 |
S |
Молекулы S2 имеют строение аналогичное О2 .
Сера может быть окислена (обычно до SO2 ), и может быть восста-
новлена до S(-2). При обычной температуре реакции с участием твердой серы почти все заторможены, протекают лишь реакции с фтором, хлором, ртутью.
Эту реакцию используют для связывания мельчайших капель разлитой ртути.
Жидкая и парообразная сера очень реакционоспособны. В парах серы горит Zn, Fe, Cu. При пропускании Н 2 над расплавленной серой образуется
H 2 S. В реакциях с водородом и металлами сера выступает в роли окисли-
Сера способна достаточно легко окисляться под действием галогенов
и кислорода . При нагревании на воздухе сера горит голубым пламенем, окис-
ляясь до SO2 .
S + O2 = SO2
Сера окисляется концентрированной серной и азотной кислотами:
S + 2H2 SO4 (конц.) = 3SO2 + 2H2 O,
S + 6HNO3 (конц.) = H2 SO4 + 6 NO2 + 2H2 O
В горячих растворах щелочей сера диспропорционирует.
3S + 6 NaOH = 2 Na2 S + Na2 SO3 + 3 H2 O.
При взаимодействии серы с раствором сульфида аммония образуются желто-красные полисульфид-ионы (–S–S–)n или Sn 2– .
При нагревании серы с раствором сульфита получается тиосульфат, а
при нагревании с раствором цианида – тиоцианат:
S + Na 2 SO3 = Na2 S2 O3, S + KCN = KSCN
Тиоцианат или роданид калия используется для аналитического обнаружения ионов Fe3+ :
3+ + SCN – = 2+ + H2 O
Образующееся комплексное соединение имеет кроваво-красную окраску,
даже при незначительной концентрации гидратированных ионов Fe3+ в рас-
Ежегодно в мире добывается ~ 33 млн. т самородной серы. Основное количество добываемой серы перерабатывается в серную кислоту и использу-
ется в резиновой промышленности для вулканизации каучука. Сера присоеди-
няется к двойным связям макромолекул каучука, образуя дисульфидные мости-
ки –S– S–, тем самым, как бы их «сшивая», что придает каучуку прочность и упругость. При введении в каучук большого количества серы получается эбо-
нит, который является хорошим изоляционным материалом, используемым в электротехнике. Сера используется также в фармацевтике для изготовления кожных мазей и в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений.
Соединения серы
Сероводород, сульфиды, полисульфиды
Сероводород H 2 S встречается в природе в серных минеральных водах,
присутствует в вулканическом и природном газе, образуется при гниении бел-
ковых тел.
Сероводород – это бесцветный газ с запахом тухлых яиц, очень ядовит.
Мало растворяется в воде, при комнатной температуре в одном объеме воды растворяются три объема газообразного H2 S. Концентрация H 2 S в насыщен-
ном растворе составляет ~ 0,1 моль/л. При растворении в воде образуется
сероводородная кислота, которая является одной из самых слабых кислот:
H2 S H+ + HS – , K1 = 6. 10 –8 , |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
HS – H+ + S 2– , |
K2 = 1. 10 –14 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Исполнитель: |
вестно много природных сульфидов (см. список сульфидных минералов). Сульфиды многих тяжелых цветных металлов (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Cd, Mo) яв- ляются промышленно важными рудами. Их путем обжига на воздухе переводят в оксиды, например, 2 ZnS + 3 O2 = 2 ZnO + 2 SO2 затем оксиды чаще всего восстанавливают углем: ZnO + C = Zn + CO Иногда оксиды переводят в раствор действием кислоты, а затем раствор подвергают электролизу с целью восстановления металла. Сульфиды щелочных и щелочно-земельнвых металлов являются практи- чески ионными соединениями. Сульфиды остальных металлов – преимущест- венно ковалентные соединения, как правило, нестехиометрического состава. Ковалентные сульфиды образуют и многие неметаллы: B, C, Si, Ge, P, As, Sb. Известны природные сульфиды As и Sb. Сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также суль- фид аммония хорошо растворимы в воде, остальные сульфиды нераство- римы . Они выделяются из растворов в виде характерно окрашенных осадков, например, Pb(NO3 )2 + Na2 S = PbS (т.) + 2 NaNO3 Эту реакцию используют для обнаружения H2 S и S2– в растворе.
