hapen ja rikin kemia

oksigeenin kemia

happi on tämän planeetan runsain alkuaine. Maan kuoressa on 46,6 painoprosenttia happea, valtamerissä 86 painoprosenttia happea ja ilmakehässä 21 tilavuusprosenttia happea. Thename happi tulee kreikan varret oxys, ”happo”, ja gennan, ” muodostaa orgenerate.”Happi tarkoittaa siis kirjaimellisesti” haponmuodostajaa.”Tämän nimen otti käyttöön Lavoisier, joka havaitsi, että runsaasti happea sisältävät yhdisteet, kuten SO2 ja P4O10,liukenevat veteen antamaan happoja.

happiatomin elektronikonfiguraatio 2s22p4 viittaa siihen, että neutraalit happiatomit voivat saavuttaa oktetin valenssielektroneja jakamalla kaksi elektroniparia muodostaen o=O-kaksoissidoksen, kuten alla olevasta kuvasta käy ilmi.

tämän Lewis-rakenteen mukaan kaikki theO2-molekyylin elektronit ovat pareittain. Yhdisteen tulisi näin ollen olla diamagneettinen amagneettisen kentän tulee karkottaa se. Kokeellisesti O2: n on todettu olevan paramagneettinense kiinnittyy magneettikenttään. Tämä voidaan selittää olettamalla, että O2-molekyylin * antibondingmolekulaarisissa orbitaaleissa on kaksi paritonta elektronia.

alle-183oc: n lämpötiloissa O2condensoituu muodostaen nestettä, jonka ominaisväri on vaaleansininen ja jonka aallonpituus on 630 nm. Tätä absorptiota ei nähdä kaasufaasissa ja se on verrattain heikkoa nesteessäkin, koska se edellyttää, että kolmeydin kaksi O2-molekyyliä ja fotoni törmää toisiinsa keskenään, mikä on hyvin harvinainen ilmiö jopa theliquid-faasissa.

otsonin kemia

O2-molekyyli ei ole ainoa ofoksigeenin alkuainemuoto. Salaman tai muun aspark-lähteen läsnä ollessa O2-molekyylit hajoavat muodostaen happiatomeja.

These O atoms can react with O2 molecules to formozone, O3,

whose Lewis rakenne on esitetty kuviossa alla.

happi (O2) ja otsoni (O3) ovat esimerkkejä allotrooppisista (kreikan kielen sanasta ”in another manner”). Määritelmän mukaan allotrooppit ovat erilaisiaelementin muotoja. Koska allotrooppeilla on erilaiset rakenteet,niillä on erilaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet (nähtävissä alla).

Properties of Allotropes of Oxygen

Ozone is an unstable compound with a sharp, pungent odor thatslowly decomposes to oxygen.

At low concentrations, ozone can be relatively pleasant. (Kesän ukkosmyrskyihin liittyvä tyypillinen puhdas haju johtuu pienten määrien O3: n muodostumisesta.)

altistuminen O3: lle suurempina pitoisuuksina johtaa sydämen tiheälyöntisyyteen, nopeaan sykkimiseen, rintakipuun ja yleiseen kehonkipuun. Yli 1 ppm: n pitoisuuksina otsoni on myrkyllistä.

yksi otsonin ominaispiirteistä on sen kyky absorboida säteilyä spektrin ultraviolettiosassa (> 300 nm), jolloin saadaan suodatin, joka suojaa meitä altistumasta auringon säteilemälle suurenergiselle ultraviolettisäteilylle.Voimme ymmärtää tämän suodattimen tärkeyden, jos ajattelemme, mitä tapahtuu, kun auringon säteily imeytyy ihoomme.

sähkömagneettinen säteily ultraviolettispektrin infrapuna -, näkyvä-ja matalaenergiaisissa osissa ( < 300 nm)kuljettaa niin paljon energiaa, että molekyylissä oleva elektroni viritetään ahiger-energiaorbitaaliksi. Tämä elektroni putoaa lopulta takaisin orbitaalille, josta se on virittynyt, ja energia siirtyy ympäröivään kudokseen lämmön muodossa. Jokainen, joka onsairastunut auringonpolttamasta, voi arvostaa tämän säteilyn kohtuuttomien määrien tuskallisia seurauksia.

