"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Халькогены — элементы 16-й группы: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Их атомы имеют по шесть электронов на внешнем уровне, поэтому у элементов есть общие черты в химическом поведении, хотя свойства заметно меняются сверху вниз. Знание этой закономерности помогает объяснять состав соединений, предсказывать окислительные свойства простых веществ и отличать химический элемент от его форм существования, например кислород от озона.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Халькогены — элементы 16-й группы периодической системы: кислород, сера, селен, теллур и полоний. Их объединяет сходное строение внешнего электронного слоя и связанные с ним закономерности химического поведения. Это название удобно, когда нужно сравнить элементы группы и предсказать свойства ещё не изученного соединения.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Кислород образует молекулы O₂ и O₃, а у серы известны, например, ромбическая, моноклинная и пластическая модификации. Понятие помогает отличать разнообразие веществ от разнообразия химических элементов.
Атом халькогена содержит шесть электронов на внешнем энергетическом уровне; общая схема электронной конфигурации этого уровня — ns²np⁴. Буква n обозначает номер внешнего энергетического уровня, а показатели указывают число электронов на подуровнях. Такая запись помогает установить положение элемента в группе и объяснить его способность образовывать химические связи.
Озон — простое вещество кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов и имеют формулу O₃. Двухатомный кислород O₂ — другое простое вещество того же элемента. Это различие нужно, чтобы не смешивать символ химического элемента O с формулами конкретных веществ.
Все халькогены расположены в 16-й группе, потому что у их атомов одинаковое число внешних электронов — шесть. При образовании связей внешний слой стремится к более устойчивому состоянию, поэтому элементы группы проявляют некоторые общие свойства. Однако одинаковое число электронов не означает полного совпадения свойств: на них влияет размер атома и его положение в периодической системе.
От кислорода к полонию добавляются энергетические уровни, поэтому атомный радиус увеличивается. Внешние электроны оказываются дальше от ядра и слабее им притягиваются, вследствие чего электроотрицательность в целом уменьшается. Атомам становится легче проявлять металлический характер: кислород и сера — неметаллы, селен и теллур имеют промежуточные признаки, а полоний проявляет металлические свойства.
Кислороду свойственна высокая электроотрицательность, поэтому в соединениях он обычно притягивает электроны и имеет степень окисления −2; чаще всего он образует две ковалентные связи. У серы и более тяжёлых халькогенов внешние электроны удерживаются слабее, поэтому в соединениях с кислородом или фтором возможны степени окисления +4 и +6. Например, сера имеет степень окисления +4 в SO₂ и +6 в SO₃.
Окислитель принимает электроны в химической реакции, а окислительные свойства показывают способность вещества выступать в этой роли. Сверху вниз по группе атомы слабее притягивают электроны, поэтому окислительные свойства простых веществ халькогенов в общем случае уменьшаются. Это тенденция, а не правило для любой реакции: на результат также влияют реагенты и условия.
Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, а простое вещество состоит из атомов одного элемента. Поэтому O₂ и O₃ — два простых вещества элемента кислорода, а ромбическая и моноклинная сера — формы простого вещества серы. Различие важно при записи реакций: формула вещества показывает состав его частиц, а символ элемента обозначает вид атомов.
| Характеристика | Кислород | Сера | Селен | Теллур | Полоний |
|---|---|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе | 2-й период, 16-я группа | 3-й период, 16-я группа | 4-й период, 16-я группа | 5-й период, 16-я группа | 6-й период, 16-я группа |
| Электронная конфигурация внешнего уровня | 2s²2p⁴ | 3s²3p⁴ | 4s²4p⁴ | 5s²5p⁴ | 6s²6p⁴ |
| Типичные степени окисления | −2; также −1, +2 | −2, +4, +6 | −2, +4, +6 | −2, +4, +6 | −2, +2, +4 |
| Характер простого вещества | Неметалл, газ | Неметалл, твёрдое вещество | Неметалл, твёрдое вещество | Полуметалл, твёрдое вещество | Металл, твёрдое вещество |
| Характерные аллотропные формы | O₂, O₃ | Ромбическая, моноклинная, пластическая | Серая, красная, чёрная | Кристаллическая, аморфная | Аллотропные формы изучены ограниченно |
| Изменение неметаллических свойств в группе | Наибольшие | Ослабевают | Ослабевают | Слабые | Металлический характер |
Сначала сравнивайте строки, чтобы проследить изменение одного свойства сверху вниз, а затем — столбцы, чтобы увидеть общую характеристику элемента. Таблица показывает общие тенденции, поэтому отдельные степени окисления и свойства могут зависеть от состава соединения и условий.
Укажите положение элемента с конфигурацией внешнего уровня 3s²3p⁴ в периодической системе и назовите его группу.