Некоторые из нерастворимых в воде сульфидов могут быть переведены в раствор кислотами, благодаря образованию очень слабой и летучей сероводо- родной кислоты, например, NiS + H2 SO4 = H2 S + NiSO4 В кислотах можно растворить сульфиды: FeS, NiS, CoS , MnS, ZnS . Сульфиды металлов и значения ПР
Сульфиды, характеризующиеся очень низким значением произведения растворимости, не могут растворяться в кислотах с образованием H2 S. В ки- слотах не растворяются сульфиды: CuS, PbS, Ag2 S, HgS , SnS, Bi2 S3 , Sb2 S3 , Sb2 S5 , CdS, As2 S3 , As2 S5 , SnS2 . Если реакция растворения сульфида за счет образования H2 S невозможна, то в раствор его можно перевести действием концентрированной азотной ки- слоты или царской водки. CuS + 8HNO3 = CuSO4 + 8NO2 + 4H2 O Сульфидный анион S 2– является сильным акцептором протона (ос- нованием по Бренстеду). Поэтому растворимые сульфиды в сильной степени | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Подгруппа кислорода, или халькогенов – 6-я группа периодической системы Д.И. Менделле-ва, включающая следующие элементы: О;S;Se;Te;Po.Номер группы указывает на максимальную валентность элементов, стоящих в этой группе. Общая электронная формула халькогенов: ns2np4– на внешнем валентном уровне у всех элементов имеется 6 электронов, которые редко отдают и чаще принимают 2 недостающих до завершения уровня электрона. Наличие одинакового валентного уровня обуславливает химическое сходство халькогенов. Характерные степени окисления: -1; -2; 0; +1; +2; +4; +6. Кислород проявляет только -1 – в пероксидах; -2 – в оксидах; 0 – в свободном состоянии; +1 и +2 – во фторидах – О2F2, ОF2 т. к. у него нет d-под-уровня и электроны разъединяться не могут, и валентность всегда – 2; S – все, кроме +1 и -1. У серы появляется d-подуровень и электроны с 3р и с 3s в возбужденном состоянии могут разъединиться и уйти на d-подуровень. В невозбужденном состоянии валентность серы – 2 – в SО, 4 – в SО2, 6 – в SО3. Se +2; +4; +6, Te +4; +6, Po +2; -2. Валентности у селена, теллура и полония также 2, 4, 6. Значения степеней окисления отражены в электронном строении элементов: О – 2s22p4; S – 3s23p4; Se – 4s24p4; Te – 5s25p4; Po – 6s26p4. Сверху вниз, с нарастанием внешнего энергетического уровня закономерно изменяются физические и химические свойства халькогенов: радиус атома элементов увеличивается, энергия ионизации и сродства к электрону, а также электроотрицательность уменьшаются; уменьшаются неметаллические свойства, металлические увеличиваются (кислород, сера, селен, теллур – неметаллы), у полония имеется металлический блеск и электропроводимость. Водородные соединения халькогенов соответствуют формуле: H2R: H2О, H2S, H2Sе, H2Те – хальководороды. Водород в этих соединениях может быть замещен на ионы металлов. Степень окисления всех халькогенов в соединении с водородом -2 и валентность тоже 2. При растворении хальководородов в воде образуются соответствующие кислоты. Эти кислоты – восстановители. Сила этих кислот сверху вниз возрастает, т. к. уменьшается энергия связи и способствует активной диссоциации. Кислородные соединения халькогенов отвечают формуле: RО2 и RО3 – кислотные оксиды. При растворении этих оксидов в воде они образуют соответствующие кислоты: Н2RО3 и Н2RO4. В направлении сверху вниз сила этих кислот убывает. Н2RО3 – кислоты-восстановители, Н2RO4 – окислители.
Кислород - самый распространенный элемент на Земле. Он составляет 47,0% от массы земной коры. Его содержание в воздухе оставляет 20,95% по объему или 23,10% по массе. Кислород входит в состав воды, горных пород, многих минералов, солей, содержится в белках, жирах и углеводах, из которых состоят живые организмы.В лабораторных условиях кислород получают: - разложением при нагревании бертолетовой соли (хлората калия) в присутствии катализатора MnO2:2KClO3 = 2KCl+3O2 -разложением при нагревании перманганата калия:2KMnO4=K2MnO4+MnO2+O2 При этом получается очень чистый кислород.можно также получить кислород электролизом водного раствора гидроксида натрия (электроды никелевые);Основным источником промышленного получения кислорода является воздух, который сжижают и затем фракционируют. Вначале выделяется азот (tкип=-195°C), а в жидком состоянии остается почти чистый кислород, так как его температура кипения выше (-183°С). Широко распространен способ получения кислорода, основанный на электролизе воды.В нормальных условиях кислород - газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. В воде мало растворим (в 1 л воды при 20°С растворяется 31 мл кислорода). При температуре -183°С и давлении 101,325 кПа кислород переходит в жидкое состояние. Жидкий кислород имеет голубоватый цвет и втягивается в магнитное поле.Природный кислород содержит три стабильных изотопа 168O (99,76%), 178О (0,04%) и 188О (0,20%). Искусственным способом получены три нестабильных изотопа - 148О, 158О, 198О.Для завершения внешнего электронного уровня атому кислорода не хватает двух электронов. Энергично принимая их, кислород проявляет степень окисления -2. Однако в соединениях со фтором (OF2 и O2F2) общие электронные пары смещены ко фтору, как к более электроотрицательному элементу. В этом случае степени окисления кислорода соответственно равны +2 и +1, а фтора -1.Молекула кислорода состоит из двух атомов О2. Химическая связь ковалентная неполярная.Кислород образует соединения со всеми химическими элементами, кроме гелия, неона и аргона. С большинством элементов он взаимодействует непосредственно, кроме галогенов, золота и платины. Скорость реакции кислорода как с простыми, так и со сложными веществами зависит от природы веществ, температуры и других условий. Такой активный металл, как цезий, самовозгорается в кислороде воздуха уже при комнатной температуре.С фосфором кислород активно реагирует при нагревании до 60°С, с серой - до 250°С, с водородом - более 300°С, с углеродом (в виде угля и графита) - при 700-800°С.4Р+5О2=2Р2О52Н2+O2=2Н2О S+O2=SO2 С+O2=СO2При горении сложных веществ в избытке кислорода образуются оксиды соответствующих элементов: 2H2S+3O2=2S02+2H2OC2H5OH+3O2=2CO2+3H2OCH4+2O2=CO2+2H20 4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 Рассмотренные реакции сопровождаются выделением как теплоты, так и света. Такие процессы с участием кислорода называют горением. Поотносительной электроотрицательности кислород является вторым элементом. Поэтому в химических реакциях как с простыми, так и со сложными веществами он является окислителем, т.к. принимает электроны. Горение, ржавление, гниение и дыхание протекают при участии кислорода. Это окислительно-восстановительные процессы.Для ускорения процессов окисления вместо обыкновенного воздуха применяют кислород или воздух, обогащенный кислородом. Кислород используют для интенсификации окислительных процессов в химической промышленности (производство азотной, серной кислот, искусственного жидкого топлива, смазочных масел и других веществ).Металлургическая промышленность расходует довольно много кислорода. Кислород используют для получения высоких температур. Температура кислородно-ацетиленового пламени достигает 3500°С, кислородно-водородного - 3000°С В медицине кислород применяют для облегчения дыхания. Его используют в кислородных приборах при выполнении работ в трудной для дыхания атмосфере.
