基本信息
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氧族元素
氧族元素是
元素周期表上的ⅥA族元素。這一族包含
氧(O)、
硫(S)、
硒(Se)、
碲(Te)、
釙(Po)、
鉝(Lv)六種元素,其中釙為金屬,碲為
類金屬,氧、硫、硒是典型的
非金屬元素。在
標準狀況下,除氧
單質為
氣體外,其他元素的單質均為
固體。在和
金屬元素化合時,氧、硫、硒、碲四種元素通常顯-2
氧化態;但當硫、硒、碲處於它們的酸根中時,最高氧化態可達+6。一些
過渡金屬常以硫化物礦的形式存在於
地殼中,如FeS
2、ZnS等。
簡介
氧族元素 Chalcogen
在
標準狀況下,除氧
單質為
氣體外,其他元素的單質均為
固體。化合物中,氧、硫、硒、碲四種元素通常顯-2
氧化態,穩定性從氧到碲降低;硫、硒、碲最高氧化態可達+6。 氧、硫、硒的
單質可以直接與氫氣化合,生成氫化物。
此外,氧族元素間也可形成
氧族元素互化物,但很多性質與氧族元素單質並不相似。
原子結構
原子序數
| 元素
| 電子層結構
|
8
| 氧
| 2, 6
|
16
| 硫
| 2, 8, 6
|
34
| 硒
| 2, 8, 18, 6
|
52
| 碲
| 2, 8, 18, 18, 6
|
84
| 釙
| 2, 8, 18, 32, 18, 6
|
116
| | 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6
|
相同點
·原子最外層有6個電子
·反應中易得到2個電子
·表現氧化性
不同點
·除氧外其它氧族元素d軌道可參與成健,形成
配位數為6的絡合物
·核電荷數依次增大
·電子層數依次增大
·原子半徑依次增大,得電子能力依次減弱,氧化性依次減弱.
單質
氧
氧氣通常條件下是呈無色、無臭和無味的
氣體,
密度1.429克/升,1.419克/立方厘米(液),1.426克/立方厘米(固),熔點-218.4℃,
沸點-182.962℃,在-182.962℃時液化成淡藍色液體,在-218.4℃時凝固成雪狀淡藍色。
固體在化合價一般為0和-2。
電離能為13.618
電子伏特。除惰性
氣體外的所有化學元素都能同氧形成化合物。大多數元素在含氧的氣氛中加熱時可生成氧化物。有許多元素可形成一種以上的氧化物。
氧分子在低溫下可形成水合晶體O
2.H
2O和O
2.H
2O
2,後者較不穩定。
氧氣在空氣中的溶解度是:4.89毫升/100毫升水(0℃),是水中
生命體的基礎。氧在
地殼中豐度占第一位。乾燥空氣中含有20.946%體積的氧;水有88.81%
重量的氧組成。除了O16外,還有O17和O18同位素。
硫
菱形硫(S8) 2.07克/立方厘米 112.8℃ 444.674℃ 200℃以下
單斜硫(S8) 1.96克/厘米3 119.0℃ 444.6℃ 200℃以上
硫單質導熱性和
導電性都差。性鬆脆,不溶於水,
易溶於二硫化碳(彈性硫只能部分溶解)。無定形硫主要有彈性硫,是由熔態硫迅速傾倒在冰水中所得。不穩定,可轉變為晶狀硫(
正交硫),正交硫是室溫下唯一穩定的硫的存在形式。
化合價為-2、+2、+4和+6。第一電離能10.360
電子伏特。化學性質比較活潑,能與氧、金屬、氫氣、
鹵素(溴和碘除外)及已知的大多數元素化合。還可以與強氧化性的酸、鹽、氧化物,濃的
強鹼溶液反應。它存在正
氧化態,也存在負氧化態,可形成
離子化合物、
共價化合成物和配位
共價化合物。
硒
稀散元素之一。在已知的六種
固體同素異形體中,三種晶體(α單斜體、β單斜體,和灰色三角晶)是最重要的。也以三種
非晶態固體形式存在;紅色和黑色的兩種無定形玻璃狀的
