Элементы VI A группы

К элементам VI A группы относятся кислород O, сера S, селен Se, теллур Te, полоний Po и ливерморий Lv. Групповое название их – «халькогены», что означает «рождающие руды». Кислород, сера, селен и теллур – неметаллы, а полоний и ливерморий – радиоактивные элементы.

В VIA группе сверху вниз увеличивается заряд ядра, относительная атомная масса, радиус атома также увеличивается. По группе сверху вниз уменьшается энергия ионизации, электроотрицательность.

Строение внешнего энергетического уровня имеет общую схему – ns²np⁴, где n – номер электронного слоя.

Для кислорода наиболее характерна степень окисления -2, но есть соединения, в который степень окисления кислорода другая. Например, в перекиси водорода степень окисления кислорода -1 (H₂O₂), во фториде кислорода – +2 (OF₂), в надпероксидах – -1/2 (KO₂), в озонидах – -1/3 (CsO₃).

У серы, селена и теллура характерные степени окисления: -2,+2, +4, +6.

Кислород и сера имеют аллотропные модификации. У кислорода – это кислород и озон. А у серы – это ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Кислород не имеет запаха и цвета. Озон – газ голубого цвета с резким запахом. Ромбическая сера представляет собой жёлтые кристаллы, а пластическая сера – резиноподобная коричневая масса. Кристаллическая решётка у этих аллотропных модификаций – молекулярная.

В природе кислород встречается в воздухе (21 %), сера встречается в виде залежей самородной серы, сульфидов и сульфатов. Например, пирит (FeS₂), цинковая обманка (ZnS), галенит (PbS).

В промышленности кислород получают фракционной перегонкой сжиженного воздуха, электролизом воды. Кислород в природе также образуется в процессе фотосинтеза:

2H₂O = 2H₂↑ + O₂↑

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑.

В лаборатории кислород можно получить разложением бертолетовой соли, перманганата калия, разложением перекиси водорода, некоторых нитратов:

2KClO₃ = 2KCl + 3O₂↑

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂↑.

Озон образуется из кислорода под действием электрического разряда.

Сера, кислород и особенно озон обладают высокой химической активностью. Кислород не реагирует с благородными газами, галогенами, серебром, золотом, платиной. Сера не реагирует с благородными газами, азотом, селеном, йодом.

 Кислород и сера реагируют с металлами. Так, в реакции кислорода с литием образуется оксид лития, в реакции кислорода с железом – железная окалина, в реакции кислорода с медью – оксид меди (II). В реакции серы с алюминием образуется сульфид алюминия, в реакции серы с медью – сульфид меди (II), в реакции серы с ртутью – сульфид ртути (II):

4Li + O₂ = 2Li₂O

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

2Cu + O₂ = 2CuO

2Al + 3S = Al₂S₃

Cu + S = CuS

Hg + S = HgS.

Кислород и сера реагируют и с неметаллами.

Так, в реакции избытка кислорода с фосфором образуется оксид фосфора (V), в реакции кислорода с водородом – вода, в реакции кислорода с азотом – оксид азота (II). Сера также реагирует с неметаллами. Так, в реакции серы с водородом образуется сероводород, в реакции серы с фосфором образуется сульфид фосфора (III), в реакции серы с углеродом образуется сероуглерод:

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

2H₂ + O₂ = 2H₂O

N₂ + O₂ ↔ 2NO

H₂ + S = H₂S

2P + 3S = P₂S₃

C + 2S = CS₂.

Кислород и сера реагируют также и со сложными веществами. В результате взаимодействия сульфида меди (II) с кислородом образуется оксид меди (II) и оксид серы (IV), в результате взаимодействия оксида углерода (II) с кислородом образуется оксид углерода (IV), в результате взаимодействия кислорода с метаном образуется оксид углерода (IV) и вода. В реакции серы с концентрированной азотной кислотой образуется оксид азота (IV), серная кислота и вода, в реакции серы с бертолетовой солью образуется хлорид калия и оксид серы (IV), в реакции серы со щёлочью – гидроксидом калия при нагревании образуется сульфит калия, сульфид калия и вода:

2CuS + 3O₂ = 2CuO + 2SO₂↑

2CO + O₂ = 2CO₂

CH₄ + 2O₂ = CO₂↑ + H₂O

S + 6HNO₃ (конц.) = 6NO₂↑ + H₂SO₄ + 2H₂O

3S + 2KClO₃ = 2KCl + 3SO₂↑

3S + 6KOH = K₂SO₃ + 2K₂S + 3H₂O.