Сера
- один из немногих химических элементов, которыми уже несколько тысячелетий пользуется человек. Она широко распространена в природе и встречается как в свободном состоянии (самородная сера), так а в соединениях. Минералы, содержащие серу, можно разделить на две группы - сульфиды (колчеданы, блески, обманки) и сульфаты. Самородная сера в больших количествах встречается в Италии (остров Сицилия) и США. В СНГ месторождения самородной серы имеются в Поволжье, в государствах Средней Азии, в Крыму и других районах.К минералам первой группы относятся свинцовый блеск PbS, медный блеск Cu2S, серебряный блеск - Ag2S, цинковая обманка - ZnS, кадмиевая обманка - CdS, пирит или железный колчедан - FeS2, халькопирит - CuFeS2, киноварь - HgS.К минералам второй группы можно отнести гипс CaSO4 2Н2О, мирабилит (глауберова соль) - Na2SO4 10Н2O, кизерит - MgSO4 Н2О.Сера содержится в организмах животных и растений, так как входит в состав белковых молекул. Органические соединения серы содержатся в нефти. Получение
1. При получении серы из природных соединений, например из серного колчедана, его нагревают до высоких температур. Серный колчедан разлагается с образованием сульфида железа (II) и серы: FeS2=FeS+S 2. Серу можно получить окислением сероводорода недостатком кислорода по реакции: 2H2S+O2=2S+2Н2O3. В настоящее время распространено получение серы восстановлением углеродом диоксида серы SO2 - побочного продукта при выплавке металлов из сернистых руд:SO2+С = СO2+S4. Отходящие газы металлургических и коксовых печей содержат смесь диоксида серы и сероводорода. Эту смесь пропускают при высокой температуре над катализатором: H2S+SO2=2H2O+3S Сера представляет собой твердое хрупкое вещество лимонно-желтого цвета. В воде практически нерастворима, но хорошо растворима в сероуглероде CS2 анилине и некоторых других раство-рителях.Плохо проводит тепло и электрический ток. Сера образует несколько аллотропных модификаций:Природная сера состоит из смеси четырех устойчивых изотопов:3216S,3316S,3416S,3616S. Химические свойстваАтом серы, имея незавершенный внешний энергетический уровень, может присоединять два электрона и проявлять степень окисления -2.Такую степень окисления сера проявляет в соединениях с металлами и водородом (Na2S, H2S). При отдаче или оттягивании электронов к атому более электроотрицательного элемента степень окисления серы может быть +2, +4, +6.Нахолоду сера сравнительно инертна, но с повышением температуры ее реакционная способность повышается. 1. С металлами сера проявляет окислительные свойства. При этих реакциях образуются сульфиды (с золотом, платиной и иридием не реагирует): Fe+S=FeS
2. С водородом при нормальных условиях сера не взаимодействует, а при 150-200°С протекает обратимая реакция:H2+S«H2S 3. В реакциях с металлами и с водородом сера ведет себя как типичный окислитель, а в присутствии сильных окислителей проявляет восстановительные свойства.S+3F2=SF6 (с иодом не реагирует)4. Горение серы в кислороде протекает при 280°С, а на воздухе при 360°С. При этом образуется смесь SO2 и SO3:S+O2=SO2 2S+3O2=2SO35. При нагревании без доступа воздуха сера непосредственно соединяется с фосфором, углеродом, проявляя окислительные свойства: 2Р+3S=P2S3 2S + С = CS26. При взаимодействии со сложными веществами сера ведет себя в основном как восстановитель:
7. Сера способна к реакциям диспропорционирования. Так, при кипячении порошка серы с щелочами образуются сульфиты и сульфиды: Серу широко применяют в промышленности и сельском хозяйстве. Около половины ее добычи расходуется для получения серной кислоты. Используют серу для вулканизации каучука: при этом каучук превращается в резину.В виде серного цвета (тонкого порошка) серу применяют для борьбы с болезнями виноградника и хлопчатника. Ее употребляют для получения пороха, спичек, светящихся составов. В медицине приготовляют серные мази для лечения кожных заболеваний.
31 Элементы IV А подгруппы.
Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих элементов имеют 4 электрона: ns2np2. В подгруппе с ростом порядкового номера элемента увеличивается атомный радиус, неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются: углерод и кремний - неметаллы, германий, олово, свинец - металлы. Элементы этой подгруппы проявляют как положительную, так и отрицательную степени окисления: -4; +2; +4.
| Элемент | Электр.формула | рад нм | ОЭО | С.О. |
| C | 2s 2 2p 2 | 0.077 | 2.5 | -4; 0; +3; +4 |
| 14 Si | 3s 2 3p 2 | 0.118 | 1.74 | -4; 0; +3; +4 |
| 32 Ge | 4s 2 4p 2 | 0.122 | 2.02 | -4; 0; +3; +4 |
| 50 Sn | 5s 2 5p 2 | 0.141 | 1.72 | 0; +3; +4 |
| 82 Pb | 6s 2 6p 2 | 0.147 | 1.55 | 0; +3; +4 |
--------------------->(металлические свойства возрастают)
В подгруппу кислорода входит пять элементов: кислород, сера, селен, теллур и полоний (радиоактивный металл). Это р-элементы VI группы периодической системы Д.И.Менделеева. Они имеют групповое название – халькогены , что означает «образующие руды».