ultraviolettisäteilyn suurienergisessa osassa ( 300 nm) on absorboituessaan erilainen vaikutus.Tämä säteily kuljettaa tarpeeksi energiaa atomien tai molekyylien ionisoimiseksi. Näissä reaktioissa muodostuvilla ioneilla on pariton määrä elektroneja ja ne ovat äärimmäisen reaktiivisia. Ne voivat aiheuttaa pysyviä vaurioita solukudokseen ja aiheuttaa prosesseja, jotka johtavat sattumanvaraisesti ihosyöpään. Suhteellisen pienillä säteilymäärillä voi siksi olla voimakkaita vaikutuksia elävään kudokseen.

vuonna 1974 Molina ja Rowland huomauttivat, että klorofluorihiilivetyjä,kuten Cfccl3: A ja CF2Cl2: ta, joita oli käytetty kylmäaineina ja ponneaineina aerosolikansoissa, alkoi kertyä ilmakehään. Thestratosfäärissä 10-50 kilometrin korkeudessa maan pinnasta kloorifluorihiilivedyt hajoavat muodostaen cl-atomeja ja kloorioksideja, kuten CLO, absorboidessaan auringonvaloa. Cl atoms ja ClO molekyylejä on pariton määrä elektroneja, kuten alla olevassa kuvassa.

tämän vuoksi nämä aineet ovat epätavallisen reaktiivisia. Teatmosfäärissä ne reagoivat otsonin tai otsonin muodostamiseen tarvittavien happiatomien kanssa.

Molina and Rowland postulated that these substances wouldeventually deplete the ozone shield in the stratosphere, withdangerous implications for biological systems that would beexposed to increased levels of high-energy ultraviolettisäteily.

happi hapettavana aineena

fluori on ainoa alkuaine, joka on elektronegatiivisempi kuin oksigeeni. Tämän seurauksena happi saa elektroneja lähes kaikissa itsesyklisissä reaktioissa. Jokaisen O2-molekyylin on saatava fourelektroneja tyydyttääkseen kahden happiatomin oktetit jakamatta elektroneja, kuten alla olevasta kuvasta käy ilmi.

happi siis hapettaa metallit muodostaen suoloja, joissa teoksigeeniatomit ovat muodollisesti läsnä O2 – ioneina. Ruostemuodostuu esimerkiksi raudan reagoidessa veden presenssissä olevan hapen kanssa muodostaen suolan, joka sisältää muodollisesti Fe3+ – ja O2-ionit, ja keskimäärin kolme vesisekulaarista molekyyliä koordinoituu tämän kiinteän aineen kuhunkin Fe3+ – ioniin.

Oxygen also oxidizes nonmetals, such as carbon, to formcovalent compounds in which the oxygen formally has an oxidationnumber of -2.

happi on täydellinen esimerkki hapettavasta agentista, koska se lisää lähes minkä tahansa substanssin hapetustilaa, johon se reagoi. Reaktioidensa aikana happi vähentyy. Aineet, joiden kanssa se reagoi, ovat siis pelkistäviä aineita.

peroksidit

tarvitaan neljä elektronia pelkistämään O2 – molekyyli O2-ionipariksi. Jos reaktio pysähtyy sen jälkeen, kun O2molekyyli on saanut vain kaksi elektronia, syntyy oheisessa kuvassa esitetty O22-ioni.

tällä ionilla on kaksi elektronia enemmän kuin neutraalilla O2molekulaarilla, mikä tarkoittaa, että happiatomien täytyy jakaa vain yksi sidoselektronipari saavuttaakseen oktetin valenssielektroneja. O22-Ionia kutsutaan peroksidioniksi, koska tämän ionin sisältävät yhdisteet ovat epätavallisen runsaasti inoksidia. Ne eivät ole vain oksideja ne ovat (hy-)peroksideja.

The easiest way to prepare a peroxide is to react sodium orbarium metal with oxygen.

When these peroxides are allowed to react with a strong acid,hydrogen peroxide (H2O2) is produced.

The Lewis structure of hydrogen peroxide contains an O-Osingle bond, as shown in the figure below.

