az oxigén és a kén kémiája

az oxigén kémiája

az oxigén a leggyakoribb elem ezen a bolygón. A földkéreg 46,6 tömegszázalék oxigén, az óceánok 86 tömegszázalék oxigén, a légkör pedig 21 térfogatszázalék oxigén. Thename oxigén származik a görög szára oxys, “sav”, és gennan, ” alkotnak orgenerate.”Így az oxigén szó szerint azt jelenti: “savképző.”Ezt a nevet Lavoisier vezette be, aki észrevettehogy az oxigénben gazdag vegyületek,mint például az SO2 és a P4O10, vízben oldódnak, hogy savakat kapjanak.

egy oxigénatom elektronkonfigurációja 2s22p4 azt sugallja, hogy a semleges oxigénatomok el tudnak érni egy oktett vegyértékelektront, ha két elektronpárt osztanak meg, hogy O=O kettős kötést képezzenek, amint az az alábbi ábrán látható.

e Lewis-struktúra szerint az O2 molekula összes elektronja párosítva van. Ezért a vegyületnek diamagnetikusnak kell lennie amágneses mezőnek kell taszítania. Kísérletileg az O2 paramágneses mágneses mezőhöz vonzza. Ez azzal magyarázható, hogy feltételezvehogy az O2 molekula * antibondingmolekuláris pályáiban két párosítatlan elektron van.

– 183oc alatti hőmérsékleten O2kondenzálja, hogy jellegzetes világoskék színű folyadékot képezzen, amely a 630 nm hullámhosszú fény abszorpciójából származik. Ez az abszorpció nem látható a gázfázisban, és még a folyadékban is viszonylag gyenge, mert megköveteli, hogy három test két O2 molekula és egy foton összeütközik egyszerre, ami nagyon ritka jelenség, még a folyékony fázisban is.

az Ozon kémiája

Az O2 molekula nem az egyetlen elemi oxigénforma. Villámlás vagy más asparkforrás jelenlétében az O2 molekulák disszociálnak oxigénatomokat képezve.

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

whose Lewis a szerkezet az ábrán láthatóalább.

az oxigén (O2) és az ózon (O3) az allotropok példái (a görög jelentése “más módon”). Definíció szerint az allotropok különbözőekegy elem formái. Mivel különböző szerkezetűek, az allotropok különböző kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek (lásd alább).

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. (Aa nyári zivatarokhoz kapcsolódó jellegzetes tiszta szag kis mennyiségű O3 képződése miatt.)

az O3-nak való kitettség magasabb koncentrációban köhögéshez, gyors szívveréshez, mellkasi fájdalomhoz és általános testfájdalomhoz vezet. 1 ppm feletti koncentrációban az ózon mérgező.

az ózon egyik jellemző tulajdonsága a képességehogy elnyelje a sugárzást a spektrum ultraibolya részében (> 300 nm), ezáltal olyan szűrőt biztosítva, amely megvéd minketa nap által kibocsátott nagy energiájú ultraibolya sugárzásnak való kitettség.Megérthetjük ennek a szűrőnek a fontosságát, ha gondolkodunkmi történik, amikor a nap sugárzását elnyeli a bőrünk.

az ultraibolya spektrum infravörös, látható ésalacsony energiájú részeinek elektromágneses sugárzása (< 300 nm)elegendő energiát hordoz ahhoz, hogy egy molekulában lévő elektront magasabb energiájú pályára gerjesztsen. Ez az elektron végül visszaesik az orbitális pályára, ahonnan izgatott volt, és hő formájában energiát bocsát ki a környező szövetekbe. Bárki, aki napégéstől szenvedett, értékelheti a túlzott mennyiségű sugárzás fájdalmas következményeit.

sugárzás az ultraibolya nagy energiájú részébena spektrum (300 nm) más hatással van, ha felszívódik.Ez a sugárzás elegendő energiát hordoz az atomok ionizálásához vagymolekulákat. Az ezekben a reakciókban képződő ionok páratlan számú elektronnal rendelkeznek, és rendkívül reaktívak. Tartós károsodást okozhatnak a sejtszövetben, és olyan folyamatokat indukálhatnak, amelyek végül bőrrákot eredményeznek. Ennek a sugárzásnak viszonylag kis mennyiségeezért drasztikus hatással lehet az élő szövetekre.