Свойства элементов подгруппы кислорода
|
Свойства |
Те |
Ро |
|||
|
1. Порядковый номер |
|||||
|
2. Валентные электроны |
2 s 2 2р 4 |
З s 2 3р 4 |
4 s 2 4р 4 |
5s 2 5p 4 |
6s 2 6p 4 |
|
3. Энергия ио низации атома, эВ |
13,62 |
10,36 |
9,75 |
9,01 |
8,43 |
|
4. Относительная электроотрицательность |
3,50 |
2,48 |
2,01 |
1,76 |
|
|
5. Степень окисления в соединениях |
1, -2, |
2, +2, +4, +6 |
4, +6 |
4, +6 |
2, +2 |
|
6. Радиус атома, нм |
0,066 |
0,104 |
0,117 0,137 |
0,164 |
|
У атомов халькогенов одинаковое строение внешнего энергетического уровня - ns 2 nр 4 . Этим объясняется сходство их химических свойств. Все халькогены в соединениях с водородом и металлами проявляют степень окисления -2, а в соединениях с кислородом и другими активными неметаллами - обычно +4 и +6. Для кислорода, как и для фтора, не типична степень окисления, равная номеру группы. Он проявляет степень окисления обычно -2 и в соединении со фтором +2. Такие значения степеней окисления следуют из электронного строения халькогенов
У атома кислорода на 2р-подуровне два неспаренных электрона. Его электроны не могут разъединяться, поскольку отсутствует d-подуровень на внешнем (втором) уровне, т. е. отсутствуют свободные орбитали . Поэтому валентность кислорода всегда равна двум, а степень окисления -2 и +2 (например, в Н 2 О и ОF 2). Таковы же валентность и степени окисления у а тома серы в невозбужденном состоянии. При переходе в возбужденное состояние (что имеет место при подводе энергии, например при нагревании) у атома серы сначала разъединяются Зр — , а затем 3s -электроны (показано стрелками). Число неспаренных электронов, а, следовательно, и валентность в первом случае равны четырем (например, в SO 2), а во втором - шести (например, в SO 3). Очевидно, четные валентности 2, 4, 6 свойственны аналогам серы - селену, теллуру и полонию, а их степени окисления могут быть равны -2, +2, +4 и +6.
Водородные соединения элементов подгруппы кислорода отвечают формуле Н 2 R (R — символ элемента): Н 2 О, Н 2 S , Н 2 S е, Н 2 Те. Они называ ются хальководородами . При растворении их в воде образуются кислоты. Сила этих кислот возрастает с ростом порядкового номера элемента, что объясняется уменьшением энергии связи в ряду соединений Н 2 R . Вода, диссоциирующая на ионы Н + и ОН — , является амфотерным электролитом .
Сера, селен и теллур образуют одинаковые формы соединений с кислородом типа R О 2 и R О 3- . Им соответствуют кислоты типа Н 2 R О 3 и Н 2 R О 4- . С ростом порядкового номера элемента сила этих кислот убы вает. Все они проявляют окислительные свойства, а кислоты типа Н 2 R О 3 также и восстановительные.
Закономерно изменяются свойства простых веществ: с увеличением заряда ядра ослабевают неметаллические и возрастают металлические свойства. Так, кислород и теллур - неметаллы, но последний обладает металлическим блеском и проводит электричество.
В VIА-группу периодической системы элементов Д.И. Менделеева входят кислород, сера, селен, теллур, полоний. Первые четыре из них имеют неметаллический характер. Общее название элементов этой группы халькогены, что в переводе с греч. означает «образующие руды», указывая на их нахождение в природе.
Электронная формула валентной оболочки атомов элементов VIА-группы.
Атомы этих элементов имеют по 6 валентных электронов на s- и р-орбиталях внешнего энергетического уровня. Из них две р-орбитали заполнены наполовину.
Атом кислорода отличается от атомов других халькогенов отсутствием низколежащего d-подуровня. Поэтому кислород, как правило, способен образовывать только две связи с атомами других элементов. Однако в некоторых случаях наличие неподеленных пар электронов на внешнем энергетическом уровне позволяет атому кислорода образовывать дополнительные связи по донорно-акцепторному механизму.
У атомов остальных халькогенов при поступлении энергии извне число неспаренных электронов может увеличиваться в результате перехода s- и р-электронов на d-подуровень. Поэтому атомы серы и других халькогенов способны образовывать не только 2, но также и 4, и 6 связей с атомами других элементов. Например, у атома серы в возбужденном состоянии электроны внешнего энергетического уровня могут приобретать электронную конфигурацию 3s 2 3р 3 3d 1 и 3s 1 3р 3 3d 2:
В зависимости от состояния электронной оболочки проявляются разные степени окисления (СО). В соединениях с металлами и водородом элементы этой группы проявляют СО = -2. В соединениях же с кислородом и неметаллами сера, селен и теллур могут иметь СО = +4 и СО = +6. В некоторых соединениях они проявляют СО = +2.
Кислород уступает по электроотрицательности только фтору. Во фтороксиде F 2 О степень окисления кислорода положительна и равна +2. С остальными элементами кислород проявляет обычно в соединениях степень окисления -2, за исключением пероксида водорода Н 2 О 2 и его производных, в которых кислород имеет степень окисления -1. В живых организмах кислород, сера и селен входят в состав биомолекул в степени окисления -2.
В ряду О - S - Sе-Те - Ро увеличиваются радиусы атомов и ионов. Соответственно в этом же направлении закономерно понижается энергия ионизации и относительная электроотрицательность.
С увеличением порядкового номера элементов VIА-группы окислительная активность нейтральных атомов понижается и увеличивается восстановительная активность отрицательных ионов. Все это приводит к ослаблению неметаллических свойств халькогенов при переходе от кислорода к теллуру.