Определяем период по числу 3: внешний энергетический уровень третий, значит, элемент находится в 3-м периоде.
Складываем электроны внешнего уровня: 2 + 4 = 6. Для главных подгрупп это соответствует 16-й группе.
Сопоставляем конфигурацию с известными элементами группы: конфигурация 3s²3p⁴ принадлежит сере.
Ответ: сера, 3-й период, 16-я группа.
Запишите формулы оксидов серы, в которых сера имеет степени окисления +4 и +6, и объясните выбор формул.
В оксидах кислород обычно имеет степень окисления −2. Соединение в целом нейтрально, поэтому сумма степеней окисления всех атомов должна быть равна нулю.
Для серы со степенью окисления +4 нужны два атома кислорода: +4 + 2 × (−2) = 0. Получаем формулу SO₂.
Для серы со степенью окисления +6 нужны три атома кислорода: +6 + 3 × (−2) = 0. Получаем формулу SO₃.
Ответ: оксид серы(IV) — SO₂, оксид серы(VI) — SO₃.
Сравните окислительные свойства кислорода и серы в реакциях с водородом; запишите уравнения и объясните изменение свойств в группе.
В реакции с кислородом образуется вода. Ставим коэффициенты, чтобы число атомов водорода и кислорода совпадало по обе стороны уравнения: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Водород реагирует с серой при нагревании с образованием сероводорода: H₂ + S → H₂S. Оба уравнения показывают, что халькогены принимают электроны от водорода, выступая окислителями.
Кислород реагирует с водородом энергично, а для реакции с серой обычно требуется нагревание. Это согласуется с общей тенденцией ослабления окислительных свойств простых веществ сверху вниз по группе.
Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; H₂ + S → H₂S. Окислительные свойства кислорода выражены сильнее, чем серы.
Считать халькогены только неметаллами — ошибка, потому что свойства элементов меняются по группе. Её часто допускают, запомнив признаки кислорода и серы и распространив их на всех соседей. Проверьте себя по положению элемента: у полония выражен металлический характер.
Путать химический элемент кислород с O₂ или O₃ — значит смешивать вид атомов и простое вещество. Это происходит из-за сходных названий и символов. Проверка проста: O обозначает элемент, O₂ и O₃ — формулы разных простых веществ.
Приписывать всем халькогенам только степень окисления −2 неверно: у серы и более тяжёлых элементов возможны положительные значения, например +4 и +6. Ошибку провоцирует привычка к простым соединениям с водородом или металлами. Проверяйте степень окисления по формуле и учитывайте, с каким элементом соединён халькоген.
Считать, что окислительные свойства усиливаются вниз по группе, — значит обращать периодическую тенденцию вспять. Обычно эту ошибку допускают, перенося на всю группу закономерность, замеченную в отдельной реакции. Сверьте положение элементов: сверху вниз растёт радиус и в целом ослабевает способность простых веществ принимать электроны.
Для изучения халькогенов нужны знания о строении атома и электронных конфигурациях: они помогают определить группу и объяснить сходство элементов. Также понадобятся степени окисления, ковалентная связь и правила составления формул бинарных соединений. Эти знания применяются при изучении кислорода, серы и их соединений, окислительно-восстановительных реакций и периодического изменения свойств элементов.
Почему кислород и серу относят к одной группе, если их свойства различаются?
У атомов кислорода и серы одинаковое число электронов на внешнем уровне — шесть, поэтому у них есть общие закономерности в образовании соединений. Различия связаны с тем, что атом серы крупнее, а неметаллические свойства в группе ослабевают сверху вниз.
Сколько электронов на внешнем уровне у атомов халькогенов?
У атомов всех халькогенов на внешнем уровне шесть электронов. Их общая схема внешней электронной конфигурации — ns²np⁴.
Почему кислород обычно не проявляет степень окисления +4 или +6?
У кислорода маленький атом и высокая электроотрицательность, поэтому он обычно притягивает электронную плотность и имеет степень окисления −2. Положительные степени окисления кислороду нехарактерны; исключение — соединения с более электроотрицательным фтором, например OF₂.
Чем кислород отличается от озона?
Кислород как химический элемент обозначают O, а O₂ и O₃ — разные простые вещества, образованные его атомами. Обычный кислород состоит из двухатомных молекул, а озон — из трёхатомных.
Как меняются неметаллические и окислительные свойства халькогенов сверху вниз?
При движении от кислорода к полонию атомный радиус растёт, а электроотрицательность и неметаллический характер в целом уменьшаются. Окислительные свойства простых веществ также обычно ослабевают, хотя конкретная реакция зависит от условий.
§ 19. Халькогены