Сравним свойства двух соединений серы – сероводорода и оксида серы (IV). Сероводород при обычных условиях газ с неприятным запахом, ядовит, умеренно растворим в воде. Водный раствор сероводорода – это слабая двухосновная кислота.

Оксид серы (IV) – газ с резким характерным запахом. Хорошо растворим в воде, где образует неустойчивую двухосновную кислоту.

Сероводород легко разлагается при нагревании с образованием серы и водорода. Сероводород реагирует с металлами. Например, в реакции с железом образуется сульфид железа (II). При горении сероводорода в избытке кислорода образуется оксид серы (IV) и вода, при горении в недостатке кислорода образуется сера и вода. В реакции сероводорода с оксидом серы (IV) образуется сера и вода:

H₂S = H₂ + S

Fe + H₂S = FeS + H₂↑

2H₂S + 3O₂ = 2SO₂↑ + 2H₂O

2H₂S + O₂ = 2S + 2H₂O

2H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O.

 Оксид серы (IV) в реакции с кислородом образует оксид серы (VI). В реакции сернистого газа с перманганатом калия и водой образуются сульфат марганца (II), сульфат калия и серная кислота:

2SO₂ + O₂ ↔ 2SO₃

5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 2H₂SO₄.

Сероводород при растворении в воде образует сероводородную кислоту, которая диссоциирует ступенчато с образованием ионов водорода:

H₂S ↔ H⁺ + HS^-

HS^- ↔ H⁺ + S^2-.

Сероводородная кислота реагирует со щелочами и солями. Так, в реакции сероводородной кислоты с гидроксидом калия образуется сульфид калия и вода. В реакции сульфата меди (II) с сероводородной кислотой образуется сульфид меди (II) серная кислота:

2KOH + H₂S = K₂S + 2H₂O

CuSO₄ + H₂S = CuS↓ + H₂SO₄.

Сернистый газ в воде образует сернистую кислоту, которая диссоциирует ступенчато. Сернистая кислота вытесняет из солей слабые кислоты. Так, в реакции карбоната натрия с сернистой кислотой образуются сульфит натрия, оксид углерода (IV) и вода, в реакции сернистой кислоты с силикатом калия образуются сульфит калия и кремниевая кислота:

SO₂ + H₂O ↔ H₂SO₃

H₂SO₃ ↔ H⁺ + HSO₃^-

HSO₃^- ↔ H⁺ + SO₃^2-

Na₂CO₃ + H₂SO₃ = Na₂SO₃ + CO₂↑ + H₂O

K₂SiO₃ + H₂SO₃ = K₂SO₃ + H₂SiO₃↓.

Получают сероводород из сульфидов. Так, в реакции сульфида железа (II) с соляной кислотой образуются хлорид железа (II) и сероводород:

FeS + 2HCl = FeCl₂ + H₂S↑.

Сернистый газ получают в реакции горения серы. Его можно получить в реакциях концентрированной серной кислоты с неактивными металлами. Так, в реакции меди с концентрированной серной кислотой образуются сульфат меди (II), оксид серы (IV) и вода. В реакции серной кислоты с сульфитом натрия образуются сульфат натрия сернистый газ и вода:

S + O₂ = SO₂

Cu + 2H₂SO₄ (конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

Na₂SO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.

Серная кислота – ещё одно соединение серы. Она представляет собой тяжёлую бесцветную маслянистую жидкость, не имеет запаха, с водой смешивается в любых отношениях.