С увеличением порядкового номера халькогенов возрастают характерные координационные числа. Это связано с тем, что при переходе от р-элементов четвертого периода к р-элементам пятого и шестого периодов в образовании σ- и π-связей все большую роль начинают играть d- и даже f-орбитали. Так, если для серы и селена наиболее характерны координационные числа 3 и 4, то для теллура - 6 и даже 8.
В нормальных условиях водородные соединения H 2 Э элементов VIА-группы, за исключением воды, - газы с очень неприятным запахом. Термодинамическая стабильность этих соединений уменьшается от воды к водородтеллуриду Н 2 Те. В водных растворах они проявляют слабокислотные свойства. В ряду H 2 О-H 2 S-H 2 Sе- H 2 Те сила кислот возрастает.
Это объясняется увеличением радиусов ионов Э 2- и соответствующим ослаблением связей Э-Н. В том же направлении растет восстановительная способность H 2 Э.
Сера, селен, теллур образуют два ряда кислотных оксидов: ЭO 2 и ЭО 3 . Им соответствуют кислотные гидроксиды состава H 2 ЭО 3 и H 2 ЭО 4 . Кислоты H 2 ЭО 3 в свободном состоянии неустойчивы. Соли этих кислот и сами кислоты проявляют окислительно-восстановительную двойственность, так как элементы S, Sе и Те имеют в этих соединениях промежуточную степень окисления + 4.
Кислоты состава Н 2 ЭО 4 более устойчивы и в реакциях ведут себя как окислители (высшая степень окисления элемента +6).
Химические свойства соединений кислорода. Кислород - самый распространенный элемент в земной коре (49,4%). Высокое содержание и большая химическая активность кислорода определяют преобладающую форму существования большинства элементов Земли в виде кислородсодержащих соединений. Кислород входит в состав всех жизненно важных органических веществ - белков, жиров, углеводов.
Без кислорода невозможны многочисленные чрезвычайно важные жизненные процессы, например дыхание, окисление аминокислот, жиров, углеводов. Только немногие растения, называемые анаэробными, могут обходиться без кислорода.
У высших животных (рис. 8.7) кислород проникает в кровь, соединяется с гемоглобином, образуя легко диссоциирующее соединение оксигемоглобин. С потоком крови это соединение поступает в капилляры различных органов. Здесь кислород отщепляется от гемоглобина и через стенки капилляров диффундирует в ткани. Связь между гемоглобином и кислородом непрочная и осуществляется за счет донорно-акцепторного взаимодействия с ионом Fе 2+ .
В состоянии покоя человек вдыхает примерно 0,5м 3 воздуха в час. Но лишь 1/5 ч. вдыхаемого с воздухом кислорода удерживается в организме. Однако избыток кислорода (4 / 5) необходим для создания высокой его концентрации в крови. Это в соответствии с законом Фика обеспечивает достаточную скорость диффузии кислорода через стенки капилляров. Таким образом, за сутки человек фактически использует около 0,1м 3 кислорода.
В тканях кислород расходуется. на окисление различных веществ. Эти реакции в конечном счете приводят к образованию углерода диоксида, воды и созданию запаса энергии.
Кислород расходуется не только в процессе дыхания, но и в процессе гниения растительных и животных остатков. В результате процесса гниения сложных органических веществ образуются их продукты окисления: СО 2 , Н 2 О и др. Регенерация кислорода совершается в растениях.
Таким образом, в результате круговорота кислорода в природе поддерживается его постоянное содержание в атмосфере. Естественно, что круговорот кислорода в природе тесно связан с круговоротом углерода (рис. 8.8).
Элемент кислород существует в виде двух простых веществ (аллотропные модификации): дикислорода (кислорода) О 2 и трикислорода (озона) О 3 . В атмосфере практически весь кислород содержится в виде кислорода О 2 , содержание же озона очень мало. Максимальная объемная доля озона на высоте 22км составляет всего лишь 10 -6 %.
Молекула кислорода О 2 в отсутствие других веществ очень стабильна. Наличие в молекуле двух неспаренных электронов обусловливает ее высокую реакционную способность. Кислород - один из самых активных неметаллов. С большинством простых веществ он реагирует непосредственно, образуя оксиды Э x O y Степень окисления кислорода в них равна -2. В соответствии с изменением структуры электронных оболочек атомов характер химической связи, а следовательно, структура и свойства оксидов в периодах и группах системы элементов изменяются закономерно. Так, в ряду оксидов элементов второго периода Li 2 О-ВеО-B 2 О 3 -СО 2 -N 2 O 5 полярность химической связи Э-О от I к V группе постепенно уменьшается. В соответствии с этим ослабляются основные и усиливаются кислотные свойства: Li 2 О - типичный основной оксид, ВеО - амфотерный, а B 2 О 3 , СО 2 и N 2 O 5 - кислотные оксиды. Аналогично изменяются кислотно-основные свойства и в других периодах.
В главных подгруппах (А-группах) с увеличением порядкового номера элемента ионность связи Э-О в оксидах обычно увеличивается.
Соответственно основные свойства оксидов в группе Li-Nа-К-Rb-Сs и других А-группах возрастают.
Свойства оксидов, обусловленные изменением характера химической связи, представляют собой периодическую функцию заряда ядра атома элемента. Об этом свидетельствует, например, изменение по периодам и группам температур плавления, энтальпий образования оксидов в зависимости от заряда ядра.
Полярность связи Э-ОН в гидроксидах Э(ОН) n , а следовательно, и свойства гидроксидов закономерно изменяются по группам и периодам системы элементов.