1974-ben Molina és Rowland rámutatott, hogy a klórfluor-szénhidrogének,mint például a CFCl3 és a CF2Cl2, amelyeket hűtőközegként és hajtóanyagként használtak az aeroszolkánokban, elkezdtek felhalmozódni a légkörben. A teratoszférában a földfelszín felett 10-50 km magasságban a klór-fluorozott szénhidrogének CL atomokat és klór-oxidokat, például ClO-t képeznek, amikor elnyelik a napfényt. Cl atomokés a ClO molekuláknak páratlan számú elektronja van, amint azt az alábbi ábra mutatja.

ennek eredményeként ezek az anyagok szokatlanul reaktívak. Az atmoszférában ózonnal vagy az ózon kialakulásához szükséges oxigénatomokkal reagálnak.

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 ultraibolya sugárzás.

oxigén anoxidálószerként

a fluor az egyetlen elem, amely elektronegatívabb, mint az oxigén. Ennek eredményeként az oxigén szinte mindenben elektronokat nyerkémiai reakciók. Minden O2 molekulának négyelektront kell szereznie, hogy kielégítse a két oxigénatom oktettjét elektronok megosztása nélkül, amint az az alábbi ábrán látható.

az oxigén ezért oxidálja a fémeket sókká, amelyekben az oxigénatomok formálisan O2 – ionként vannak jelen. Rozsdaformák, például, amikor a vas oxigénnel reagál a víz jelenlétében, hogy sót kapjon, amely formálisan tartalmazza a Fe3 + és O2-ionok, átlagosan három vízmolekulával koordinálva minden Fe3 + ionok ebben a szilárd anyagban.

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

az oxigén az oxidálószer tökéletes példája, mivel növeli szinte minden olyan anyag oxidációs állapotát, amellyel reagál. Reakciói során az oxigén csökken. Az anyagok, amelyekkel reagál, ezért csökkentőszerekkel.

peroxidok

négy elektron szükséges ahhoz, hogy egy O2 molekulát egy pár O2 – ionra redukáljunk. Ha a reakció leáll, miután az O2molekula csak két elektront nyert, az alábbi ábrán látható O22-ion keletkezik.

ennek az ionnak kettővel több elektronja van, mint egy semleges O2molekulának, ami azt jelenti, hogy az oxigénatomoknak csak egyetlen kötő elektronpáron kell osztozniuk, hogy elérjék a valenceelektronok oktettjét. Az O22-iont peroxidionnak nevezzük, mert az ezt az iont tartalmazó vegyületek szokatlanul gazdagok oxigénben. Ezek nem csak oxidok ezek (hy-)peroxidok.

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. De ez az elmélet nem tudja megjósolni, hogy a négy atomnak ugyanabban a síkban kell-e feküdnie, vagy a molekulát két egymást keresztező síkban kell-e látnia. A H2O2 kísérletileg meghatározott szerkezetét az alábbi ábra mutatja.

a H-O-O kötési szög ebben a molekulában csak kissé nagyobb, mint az oxigénatomon lévő szomszédos 2P atomkorbitálok párja közötti szög, és a molekulát alkotó bolygók közötti szög valamivel nagyobb, mint a tetraéderszög.

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.

Ez a reakció viszonylag lassú, azonban acatalyst, például por vagy fémfelület hiányában. A fő felhasználási ah2o2 körül forog az oxidáló ability.It hígított (3% – os) oldatokban fertőtlenítőszerként használják. Ban ben többkoncentrált oldatok (30%), fehérítőszerként használják ahaj, szőrme, bőr, vagy a papír előállításához használt fapép. Nagyon koncentrált oldatokban a H2O2-t rakétaüzemanyagként használták, mivel könnyen bomlik az O2-hez.

