§ 15. Общая характеристика элементов подгруппы кислорода и их простых веществ

Определения и обозначения

Халькогены — элементы 16-й группы главной подгруппы: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Название пришло из греческого и связывается со словами «медь» и «рождать», поскольку многие халькогены входят в состав медных руд. Это слово помогает обозначить всю группу элементов с похожим строением внешнего электронного слоя.

Электронная конфигурация внешнего уровня халькогенов записывается как ns²np⁴, где n обозначает номер энергетического уровня. В сумме у атома шесть внешних электронов: два на s-подуровне и четыре на p-подуровне. Эта запись помогает понять, как атомы вступают в реакции и почему элементы одной группы имеют общие черты.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, кислород бывает в форме молекул O₂ и O₃, а сера — в виде разных кристаллических форм. Понятие аллотропии нужно, чтобы не принимать разные простые вещества одного элемента за разные элементы.

Аллотропные модификации — простые вещества одного элемента, отличающиеся строением. К ним относятся кислород и озон, а также ромбическая и моноклинная сера. Сравнение модификаций показывает, что состав из атомов одного элемента сам по себе не гарантирует одинаковых свойств вещества.

Как это устроено

Халькогены стоят в одной группе Периодической системы, потому что у их атомов одинаковое число электронов на внешнем уровне и сходная конфигурация ns²np⁴. В химических реакциях именно внешние электроны в первую очередь участвуют в образовании связей. Поэтому у элементов группы повторяются некоторые типы соединений и закономерности поведения, хотя сами элементы не становятся одинаковыми.

Шести внешних электронов не хватает двух до завершения внешнего уровня, поэтому атом халькогена может принять два электрона или образовать ковалентные связи. В соединениях с металлами и водородом часто проявляется степень окисления −2, а у серы возможны также +4 и +6. Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении; положительные значения серы связаны с тем, что она может участвовать в образовании нескольких связей с более электроотрицательными элементами. Вниз по группе радиус увеличивается, а способность притягивать электроны в целом ослабевает.

Сверху вниз по группе каждый следующий элемент имеет дополнительный электронный слой, поэтому радиус его атома становится больше. Внешние электроны дальше от ядра и слабее удерживаются, вследствие чего неметаллические свойства ослабевают. Это отражается и на простых веществах: кислород и сера — неметаллы, тогда как у нижних элементов группы заметнее металлические признаки. Изменение происходит постепенно, а не превращает все элементы группы в вещества с одинаковыми свойствами.

Простые вещества халькогенов различаются агрегатным состоянием, окраской и строением. При обычных условиях кислород — бесцветный газ из двухатомных молекул O₂, а сера — жёлтое твёрдое вещество, обычно состоящее из колец S₈. Селен и теллур — твёрдые вещества с более сложным строением, а радиоактивный полоний обладает металлическими свойствами. Различие строения частиц и ослабление неметаллических свойств помогают объяснить, почему физический облик веществ в группе меняется.

Кислород и сера взаимодействуют с металлами, образуя оксиды и сульфиды, а с водородом — воду и сероводород. В этих реакциях атомы перераспределяют электроны: один участник отдаёт их, другой принимает, поэтому реакции являются окислительно-восстановительными. Кислород — сильный окислитель, то есть он активно принимает электроны; сера тоже может выступать окислителем, например при реакции с металлом. Характер реакции зависит от реагентов и от того, как меняются степени окисления элементов.

Элементы 16-й группы и их простые вещества

Сопоставляйте элементы построчно: так видно, как меняются число внешних электронов, степени окисления и свойства простых веществ. У всех элементов группы внешних электронов шесть, но строение и внешний вид простых веществ различаются. Значения в таблице для тяжёлых элементов указаны как типичные, а не как исчерпывающий перечень возможных форм.

Разбор задач

Задача 1. Запишите электронную конфигурацию внешнего уровня атома серы и укажите число электронов на этом уровне.

1. Сера находится в 16-й группе, поэтому использует общую для халькогенов конфигурацию ns²np⁴.

2. У серы номер энергетического уровня n равен 3: она расположена в третьем периоде. Подставляем это значение и получаем 3s²3p⁴.