Например, в IА-, IIА- и IIIА-группах сверху вниз с увеличением радиусов ионов полярность связи Э-ОН возрастает. В результате в воде легче идет ионизация Э-ОН → Э + + ОН - . Соответственно усиливаются основные свойства гидроксидов. Так, в группе IА основные свойства гидроксидов щелочных металлов усиливаются в ряду Li-Nа-К-Rb-Сs.
В периодах слева направо с уменьшением ионных радиусов и увеличением заряда иона полярность связи Э-ОН уменьшается. В результате в воде легче идет ионизация ЭОН ⇄ ЭО - + Н + . Соответственно в этом направлении усиливаются кислотные свойства. Так, в пятом периоде гидроксиды RbОН и Sr(ОН) 2 являются основаниями, In(ОН) 3 и Sn(ОН) 4 - амфотерными соединениями, а Н и Н 6 ТеО 6 - кислотами.
Наиболее распространенный на земле оксид - водород оксид или вода. Достаточно сказать, что она составляет 50-99% массы любого живого существа. В организме человека содержится 70-80% воды. За 70 лет жизни человек выпивает около 25 000 кг воды.
Благодаря своей структуре вода обладает уникальными свойствами. В живом организме она является растворителем органических и неорганических соединений, участвует в процессах ионизации молекул растворенных веществ. Вода является не только средой, в которой протекают биохимические реакции, но и сама интенсивно участвует в гидролитических процессах.
Жизненно важна способность кислорода к образованию оксигенильных комплексов с различными веществами. Ранее рассмотрены примеры оксигенильных комплексов О 2 с ионами металлов - переносчиков кислорода в живых организмах - оксигемоглобин и оксигемоцианин:
НbFе 2 + + О 2 → НbFе 2+ ∙О 2
НсСu 2+ + О 2 → НсСu 2+ ∙О 2
где Нb - гемоглобин, Нc - гемоцианин.
Имея две неподеленные пары электронов, кислород выступает в качестве донора в этих координационных соединениях с ионами металлов. В других соединениях кислород образует различные водородные связи.
В настоящее время большое внимание уделяется получению оксигенильных комплексов переходных металлов, которые могли бы выполнять функции, сходные с функциями соответствующих бионеорганических комплексных соединений. Состав внутренней координационной сферы этих комплексов аналогичен природным активным центрам. В частности, перспективными по способности обратимо присоединять и отдавать элементный кислород являются комплексы кобальта с аминокислотами и некоторыми другими лигандами. Эти соединения в известной степени можно рассматривать как заменители гемоглобина.
Одной из аллотропных модификаций кислорода является озон О 3 . По своим свойствам озон сильно отличается от кислорода О 2 - имеет более высокие температуры плавления и кипения, обладает резким запахом (отсюда его название).
Образование озона из кислорода сопровождается поглощением энергии:
3О 2 ⇄2О 3 ,
Озон получают при действии электрического разряда в кислороде. Образуется озон из О 2 и под действием ультрафиолетового излучения. Поэтому при работе бактерицидных и физиотерапевтических ультрафиолетовых ламп чувствуется запах озона.
Озон - сильнейший окислитель. Окисляет металлы, бурно реагирует с органическими веществами, при низкой температуре окисляет соединения, с которыми кислород не реагирует:
О 3 + 2Аg = Аg 2 О + О 2
РbS + 4О 3 = РbSО 4 + 4O 2
Широко известна качественная реакция:
2КI + О 3 + Н 2 О = I 2 + 2КОН + О 2
Окислительное действие озона на органические вещества связано с образованием радикалов:
RН + О 3 → RО 2 ∙ + ОН ∙
Радикалы инициируют радикально-цепные реакции с биоорганическими молекулами - липидами, белками, ДНК. Такие реакции приводят к повреждению и гибели клеток. В частности, озон убивает микроорганизмы, содержащиеся в воздухе и воде. На этом основано применение озона для стерилизации питьевой воды и воды плавательных бассейнов.
Химические свойства соединений серы. По своим свойствам сера близка к кислороду. Но в отличие от него она проявляет в соединениях не только степень окисления -2, но и положительные степени окисления +2, +4 и +6. Для серы, как и для кислорода, характерна аллотропия - существование нескольких элементных веществ - ромбической, моноклинной, пластической серы. Вследствие меньшей электроотрицательности по сравнению с кислородом способность к образованию водородных связей у серы выражена слабее. Для серы характерно образование устойчивых полимерных гомоцепей, имеющих зигзагообразную форму.
Образование гомоцепей из атомов серы характерно и для ее соединений, выполняющих существенную биологическую роль в процессах жизнедеятельности. Так, в молекулах аминокислоты - цистина имеется дисульфидный мостик -S-S-:
Эта аминокислота играет важную роль в формировании белков и пептидов. Благодаря дисульфидной связи S-S полипептидные цепи оказываются скрепленными между собой (дисульфидный мостик).
Характерно для серы и образование водородсульфидной (сульфгидрильной) тиоловой группы -SН, которая присутствует в аминокислоте цистеине, белках, ферментах.
Очень важной в биологическом отношении является аминокислота метионин.
Донором метильных групп в живых организмах служит S-аденозилметионин Аd-S-СН 3 - активированная форма метионина, в которой метильная группа соединена через S с аденином Аd. Метильная группа метионина в процессах биосинтеза переносится на различные акцепторы метильных групп RН:
Аd-S-СН 3 + RН → Аd-SН + R-СН 3
Сера довольно широко распространена на Земле (0,03%). В природе присутствует в виде сульфидных (ZnS, НgS, РbS и др.) и сульфатных (Nа 2 SО 4 ∙10Н 2 О, СаSО 4 ∙2Н 2 О и др.) минералов, а также в самородном состоянии. Порошок «серы осажденной» применяют наружно в виде мазей (5-10-20%) и присыпок при лечении кожных заболеваний (себореи, псориаза). В организме образуются продукты окисления серы - политионовые кислоты с общей формулой H 2 S x O 6 (х = 3-6)
S + O 2 → H 2 S x O 6
Сера - довольно активный неметалл. Даже при небольшом нагревании она окисляет многие простые вещества, однако и сама легко окисляется кислородом и галогенами (окислительно-восстановительная двойственность).