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.

a kén kémiája

mivel a kén közvetlenül az oxigén alatt van a periódusos rendszerben,ezek az elemek hasonló elektronkonfigurációkkal rendelkeznek. Ennek eredményeként a kén számos vegyületet képez, amelyek az oxigénvegyületek analógjai, amint azt az alábbi táblázat mutatja. A táblázat példái azt mutatják be, hogy azprefix thio-felhasználható olyan vegyületek jelölésére, amelyekben a kén helyettesíti az oxigénatomot. A tiocianát (SCN-)ionpéldául a kéntartalmú analóg a cianát (OCN-) ion.

Oxygen Compounds and Their Sulfur Analogs

négy fő különbség van a kén és az oxigén kémiája között.

1. Az O = O kettős kötések sokkal erősebbek, mint az S=S kettős kötések.

2. Az S-S egykötések majdnem kétszer olyan erősek, mint az O-O egykötések.

3. A kén (EN = 2,58) sokkal kevésbé elektronegatívmint az oxigén (EN = 3,44).

4. A kén kibővítheti valenciahéját, hogy több mint nyolcat tartsonelektronok,de az oxigén nem.

ezek a látszólag kisebb különbségek fontos következményekkel járnakezeknek az elemeknek a kémiájához.

az X-X és X=X kötések erősségének különbségei

a kénatom sugara körülbelül 60% – kal nagyobb, mint az oxigénatomé.

ennek eredményeként a kénatomok nehezebben közelednek egymáshoz, hogy kötéseket képezzenek. Ezért az S = S kettős kötések sokkal gyengébbek, mint az O=O kettős kötések.

a kén és az oxigén vagy a szénatomok közötti kettős kötések megtalálhatók olyan vegyületekben, mint az SO2 és a CS2 (lásd az alábbi ábrát). De ezek a kettős kötések sokkal gyengébbek, mint aegyenértékű kettős kötések az oxigénatomokhoz O-ban3 vagy CO2.A kötés disszociációs entalpiája C=S kettős kötés esetén például 477kJ / mol, míg a kötés disszociációs entalpia aC = O kettős kötés esetén 745 kJ / mol.

Az Elemi oxigén O2 molekulákból áll, amelyekbenminden atom kiegészíti a Valencia elektronok oktettjét azáltal, hogy két elektronpárot oszt meg egyetlen szomszédos atommal. Mivel a kén nem képez erős S=S kettős kötéseket, az elemi kén általában ciklikus S8 molekulákból áll, amelyekben minden atom kiegészíti oktettjét úgy, hogy két szomszédos atomhoz egyetlen kötést képez, amint az az alábbi ábrán látható.

Az S8 molekulák egynél több kristályt képezhetnek. A kén legstabilabb formája ortorombosaz S8 molekulák kristályai, amelyek gyakran megtalálhatók a közelbenvulkánok. Ha ezeket a kristályokat addig melegítik, amíg el nem olvadnak, majd az olvadt ként lehűtik, akkor az S8 molekulák monoklinikus kristályaiból álló kén allotrópja képződik. Ezek a Monoklin kristályok lassan átalakítják magukat a stabilabb ortorombikus szerkezetbe egy idő alatt.

az elem azon hajlamát, hogy kötéseket képezzen önmagához, katenációnak nevezzük(a Latin catena, “lánc”). Mivel a kén szokatlanul erős S-S egykötéseket képez, jobb atkatenáció, mint a szén kivételével bármely elem. Ennek eredményeképpen a kén teorthorhombikus és monoklinikus formái nem az egyetlenekaz elem allotrópjai. A kén allotrópjai is léteznekkülönböznek a kristályt alkotó molekulák méretétől. A ciklikusmolekulák, amelyek 6, 7, 8, 10 és 12 kénatomot tartalmaznak, ismertek.

a kén 119,25 oC-on megolvad, hogy sárga folyadékot képezzenamely kevésbé viszkózus, mint a víz. Ha ezt a folyadékot 15-re melegítjük9oc, Sötétvörös folyadékká válik, amelyet nem lehet öntenikonténer. Ennek a sötétvörös folyadéknak a viszkozitása 2000-szer nagyobb, mint az olvadt kéné, mert a ciklikus S8molekulák kinyílnak és összekapcsolódnak, hogy hosszú láncokat képezzenek, akár 100 000 kénatomból.

amikor a kén reagál egy aktív fémmel, az szulfidiont, S2-.

