Chalkogeny
Hlavní záložky
1. Elektronová konfigurace p4-prvků
Označení p4-prvky znamená, že 4 valenční elektrony (ty, které se nachází v nejvzdálenější obsazené - valenční - vrstvě od jádra) těchto prvků se nachází v orbitalu typu p. Elektronová konfigurace p4-prvků je tedy: [VP] ns2 np4
(VP... vzácný plyn n ... číslo periody, kde se daný prvek nachází)
Všechny p4-prvky se souhrnně označují pojmem chalkogeny, ačkoliv některá literatura z nich vyčleňuje kyslík kvůli jeho odlišným vlastnostem. Tyto prvky se mohou vyskytovat ve všech oxidačních stavech od -II do VI. Kyslík, síra a selen patří mezi nekovy, tellur a polonium se řadí k polokovům. Kyslík je za běžných podmínek plyn bez barvy, chuti i zápachu. V kapalném skupenství však má namodralou barvu. Kyslík je příčinou hoření látek, čili samotný je též vysoce hořlavý (obzvláště pak v kapalném skupenství). Tento plyn je částečně rozpustný ve vodě, což umožňuje dýchání vodním živočichům. Jeho rozpustnost je zapříčiněna vodíkovými vazbami mezi molekulami kyslíku a vody.
Obr.: Kapalný kyslík
Jelikož atom kyslíku (kyslíkový radikál) má ve svém valenčním orbitalu celkem 2 nespárované elektrony, čili by byl za běžných podmínek značně reaktivní, stabilizuje se vytvořením své dvouatomové molekuly O2.
Obr.: Molekula kyslíku
|
Kyslík atomární (O) je reaktivnější, než molekulový (O2). Atomární kyslík vzniká například rozkladem ozonu, kyseliny chlorné či chlornanu sodného. Tyto reakce probíhá při úpravě vody, neboť atomární kyslík ničí membrány všech živých buněk. Znamená to, že kyslíkový radikál likviduje choroboplodné zárodky. Rovnice vzniku atomárního kyslíku jsou: O3 → O2 + O HClO → HCl + O NaClO → NaCl + O |
Tříatomová forma kyslíku O3 se nazývá ozon. Jedná se o bezbarvý plyn, který dráždí sliznice a oči.
Obr.: Molekula ozonu
Síra je žlutý křehký prvek. Může se vyskytovat v několika modifikacích – krystalické (jednoklonné, kosočtverečná) či amorfní (plastická síra, sirný květ). Krystalická síra vytváří osmiatomové molekuly S8. Na vzduchu hoří namodralým plamenem.
Obr.: Krystalická síra
Obr.: Molekula síry
Plastická síra vzniká prudkým ochlazením roztavené síry. Sirný květ se objevuje u ústí zkumavky, ve které síru zahříváme.
"Do zkumavky nasypeme 5 g síry a zkumavku uchopíme do držáku. Zapálíme kahan a síru ve zkumavce roztavíme. Zahříváme přitom zkumavku po celém jejím vnějším obvodu. Jakmile se síra roztaví, přelijeme ji do kádinky se studenou vodou. Ochlazenou síru poté vyjmeme z misky a otestujeme její plastičnost."
Plynný kyslík je součástí zemské atmosféry, kde zaujímá přibližně 21 % jejího objemu. Nalezneme ho také vázaný v mnoha přírodních látkách, minerálech a sloučeninách (jako je třeba voda). Ozón, tříatomový kyslík, tvoří souvislou vrstvu, která se nachází přibližně 25 km nad zemským povrchem (ve stratosféře). Tento plyn se štěpí účinkem UV záření. V zemské atmosféře se může krátkodobě vyskytovat, neboť vzniká například fotochemickou reakcí kyslíku s výfukovými plyny nebo při bouřce. Způsobuje "bouřkový zápach".
Síra se v přírodě vyskytuje jako volná (například v blízkosti sopek) či vázaná v minerálech, jako například sádrovci CaSO4 • 2 H2O, anhydritu CaSO4, barytu BaSO4, sfaleritu ZnS, galenitu PbS, rumělce HgS či pyritu FeS2. Kromě toho je vázána v bílkovinách (aminokyseliny cystein a methionin).