The VSEPR theory predicts that the geometry around each oxygenatom in H2O2 should be bent. Mutta tämä teoria ei voi ennustaa, pitäisikö neljän atomin sijaita samassa tasossa vai pitäisikö molekyyli visualisoida lyingiksi kahdessa leikkaavassa tasossa. Kokeellisesti määritetty H2O2: n rakenne on esitetty kuvassa alla.

h-O-o-sidoskulma tässä molekyylissä on vain hieman suurempi kuin vierekkäisten 2P-atomisorbitaaliparin välinen kulma happiatomissa, ja molekyylin muodostavan planeetin välinen kulma on hieman suurempi kuin tetraedrikulma.

The oxidation number of the oxygen atoms in hydrogen peroxideis -1. H2O2 can therefore act as anoxidizing agent and capture two more electrons to form a pair ofhydroxide ions, in which the oxygen has an oxidation number of-2.

Or, it can act as a reducing agent and lose a pair ofelectrons to form an O2 molecule.

Reactions in which a compound simultaneously undergoes bothoxidation and reduction are called disproportionationreactions. The products of the disproportionation of H2O2are oxygen and water.

The disproportionation of H2O2 is anexothermic reaction.

tämä reaktio on kuitenkin suhteellisen hidas akatalystin, kuten pölyn tai metallipinnan puuttuessa. Tärkeimmät käyttötarkoitukset ofH2O2 pyörivät sen hapettumisen ympärillä ability.It käytetään laimennetuissa (3%) liuoksissa desinfiointiaineena. Keskitetyissä liuoksissa (30%) sitä käytetään valkaisuaineenhiukset, turkikset, nahka tai paperinvalmistuksessa käytetty puumassa. Erittäin keskittyneissä liuoksissa H2O2: ta on käytetty rakettipolttoaineena, koska se hajoaa helposti viideksi O2: ksi.

Methods ofPreparing O2

Small quantities of O2 gas can be prepared in anumber of ways.

1. By decomposing a dilute solution of hydrogen peroxide withdust or a metal surface as the catalyst.

2. By reacting hydrogen peroxide with a strong oxidizingagent, such as the permanganate ion, MnO4-.

3. By passing an electric current through water.

4. By heating potassium chlorate (KClO3) in thepresence of a catalyst until it decomposes.

sulfurin kemia

koska rikki on jaksollisessa järjestelmässä suoraan hapen alapuolella,näillä alkuaineilla on samanlaiset elektronikonfiguraatiot. Tämän seurauksena rikki muodostaa monia yhdisteitä,jotka ovat happiyhdisteiden analogeja, kuten alla olevassa taulukossa on esitetty. Tämän taulukon esimerkit osoittavat, miten theprefix tio-voidaan käyttää osoittamaan yhdisteitä, joissa sulfuuri korvaa happiatomin. Esimerkiksi Tiosyanaatti (SCN -) – ioni on syanaatti(OCN -) – ionin rikkipitoinen analogi.

Oxygen Compounds and Their Sulfur Analogs

sulfurin ja hapen kemian välillä on neljä pääasiallista eroa.

1. O=o kaksoissidokset ovat paljon vahvempia kuin S=S kaksoissidokset.

2. S-S-yksisidokset ovat lähes kaksi kertaa vahvempia kuin O-O-singlebondit.

3. Rikki (EN = 2,58) on paljon vähemmän elektronegatiivista happea (En = 3,44).

4. Rikki voi laajentaa valenssikuorensa niin, että siihen mahtuu yli kahdeksan elektronia, mutta Happi ei.

näillä näennäisen pienillä eroilla on merkittäviä seurauksia näiden alkuaineiden kemialle.

eroavaisuuksien vaikutus X-X-ja X=X-sidosten vahvuudessa

rikkiatomin säde on noin 60% suurempi kuin ofanin happiatomin säde.

tämän seurauksena rikkiatomien on vaikeampi tulla lähekkäin yhteen muodostamaan sidoksia. S=S kaksoissidokset ovat siten paljon heikompia kuin O=O kaksoissidokset.

rikki-ja happi-tai hiiliatomien väliset kaksoissidokset voivat syntyä esimerkiksi SO2-ja CS2-yhdisteissä (seefigure alla). Nämä kaksoissidokset ovat kuitenkin paljon heikompia kuin O3: n tai CO2: n happiatomien ekvivalentit kaksoissidokset.Esimerkiksi sidoksen dissosiaatio-entalpia C=S-kaksoissidokselle on 477kJ/mol, kun taas sidoksen dissosiaatio-entalpia AC=O-kaksoissidokselle on 745 kJ / mol.