3. Складываем показатели степеней: на s-подуровне два электрона, на p-подуровне четыре. Всего на внешнем уровне 2 + 4 = 6 электронов.

Ответ: внешняя конфигурация серы — 3s²3p⁴; на внешнем уровне шесть электронов.

Задача 2. Укажите степень окисления серы в H₂S, SO₂ и SO₃, объяснив связь результата с положением серы в группе.

1. В нейтральном соединении сумма степеней окисления равна нулю. В H₂S водород обычно имеет +1, поэтому два атома водорода дают суммарно +2.

2. Чтобы сумма в H₂S стала нулевой, сера должна иметь −2. В SO₂ кислород обычно имеет −2, два атома дают −4, значит, сера имеет +4.

3. В SO₃ три атома кислорода дают −6, поэтому степень окисления серы равна +6. Сера — халькоген с шестью внешними электронами; в разных соединениях она может принимать электроны или образовывать связи, поэтому её степень окисления не ограничивается значением −2.

Ответ: в H₂S у серы −2, в SO₂ +4, в SO₃ +6.

Задача 3. Сравните кислород и серу по неметаллическим свойствам и предскажите, какое простое вещество активнее взаимодействует с металлами.

1. Кислород расположен выше серы в 16-й группе. Вниз по группе радиусы атомов увеличиваются, а неметаллические свойства ослабевают, поэтому кислород проявляет неметаллические свойства сильнее.

2. При взаимодействии с металлом простое вещество, принимающее электроны, выступает окислителем. Кислород обычно принимает электроны активнее серы, что объясняется его более выраженными неметаллическими свойствами.

3. По этому признаку можно предсказать более активное взаимодействие кислорода с металлами. Однако конкретная скорость и возможность реакции зависят также от самого металла и условий, поэтому сравнение по группе даёт общий прогноз, а не описание каждой реакции.

Ответ: неметаллические свойства сильнее выражены у кислорода; в общем случае кислород активнее взаимодействует с металлами как окислитель.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать, что элементы одной группы обладают одинаковыми свойствами. Их объединяет сходное строение внешнего уровня, но вниз по группе увеличивается радиус и ослабевают неметаллические свойства. Такую ошибку допускают, запоминая общее правило без учёта периодических изменений; проверяйте себя сравнением кислорода, серы и теллура.

• Ошибка — путать химический элемент O и простое вещество O₂. Буква O обозначает атомы кислорода в составе веществ или сам элемент, а формула O₂ — молекулу простого вещества. Чтобы проверить запись, спросите себя, указаны ли атомы элемента или частицы конкретного вещества.

• Ошибка — считать озон отдельным химическим элементом. Он состоит из атомов кислорода, но его молекула O₃ устроена иначе, чем молекула O₂, поэтому вещества имеют разные свойства. Это заблуждение возникает из-за разных названий; проверьте состав формул: в обеих присутствует только кислород.

• Ошибка — приписывать сере только степень окисления −2. В H₂S она действительно равна −2, но в SO₂ и SO₃ имеет соответственно +4 и +6. Причина ошибки — обобщение одного знакомого примера; проверяйте степень окисления расчётом по формуле и правилам суммы зарядов.

Связь с другими темами

Для понимания халькогенов понадобятся знания о строении атома и электронных оболочках, а также связь номера группы с числом внешних электронов. Умение определять степени окисления помогает разбирать формулы соединений и распознавать окислительно-восстановительные реакции. Эти знания пригодятся при изучении оксидов, кислот и соединений кислорода и серы. Они также помогают объяснять закономерности изменения свойств элементов в Периодической системе.

Что запомнить

• Халькогены — элементы 16-й группы: O, S, Se, Te и Po.

• Внешний электронный слой атомов халькогенов имеет конфигурацию ns²np⁴.

• Сверху вниз в группе радиус атома увеличивается, а неметаллические свойства ослабевают.

• Кислород и сера — неметаллы; их простые вещества имеют разные физические свойства.

• Кислород и озон — аллотропные модификации кислорода.

• Сера образует несколько аллотропных модификаций.