Obr.: Obrázek sádrovce, anhydritu a barytu
Selen a tellur často doprovází síru, polonium nalezneme v uranových rudách.
V laboratoři se kyslík často připravuje termickým (tepelným) rozkladem kyslíkatých sloučenin, v nichž je centrální atom vázán ve vyšším oxidačním stavu (např. manganistanu draselného KMnO4, chlorečnanu draselného KClO3 či oxidu olovičitého PbO2). Rozklad manganistanu draselného probíhá dle následující chemické rovnice:
2 KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2
"Do zkumavky nasypeme 3 g manganistanu draselného a zkumavku připevníme pomocí svorky a držáku k laboratornímu stojanu. Zapálíme plynový kahan a zkumavku začneme pozvolna zahřívat. Jakmile začneme pozorovat únik plynu z manganistanu (tvorba par), zapálíme špejli, rychlým kmihem ruky ji necháme doutnat a poté ji vložíme do zkumavky - špejle vzplane."
Jinou možností přípravy je katalytický rozklad peroxidu vodíku H2O2. Funkci katalyzátoru často zaujímá oxid manganičitý MnO2 (burel):
2 H2O2 → 2 H2O + O2
"Do pětiny objemu kuželové baňky nalijeme 30 % peroxid vodíku a přisypeme do něj 2 g oxidu manganičitého. Zapálíme špejli, kmihem ruky ji necháme doutnat a poté ji vložíme do baňky. Následně nasajeme do pipety 5 ml 10 % kyseliny sírové a nalijeme ji do baňky s peroxidem."
Poprvé byl kyslík syntetizován termickým rozkladem oxidu rtuťnatého HgO. Druhým produktem byla poté kovová rtuť:
2 HgO → 2 Hg + O2
V průmyslovém měřítku se však využívají jiné reakce pro výrobu kyslíku. Často se získává frakční destilací zkapalněného vzduchu (-182 °C) či elektrolýzou vody H2O. Druhá reakce probíhá dle následující rovnice:
2 H2O → 2 H2 + O2
V přírodě vzniká kyslík při fotosyntéze. Je produkován rostlinami, jako vedlejší produkt, při jejich přeměně oxidu uhličitého CO2 a vody H2O na sacharid glukosu C6H12O6:
6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
Ozon se připravuje reakcí peroxidu barnatého s kyselinou sírovou:
3 BaO2 + 3 H2SO4 → 3 BaSO4 + 3 H2O + O3
Elementární síra se těží ve formě minerálu, avšak je ji možné izolovat i z ropy či zemního plynu.
5. Využití kyslíku, ozonu a síry
Kyslík nachází široké uplatnění v lékařství (kyslíkové přístroje), sportu (kyslíkové láhve pro potápěče, horolezce a letce), raketoplánech (kyslík slouží jako palivo při startu kosmických lodí) či třeba chemickém průmyslu. Velký význam má kyslík pro lidi, zvířata a další živé organismy, neboť umožňuje dýchání, a tak samotný život. Zásobní láhve s kyslíkem používají i hasiči při zásazích. Ozon se využívá jako dezinfekce (např. při čištění vody) nebo při bělení prádla.
Síra se využívá ve vinařství (síření sudů), k výrobě výbušnin (střelný prach) či k vulkanizaci kaučuku.
6. Chemické reakce kyslíku a síry
Pro slučování látek s kyslíkem používáme triviální označení oxidace. Tato reakce může probíhat různou rychlostí. Příkladem pomalé oxidace je koroze, rychlou oxidací je hoření. Hoření je prudká oxidace látek vzdušným kyslíkem. Oxidací některých prvků vznikají jejich oxidy:
4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3
Hořením síry vzniká oxid siřičitý:
S + O2 → SO2
"Baňku naplníme kyslíkem a opatříme ji zátkou. Zapálíme kahan a na spalovací lžičce zapálíme síru. Jakmile síra vzplane, vloží lžičku s ní do baňky. Pozorujeme zbarvení plamene hořící síry."