硒。前者性脆,
密度4.26克/厘米3;後者密度4.28克/厘米3。第一電離能為9.752
電子伏特。硒在空氣中燃燒發出藍色火焰,生成二氧化硒(SeO
2)。也能直接與各種金屬和
非金屬反應,包括氫和
鹵素。不能與非氧化性的酸作用,但它溶於
濃硫酸、硝酸和強鹼中。溶於水的硒化氫能使許多重金屬
離子沉澱成為微粒的
硒化物。硒與
氧化態為+1的金屬可生成兩種
硒化物,即正硒化物(M2Se)和酸式硒化物(MHSe)。正的
鹼金屬和鹼土金屬
硒化物的水溶液會使元素硒溶解,生成多硒化合物(M2Sen),與硫能形成多硫化物相似。
碲
有結晶形和無定形兩種
同素異形體。電離能9.009
電子伏特。結晶碲具有銀白色的金屬外觀,
密度6.25克/厘米3,
熔點452℃,
沸點1390℃,硬度是2.5(莫氏硬度)。不溶於同它不發生反應的所有溶劑,在
室溫時它的分子量至今還不清楚。無定形碲(褐色),
密度6.00克/厘米3,
熔點449.5±0.3℃,
沸點989.8±3.8℃。碲在空氣中燃燒帶有藍色火焰,生成二氧化碲;可與
鹵素反應,但不與硫、硒反應。溶於硫酸、硝酸、氫氧化鉀和
氰化鉀溶液。易傳熱和導電。
元素來源:碲是稀散金屬之一,有兩種
同素異形體,一種為結晶形、具有銀白色
金屬光澤;另一種為無定形,為黑色粉末。結晶形
碲的
熔點為449.8℃,
密度為6.24克/厘米3。性脆。碲的化學性質與硒相似,在空氣或氧中燃燒生成二氧化碲,發出藍色火焰;易和
鹵素劇烈反應生成碲的鹵化物,在
高溫下不與氫作用。
釙
密度9.4克/立方厘米。
熔點254℃,
沸點962℃。所有釙的
同位素都是
放射性的。已知有兩種同位素異形體:α-Po為單正方體;β-Po為單菱形體。在約36℃時,發生α-Po轉化為β-Po的相變。金屬、質軟。
物理性質似
鉈、
鉛、
鉍。化學性質近似
碲。溶於稀礦酸和稀
氫氧化鉀。釙的
化合物易於水解並還原。化合價已有+2和+4價,也有+6價存在。
釙是世界上最稀有的元素。
釙同位素中最普遍、最易得的是釙-210,其
半衰期僅有138天,其放射性比鐳大近5000倍。釙-210危險性很大,在操作時即便是很小量也要格外小心謹慎。
化學性質
相似性
·能與大多數金屬反應;
·最高價氧化物對應的水化物為酸;
·都具有
非金屬性。因為非金屬性相近,經常有性質相似的取代產物,如氧氰與硫氰、硒氰,醇與硫醇,酚與硫酚,羧酸與硫代羧酸,硫代酸(硫代硫酸,硫代碳酸,硫代磷酸都是相應酸中氧被硫取代)與硒代酸等。
元素名稱
| 氧
| 硫
| 硒
| 碲
|
元素符號
| O
| S
| Se
| Te
|
核電荷數
| 8
| 16
| 34
| 52
|
原子半徑
| 逐漸增大
|
顏色
| 無色
| 黃色
| 灰色
| 銀白色
|
狀態
| 氣體
| 固體
| 固體
| 固體
|
遞變性
·氣態氫化物的穩定性逐漸減弱;(由高溫穩定的水到常溫分解的碲化氫)
·氣態氫化物的還原性逐漸增強;
·氣態氫化物水溶液的酸性逐漸增強;(電離度由水的百萬分之一,氫硫酸的約0.1%,氫硒酸的約3%,氫碲酸的約50%遞變明顯)
·同價態氧化物對應水化物酸性逐漸減弱;(硫酸,硒酸是強酸,碲酸酸性與碳酸相當,亞硫酸為中強酸,亞硒酸弱酸、亞碲酸為不溶於水弱酸,氫氧化釙(Ⅳ)為兩性膠體)
·非金屬性逐漸減弱;
·氧化物的鹼性逐漸增強,並開始出現兩性(硫、硒、碲的4價氧化物酸性越來越弱,二氧化釙為兩性)
化合物
二氧化硫
二氧化硫可以通過硫的燃燒取得:S+O2==點燃==SO2;也可以通過銅和
濃硫酸反應製得:Cu+2H
2SO4(濃)—Δ→CuSO4+SO2↑+2H2O。實驗室則用稀硫酸和亞硫酸鈉製備:H
2SO4+Na
2SO3==Na2SO4+SO
2↑+H
2O.