Alkuainehappi koostuu O2-molekyyleistä siinä, missä atomi täydentää oktettinsa valenssielektroneja jakamalla kaksi elektronia yhden naapuriatomin kanssa. Koska sulfurdoes ei muodosta vahvoja S=S kaksoissidoksia, alkuaineista rikkiä koostuu yleensä syklisistä S8-molekyyleistä, joissa jokainen atomikompletoi oktettinsa muodostamalla yksittäisiä sidoksia kahteen naapuriatomiin, kuten alla olevasta kuvasta käy ilmi.

S8-molekyylit voivat pakkautua muodostaen enemmän kuin onekriittisiä. Rikin stabiilein muoto koostuu S8-molekyylien ortorhombikristaaleista, joita tavataan usein lähivolkanokeilla. Jos näitä kiteitä kuumennetaan, kunnes ne sulavat ja rikki jäähdytetään, muodostuu rikin allotrooppi, joka koostuu S8-molekyylien monokliinisistä kiteistä. Nämä monokliiniset kiteet muuttavat itsensä hitaasti pysyvämmäksi ortorombiseksi rakenteeksi ajan kuluessa.

alkuaineen taipumusta muodostaa sidoksia itseensä kutsutaan katenaatioksi(latinan sanasta catena, ”ketju”). Koska sulfuuri muodostaa epätavallisen vahvoja S-S-yksisidoksia, se on parempi atcatenation kuin mikään alkuaine paitsi hiili. Tämän seurauksena rikin teoreetikotombiset ja monokliiniset muodot eivät ole ainoita alkuaineen isotrooppeja. Rikin allotrooppeja on myös olemassa, jotaerottuvat Kiteen muodostavien molekyylien koossa. Tunnetaan syklisiä molekyylejä, jotka sisältävät 6, 7, 8, 10 ja 12 rikkiatomia.

rikki sulaa 119,25 oC: ssa muodostaen keltaisen nesteen, joka on vähemmän viskoosia kuin vesi. Jos tämä neste kuumennetaan 159oc: iin,se muuttuu tummanpunaiseksi nesteeksi, jota ei voida kaataa sensäiliöstä. Tämän tummanpunaisen nesteen viskositeetti on 2000 kertaa suurempi kuin sulan rikin, koska sykliset S8-molekyylit avautuvat ja liittyvät toisiinsa muodostaen pitkiä ketjuja, joissa on peräti 100 000 rikkiatomia.

rikin reagoidessa aktiivisen metallin kanssa se voi muodostaa thesulfidi-ionin, S2 -.

tämä ei kuitenkaan ole ainoa tuote, jota voidaan saada. Voidaan tuottaa erilaisia polysulfidi-ioneja, joiden varaus on -2, jotka eroavat ketjun rikkiatomien lukumäärästä.

rikin ja hapen Elektronegatiivisuuserojen vaikutus

koska rikki on paljon vähemmän elektronegatiivista kuin happi, se muodostaa todennäköisemmin yhdisteitä, joissa sillä on positiveoksidaatioluku (katso alla oleva taulukko).

Common Oxidation Numbers for Sulfur

teoriassa rikki voi reagoida hapen kanssa muodostaen joko SO2 tai SO3, jonka Lewis-rakenteet on esitetty kuviossa.

In practice, combustion of sulfur compounds gives SO2,regardless of whether sulfur or a compound of sulfur is burned.

Although the SO2 formed in these reactions shouldreact with O2 to for SO3, the rate of thisreaction is very slow. SO2: n Muuntumisnopeutta SO3: ksi voidaan lisätä huomattavasti lisäämällä sopiva katalyytti.