Ez azonban nem az egyetlen termék, amely beszerezhető. A -2 töltésű poliszulfidionok sokfélesége előállíthatóamelyek különböznek a láncban lévő kénatomok számában.

a kén és az oxigén Elektronegativitásának különbségeinek hatása

mivel a kén sokkal kevésbé elektronegatív, mint az oxigén, valószínűbb, hogy olyan vegyületeket képez, amelyekben pozitív oxidációs száma van (lásd az alábbi táblázatot).

Common Oxidation Numbers for Sulfur

elméletileg a kén oxigénnel reagálva so2vagy SO3, amelynek Lewis-szerkezetét az alábbi ábra adja meg.

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 O-val kell reagálnia2 hogy SO3 alakuljon ki, ennek sebességea reakció nagyon lassú. Az SO2into SO3 átalakulási sebessége nagymértékben növelhető egy megfelelő katalizátor hozzáadásával.

énsav, H2SO4. Elméletileg a kénsavat SO3 gáz feloldásával lehet előállítania víz.

a gyakorlatban ez nem kényelmes. Ehelyett az SO3 98% H2SO4-ben szívódik fel, ahol a vízzel reagálva további H2so4molekulákat képez. Ezután szükség szerint vizet adunk hozzá, hogy az oldat koncentrációja 96-98% H2SO4 tömeg szerint.

a kénsav messze a legfontosabb iparikémiai. Még azzal is érveltek, hogy közvetlen kapcsolat van az ország által fogyasztott kénsav mennyisége és életszínvonala között. Az évente előállított kénsav több mint 50% – át műtrágyák előállítására használják. Therest használják, hogy a papír, szintetikus szálak és textíliák, rovarirtók, tisztítószerek, takarmány-adalékanyagok, festékek,gyógyszerek, fagyálló, festékek és zománcok, linóleum,szintetikus gumi, nyomdafestékek, celofán, fényképészeti film,robbanóanyagok, autó akkumulátorok, és fémek,mint a magnézium, alumínium, vas és acél.

a kénsav vízben disszociál, így a HSO4-ion, amelyet hidrogén-szulfátnak vagy biszulfátnak neveznek.

10% of these hydrogen sulfate ions dissociate further to givethe SO42-, or sulfate, ion.

A variety of salts can be formed by replacing the H+ions in sulfuric acid with positively charged ions, such as theNa+ or K+ ions.

Sulfur dioxide dissolves in water to form sulfurous acid.

Sulfurous acid doesn’t dissociate in water to as great extentas sulfuric acid, but it is still possible to replace the H+ions in H2SO3 with positive ions to formsalts.

a kénsav és a kénsav egyaránt példák az oxisavként ismert vegyületek osztályára, mivel szó szerint oxigént tartalmazó savak. Mivel ezek negatívionok (vagy anionok), amelyek oxigént tartalmaznak, az SO32-és SO42 – ionokat oxianionoknak nevezzük.A képződő kén-oxidok Lewis-szerkezeteioxisavakat vagy oxianionokat az alábbi táblázat tartalmazza.

Ezen oxianionok egyike külön említést érdemel. Ezt az iont,amelyet tioszulfát-ionnak neveznek, a kén és a szulfit (SO32-) ion közötti reakció képezi.

The Effect ofDifferences in the Abilities of Sulfur and Oxygen to Expand TheirValence Shell

The electron configurations of oxygen and sulfur are usuallywritten as follows.

bár ez a jelölés a két elem konfigurációi közötti hasonlóságot mutatja, fontos különbséget rejt magában, amely lehetővé teszi a kén számára, hogy kibővítse valenciahéját, hogy több mint nyolc elektront tartson.

az oxigén a fluorral reakcióba lép2.

a reakció ezen a ponton leáll, mert az oxigén csak nyolc elektront képes tárolni a vegyértékhéjában, amint az az alábbi ábrán látható.

a kén a fluorral reagálva SF4-et és SF6-ot képez,az alábbi ábrán látható módon, mert a kén 10 vagy akár 12 elektron befogadására képes.