Получают серную кислоту трёхстадийным синтезом из пирита. На первой стадии идёт обжиг пирита, затем оксид серы (IV) переводят в оксид серы (VI) и на третьей стадии оксид серы (VI) смешивают с водой:

FeS₂ → SO₂ ↔ SO₃ → H₂SO₄.

Разбавленная и концентрированная серная кислота имеет разные химические свойства.

Разбавленная серная кислота является сильным электролитом. Она диссоциирует полностью и изменяет окраску индикаторов:

H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄^2-.

Разбавленная серная кислота реагирует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода. Так, в реакции алюминия с серной кислотой образуются сульфат алюминия и водород:

2Al + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂↑.

 Серная кислота реагирует с основными и амфотерными оксидами. Так, в реакции серной кислоты с оксидом натрия образуются сульфат натрия и вода:

Na₂O + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + H₂O

ZnO + H₂SO₄ ZnSO₄ + H₂O.

В реакции серной кислоты с оксидом цинка образуются сульфат цинка и вода.

Серная кислота реагирует с основаниями, аммиаком и его водными растворами:

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O

Cu(OH)₂ + H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O

2NH₃ + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄.

Так, в реакции гидроксида натрия с серной кислотой образуются сульфат натрия и вода, в реакции гидроксида меди (II) с серной кислотой образуются сульфат меди (II) и вода, в реакции аммиака с серной кислотой образуется сульфат аммония.

Разбавленная серная кислота реагирует с солями, если образуется осадок, газ, слабый электролит. Так, в реакции серной кислоты с карбонатом натрия образуются сульфат натрия, оксид углерода (IV) и вода. В реакции хлорида кальция с серной кислотой образуются осадок сульфат кальция и соляная кислота. В реакции фосфата калия с серной кислотой образуется сульфат кали и слабый электролит – фосфорная кислота:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + CO₂↑ + H₂O

CaCl₂ + H₂SO₄ = CaSO₄↓ + 2HCl

2K₃PO₄ + 3H₂SO₄ = 3K₂SO₄ + 2H₃PO₄.

Реактивом на сульфат-ион является ион бария, так как образуется белый осадок – сульфат бария, который не растворяется в разбавленных кислотах.

Концентрированная серная кислота, в отличие от разбавленной, имеет ряд особенностей. Концентрированная серная кислота не реагирует с золотом и платиной ни при каких условиях. При обычных условиях железо, хром и алюминий также не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за образования защитной оксидной плёнки. Например, в реакции железа с концентрированной серной кислотой при нагревании образуется сульфат железа (III), сернистый газ и вода:

2Fe + 6H₂SO₄ (конц.) = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O.

Если в реакцию с концентрированной серной кислотой вступает металл средней активности, то вместо сернистого газа, как правило, образуется сероводород. Так, в реакции цинка с концентрированной серной кислотой образуются сульфат цинка, сероводород и вода:

4Zn + 3H₂SO₄ = 4ZnSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O.

 Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы. Так в реакции с углеродом, она образует оксид углерода (IV), оксид серы (IV) и воду, в реакции с фосфором – фосфорную кислоту, оксид серы (IV) и воду, а в реакции с серой – оксид (IV) и воду:

C + 2H₂SO₄ = CO₂ + 2SO₂↑ + 2H₂O

2P + 5H₂SO₄ = 2H₃PO₄ + 5SO₂↑ + 2H₂O

S + 2H₂SO₄ = 3SO₂↑ + 2H₂O.

Концентрированная серная кислота превращает сульфаты в гидросульфаты. Например, в реакции сульфата калия с концентрированной серной кислотой образуется гидросульфат калия:

K₂SO₄ + H₂SO₄ = KHSO₄.

Также она вытесняет из твёрдых солей соляную, азотную и хлорную кислоты. Так, в реакции твёрдого нитрата калия с концентрированной серной кислотой образуются гидросульфат калия и азотная кислота:

KNO₃ (тв.) + H₂SO₄ (конц.) = KHSO₄ + HNO₃↑.