SO2有還原性,可以和氧化性物質如氯氣反應:SO2+Cl2==SO2Cl2,在有水存在時,則:SO2+Cl2+2H2O==H2SO4+2HCl;二氧化硫可以被
氧氣氧化生成
三氧化硫。二氧化硫可以被硝酸、高錳酸鉀、溴等氧化。
SO2也有氧化性,可以和還原性物質反應,如:2H2S+SO2==2H2O+3S.
SO2在水溶液中不穩定,隔絕空氣加熱可發生歧化反應:3SO2+2H2O==2H2SO4+S
SO2有漂白性,它的漂白作用是由於與某些有色物質生成不穩定的無色物質,但這種無色物質容易分解使物質恢復原來的顏色,但這只是暫時的,如被二氧化硫漂白的
品紅加熱可以恢復顏色。工業上用二氧化硫漂白紙張,所以,紙張久置後,會逐漸變黃,這是因為失去了二氧化硫的緣故。SO2的漂白屬於
化學變化。
液態的SO2可以發生
自偶電離:2SO2→SO(2+)+SO3(2-)。
SO2溶解度和溫度的關係如下表:
22 g/100ml (0 °C)
| 15 g/100ml (10 °C)
|
11 g/100ml (20 °C)
| 9.4 g/100 ml (25 °C)
|
8 g/100ml (30 °C)
| 6.5 g/100ml (40 °C)
|
5 g/100ml (50 °C)
| 4 g/100ml (60 °C)
|
3.5 g/100ml (70 °C)
| 3.4 g/100ml (80 °C)
|
3.5 g/100ml (90 °C)
| 3.7 g/100ml (100 °C)
|
硫化氫
硫化氫是一種
無機化合物,
化學式為H2S。正常情況下是一種無色、
易燃的
酸性氣體,濃度低時帶惡臭,氣味如臭
蛋;濃度高時反而沒有氣味(因為高濃度的硫化氫可以麻痹嗅覺神經)。它能溶於水,0 °C時1體積水能溶解2.6體積左右的硫化氫。硫化氫的
水溶液叫
氫硫酸,是一種弱酸,當它受熱時,硫化氫又從水裡逸出。硫化氫是一種急性劇毒,吸入少量高濃度硫化氫可於短時間內致命。低濃度的硫化氫對
眼、
呼吸系統及
中樞神經都有影響。
硫化氫是酸性的,
同時具有氧化性,它與
鹼及一些
金屬(如
銀)有
化學反應。 例如:硫化氫與硫化鈉反應生成硫氫化鈉:H2S+Na2S=2NaSH;和
銀接觸後會產生黑褐色的
硫化銀:H2S + 2Ag → Ag2S + H2↑
硫化氫有還原性,可以和二氧化硫等物質發生
氧化還原反應。(見本詞條→化合物→二氧化硫)。
實驗室製取硫化氫:FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S↑;此外,硫化氫還可以通過一些硫化物(如
硫化鋁)的
水解製取:6H2O + Al2S3 = 3H2S↑ + 2Al(OH)3.