Степень окисления -2 сера проявляет в сероводороде и его производных - сульфидах.
Сероводород (диводородсульфид) часто встречается в природе. Содержится в так называемых серных минеральных водах. Это бесцветный газ с неприятным запахом. Образуется при гниении растительных и, в особенности, животных остатков под действием микроорганизмов. Некоторые фотосинтезирующие бактерии, например зеленые серные бактерии, в качестве донора водорода используют диводородсульфид. Эти бактерии вместо кислорода О 2 выделяют элементную серу - продукт окисления Н 2 S.
Диводородсульфид - весьма токсичное вещество, так как является ингибитором фермента цитохромоксидазы - переносчика электронов в дыхательной цепи. Он блокирует перенос электронов с цитохромоксидазы на кислород О 2 .
Водные растворы Н 2 S дают слабокислую реакцию по лакмусу. Происходит ионизация по двум ступеням:
Н 2 S ⇄ Н + + НS - (I ступень)
НS - ⇄ Н + + S 2- (II ступень)
Сероводородная кислота очень слабая. Поэтому ионизация по второй ступени протекает только в очень разбавленных растворах.
Соли сероводородной кислоты называются сульфидами. В воде растворимы сульфиды только щелочных, щелочноземельных металлов и аммония. Кислые соли - гидросульфиды Э + НS и Э 2+ (НS) 2 - известны только для щелочных и щелочноземельных металлов
Являясь солями слабой кислоты, сульфиды подвергаются гидролизу. Гидролиз сульфидов многозарядных катионов металлов (Аl 3+ , Сr 3 + и др.) часто доходит до конца, он практически необратим.
Сульфиды, в особенности сероводород, являются сильными восстановителями. В зависимости от условий они могут окисляться до S, SО 2 или Н 2 SО 4:
2Н 2 S + 3О 2 = 2SО 2 + 2Н 2 О (на воздухе)
2Н 2 S + О 2 = 2Н 2 О + 2S (на воздухе)
3Н 2 S + 4НСlO 3 = 3Н 2 SО 4 + 4НСl (в растворе)
Некоторые белки, содержащие цистеин НSСН 2 СН(NН 2)СООН и важный метаболит кофермент А, имеющие водородсульфидные (тиоловые) группы -SН, в ряде реакций ведут себя как бионеорганические производные диводородсульфида. Белки, содержащие цистеин, так же, как и диводородсульфид, можно окислить иодом. При помощи дисульфидного мостика, образующегося при окислении тиоловых групп, цистеиновые остатки полипептидных цепей соединяют эти цепи поперечной связью (образуется сшивка).
Многие серосодержащие ферменты Е-SН необратимо отравляются ионами тяжелых металлов, такими, как Сu 2+ или Аg+. Эти ионы блокируют тиольные группы с образованием меркаптанов, бионеорганических аналогов сульфидов:
Е-SН + Аg + → Е-S-Аg + Н +
В результате фермент теряет активность. Сродство ионов Аg + к тиольным группам настолько велико, что АgNО 3 можно использовать для количественного определения -SН-групп методом титрования.
Оксид серы (IV) SO 2 является кислотным оксидом. Его получают сжиганием элементной серы в кислороде или обжигом пирита FеS 2:
S + О 2 = SО 2
4FеS 2 + 11О 2 = 2Fе 2 О 3 + 8SО 2
SО 2 - газ с удушливым запахом; весьма ядовит. При растворении SО 2 в воде образуется сернистая кислота Н 2 SО 3 . Эта кислота средней силы. Сернистая кислота, будучи двухосновной, образует соли двух типов: средние - сульфиты (Nа 2 SО 3 , К 2 SО 3 и др.) и кислые - гидросульфиты (NаНSО 3 , КНSО 3 и др.). В воде растворимы лишь соли щелочных металлов и гидросульфиты типа Э 2+ (НSО 3) 2 , где Э - элементы различных групп.
Для оксида SО 2 , кислоты Н 2 SОз и ее солей характерна окислительно-восстановительная двойственность, так как сера имеет в этих соединениях промежуточную степень окисления +4:
2Nа 2 SО 3 + О 2 = 2Nа 2 SО 4
SО 2 + 2Н 2 S = 3S° + 2Н 2 O
Однако восстановительные свойства у соединений серы (IV) преобладают. Так, сульфиты в растворах окисляются даже дикислородом воздуха при комнатной температуре.
На высших животных оксид SO 2 действует прежде всего как раздражитель слизистой оболочки дыхательных путей. Токсичен этот газ и для растений. В промышленных районах, где сжигается много угля, содержащего небольшое количество соединений серы, в атмосферу выделяется сера диоксид. Растворяясь во влаге, находящейся на листьях, SО 2 образует раствор сернистой кислоты, который, в свою очередь, окисляется до серной кислоты Н 2 SО 4:
SО 2 + Н 2 О = Н 2 SО 3
2Н 2 SО 3 + О 2 = 2Н 2 SО 4
Атмосферная влага с растворенными SО 2 и Н 2 SО 4 выпадает нередко в виде кислотных дождей, приводящих к гибели растительности.