三氧化硫
SO3是硫酸(H2SO4)的酸酐。因此,可以發生以下反應:SO3+H2O==H2SO4,這個反應進行得非常迅速,而且是放熱反應。在大約~340 °C以上時,硫酸、
三氧化硫和水才可以在
平衡濃度下共存。
SO3是強氧化劑,例如:2HBr+SO3==SO2+Br2+H2O;SO3+4Cu==CuS+3CuO
實驗室通常通過熱分解
硫酸氫鈉來製取
三氧化硫:2NaHSO4 -315°C→ Na2S2O7 + H2O ;Na2S2O7 -460°C→ Na2SO4 + SO3 。此外,
三氧化硫還可以通過
二氧化氮和
二氧化硫來製取:SO2+NO2==SO3+NO.
硫酸
硫酸(Sulfuric acid),分子式為H2SO4,是一種無色粘稠高
密度的強腐蝕性液體。是一種重要的化工原料,又稱化學工業之母,也是一種常見的
化學試劑。硫酸具有極強的腐蝕性,因此在使用時應非常小心。
硫酸的
熔點為10℃,
沸點290℃,和水混溶。
硫酸溶於水強烈放熱,因此在稀釋硫酸的時候要注意“酸入水”。濃硫酸有脫水性,如將濃硫酸滴在蔗糖上,白色的糖逐漸轉成黑色,並釋出白色的
氣體(
水蒸汽蒸發至空氣中後冷凝成的水珠):C12H22O11 → 12 C + 11 H2O 。
濃硫酸有吸水性,可以強烈的吸收水份放出熱量。(如果吸收的是
水分子,那么是吸水性,如吸收五水
硫酸銅中的五分子的水。)
濃硫酸有酸性和氧化性,其氧化性一般要在加熱的情況下才能體現出來。濃硫酸氧化產物不是
氫氣,
而是二氧化硫,硫,硫化氫或金屬硫化物(與還原劑的量,種類有關)。濃硫酸可以氧化金屬,如濃硫酸可以氧化
單質銅:Cu + 2 H2SO4 → CuSO4 + SO2 + 2 H2O(副反應有5Cu+4H2SO4→Cu2S+3CuSO4+4H2O等);濃硫酸也能氧化非金屬如磷、硫、硒、碳等,還能氧化還原性氫化物如硫化氫,碘化氫和溴化氫(還原劑過量時可分別將濃硫酸還原為硫,硫化氫和二氧化硫)。
稀硫酸和活潑金屬反應放出氫氣,如鋅和硫酸反應生成
硫酸鋅和氫氣(Zn+H2SO4==ZnSO4+H2↑),這一反應在實驗室用來製取氫氣。
個別情況下硫酸根可被還原:4Mn+5H2SO4==H2S↑+4MnSO4+4H2O。硫酸還能和
金屬氧化物反應:CuO+H2SO4==CuSO4+H2O(這種製取硫酸銅的方式比用濃硫酸直接
氧化銅要
環保)。硫酸可以和某些鹽反應:BaCl2+H2SO4==BaSO4↓+2HCl。硫酸的酸性可以使
石蕊溶液變紅。
六氟化硫
二氯化二硫
製備:由
硫與限量
氯氣在50~60°C反應16~20小時而得:2S+Cl2==S2Cl2。
二硫化碳與
氯氣在95~100°C反應製取
四氯化碳,副產二氯化二硫:CS2+3Cl2==CCl4+S2Cl2。
硫醯氯
硫醯氯極易
水解,生成
氯化氫(
鹽酸)和
硫酸:2 H2O + SO2Cl2 → 2 HCl + H2SO4
硫醯氯在100°C以上便開始分解,得到二氧化硫與氯氣,使試劑變黃。長期放置時也會發生分解。
氯化亞碸
氯化亞碸與水反應生成
氯化氫和