При нагревании раствора Nа 2 SО 3 с порошком серы образуется натрий тиосульфат:
Nа 2 SО 3 + S = Nа 2 S 2 О 3
Из раствора выделяется кристаллогидрат Nа 2 S 2 О 3 ∙5Н 2 О. Натрий тиосульфат - соль тиосерной кислоты Н 2 S 2 О 3 .
Тиосерная кислота очень неустойчива и разлагается на Н 2 О, SО 2 и S. Натрий тиосульфат Nа 2 S 2 О 3 ∙5Н 2 О применяют в медицинской практике как противотоксическое, противовоспалительное и десенсибилизирующее средство. Как противотоксическое средство, натрий тиосульфат используют при отравлениях соединениями ртути, свинца, синильной кислотой и ее солями. Механизм действия препарата, очевидно, связан с окислением тиосульфат-иона до сульфит-иона и элементной серы:
S 2 О 3 2- → SО 3 2- + S°
Ионы свинца и ртути, попадающие в организм с пищей или воздухом, образуют плохо растворимые нетоксичные сульфиты:
Рb 2+ + SO 3 2- = РbSO 3
Цианид-ионы взаимодействуют с элементной серой, образуя менее ядовитые тиоцианаты:
СN - + S° = NСS -
Применяют натрий тиосульфат и для лечения чесотки. После втирания в кожу раствора делают повторные втирания 6%-ного раствора НСl. В результате реакции с НСl натрий тиосульфат распадается на серу и диоксид серы:
Nа 2 S 2 О 3 + 2НСl = 2NaСl + SО 2 + S + Н 2 О
которые и оказывают губительное действие на чесоточных клещей.
Оксид серы (VI) SО 3 - летучая жидкость. При взаимодействии с водой SО 3 образует серную кислоту:
SО 3 + Н 2 О = Н 2 SО 4
Структура молекул серной кислоты соответствует сере в sр 3 - гибридном состоянии.
Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени она ионизирована практически полностью:
Н 2 SО 4 ⇄ Н + + НSО 4 - ,
Ионизация по второй ступени протекает в меньшей степени:
НSО 4 - ⇄ Н + + SО 4 2- ,
Концентрированная серная кислота - сильный окислитель. Она окисляет металлы и неметаллы. Обычно продуктом ее восстановления является SО 2 , хотя в зависимости от условий проведения реакции (активности металла, температуры, концентрации кислоты) могут получаться и другие продукты (S, Н 2 S).
Будучи двухосновной кислотой, Н 2 SО 4 образует два типа солей: средние - сульфаты (Na 2 SO 4 и др.) и кислые - гидросульфаты (NаНSО 4 , КНSО 4 и др.). Большинство сульфатов хорошо растворимы в воде Многие сульфаты выделяются из растворов в виде кристаллогидратов: FеSО 4 ∙7Н 2 О, СuSО 4 ∙5Н 2 О. К практически нерастворимым относятся сульфаты ВаSО 4 , SrSО 4 и РbSО 4 . Малорастворим кальций сульфат СаSО 4 . Барий сульфат нерастворим не только в воде, но и в разбавленных кислотах.
В медицинской практике сульфаты многих металлов применяют в качестве лекарственных средств Na 2 SO 4 ∙10Н 2 О - как слабительное, MgSО 4 ∙7Н 2 О - при гипертонии, как слабительное и как желчегонное средство, медный купорос СuSО 4 ∙5Н 2 О и ZnSО 4 ∙7Н 2 О - как антисептические, вяжущие, рвотные средства, барий сульфат ВаSО 4 - как контрастное вещество при рентгенологическом исследовании пищевода и желудка
Соединения селена и теллура. По химическим свойствам теллур и в особенности селен похожи на серу. Однако усиление металлических свойств у Sе и Те повышает их склонность к образованию более прочных ионных связей. Сходство физико-химических характеристик: радиусов ионов Э 2- , координационных чисел (3, 4) - обусловливает взаимозамещаемость селена и серы в соединениях. Так, селен может замещать серу в активных центрах ферментов. Замена водородсульфидной группы -SН на водородселенидную группу -SеН изменяет течение биохимических процессов в организме. Селен может выступать как синергистом, так и антагонистом серы.
С водородом Sе и Те образуют аналогичные Н 2 S очень ядовитые газы Н 2 Sе и Н 2 Те. Диводородселенид и диводородтеллурид являются сильными восстановителями. В ряду Н 2 S-Н 2 Sе-Н 2 Те восстановительная активность растет.
Для Н 2 Sе выделены как средние соли - селениды (Nа 2 Sе и др.), так и кислые соли - гидроселениды (NaНSе и др.). Для Н 2 Те известны только средние соли - теллуриды.
Соединения Sе (IV) и Те (IV) с кислородом в отличие от SО 2 - твердые кристаллические вещества SеО 2 и ТеО 2 .
Селенистая кислота Н 2 SеО 3 и ее соли селениты, например Nа 2 SеО 3 , - окислители средней силы. Так, в водных растворах они восстанавливаются до селена такими восстановителями, как SО 2 , Н 2 S, НI и др.:
Н 2 SеО 3 + 2SО 2 + Н 2 О = Sе + 2Н 2 SО 4
Очевидно, что легкость восстановления селенитов до элементного состояния обусловливает образование в организме биологически активных селенсодержащих соединений, например селеноцистеина.
SеО 3 и ТеО 3 - кислотные оксиды. Кислородные кислоты Sе (VI) и Те (VI) - селеновая Н 2 SеО 4 и теллуровая Н 6 ТеО 6 - кристаллические вещества с сильными окислительными свойствами. Соли этих кислот называются соответственно селенатами и теллуратами.
В живых организмах селенаты и сульфаты - антагонисты. Так, введение сульфатов приводит к выведению из организма избыточных селенсодержащих соединений.