二氧化硫:H2O + SOCl2=SCl2 → SO2 + 2 HCl
由於氯化亞碸與水強烈反應,SOCl2不會在
自然界存在。
氯化亞碸是無色或淡黃色發煙液體,有強刺激性氣味。遇水或醇分解成二氧化硫和氯化氫。對
有機分子中的
羥基有選擇性取代作用。該物質可溶於
苯、
氯仿、
二硫化碳和
四氯化碳。加熱至150°C開始分解,500°C分解完全。
在工業上,氯化亞碸主要由
三氧化硫和
二氯化硫反應製得:SO3 + SCl2 → SOCl2 + SO2。
硫酸銅
硫酸銅,化學式CuSO4,為白色粉末, 其常見的形態為其結晶體,五水合硫酸銅(CuSO4·5H2O),為藍色
固體。其
水溶液因
水合銅離子的緣故而呈現出藍色,故在實驗室里
無水硫酸銅常被用於檢驗水的存在。在現實生產生活中,硫酸銅常用於煉製
精銅,與
熟石灰混合可制
農藥波爾多液。硫酸銅屬於
重金屬鹽,
有毒,成人致死劑量0.9g/kg。若誤食,應立即大量食用牛奶、雞蛋清等富含
蛋白質食品,或者使用
EDTA鈣鈉鹽解毒。用途:
滅菌劑:硫酸銅可以用於殺滅真菌。與
石灰水混合後生成
波爾多液,用於控制檸檬、
葡萄等作物上的真菌。稀溶液用於水族館中滅菌,以及除去蝸牛。由於銅離子對魚有毒,用量必須嚴格控制。大多數真菌只需非常低濃度的硫酸銅就可被殺滅。此外,硫酸銅也可用來控制
大腸桿菌。
硫酸銅可用於檢驗
貧血。將血樣滴入硫酸銅溶液中,若血樣中含足夠
血紅蛋白,血樣會快速下沉;若
血紅蛋白含量不夠,血樣會懸浮在溶液中。
有機合成:硫酸銅可以用於有機合成。無水鹽用於催化轉縮醛反應。五水鹽與
高錳酸鉀反應生成一種氧化劑,用於
伯醇的轉換。
化學教學:硫酸銅可用於
晶體的生成試驗和
電鍍銅實驗。硫酸銅也常用於演示
放熱反應,演示時將鎂條插入硫酸銅溶液中。硫酸銅還可以用來演示晶體失水
風化和得到
結晶水的過程。中學課本上有個用鐵
置換銅的實驗,是將
鐵條(或鐵絲)插入硫酸銅
溶液中,可以置換出紅色的銅。
二氧化硒
硒化氫
硒化氫是一種極毒、有惡臭的無色
氣體,酸性比硫化氫強,加熱灼燒可逐漸分解。可燃。通常由金屬
硒化物和水或稀酸的反應製取。
其他硒化合物
硒酸是硒的含氧酸的一種,其中硒的化合價的
氧化態為+6,同濃度下氧化性遠強於硫酸,可以溶解
金。
其他碲化合物
碲化氫是無色、有惡臭、極毒的無色
氣體,不穩定,加熱分解,有較強的還原性,可以被一些常見的氧化劑氧化。
三氧化碲〔TeO3〕是一種
無機化合物。碲的
化合價為+6。三氧化碲有兩種形式,一種是紅色的α-TeO3,一種是灰色的β-TeO3。
原碲酸是可溶於水、
易溶於熱水的白色晶體,化學式H6TeO6,是很弱的
二元酸(
電離常數為K1=2.09X10^-8, K2=6.46X10^-12),一般只有2個氫原子會被
取代,但也有個別情況6個氫原子都能被取代。原碲酸加熱分解出
三氧化碲。原碲酸是
弱酸。原碲酸有強氧化性,能溶解銀,和濃鹽酸的
混酸(存在
游離Cl2)能溶解
鉑和
金,本身被還原成
二氧化碲。SO2或N2H4能將原碲酸還原成
單質碲。
參見
氮族元素(
Pnictogen、Nitrogen group)