Chemia tlenu i siarki

Chemia tlenu

tlen jest najliczniejszym pierwiastkiem na tej planecie. Skorupa ziemska to 46,6% masy tlenu, oceany to 86% masy tlenu, a atmosfera to 21% objętości tlenu. Tlen pochodzi od greckiego OXYS, „kwas” i gennan, ” tworząc orgenerat.”Tlen oznacza więc dosłownie „kwasoodporny”.”Nazwę tę wprowadził Lavoisier, który zauważył, że związki bogate w tlen,takie jak SO2 i P4O10, rozpuszczają się w wodzie, dając kwasy.

konfiguracja elektronowa atomu tlenu 2s22p4sugeruje, że neutralne atomy tlenu mogą uzyskać oktet elektronów walencyjnych, dzieląc dwie pary elektrod, tworząc podwójne wiązanie O=O, Jak pokazano na rysunku poniżej.

zgodnie z tą strukturą Lewisa wszystkie elektrony w cząsteczce O2 są sparowane. Związek powinien być zatem diamagnetyczny powinien być odpychany przez pole amagnetyczne. Doświadczalnie, O2 jest paramagnetycznyjest przyciągany do pola magnetycznego. Można to wyjaśnić, zakładając, że istnieją dwa niesparowane elektrony w * antybondingmolecular orbitalach cząsteczki O2.

w temperaturach poniżej-183oC O2 Wytwarza ciecz o charakterystycznym jasnoniebieskim kolorze, który wynika z absorpcji światła o długości fali 630 nm. Ta absorpcja nie jest widoczna w fazie gazowej i jest stosunkowo słaba nawet w cieczy, ponieważ wymaga, aby trzy cząsteczki dwie cząsteczki O2 i Foton zderzyły się jednocześnie, co jest bardzo rzadkim zjawiskiem, nawet w fazie ciekłej.

Chemia O2

cząsteczka O2 nie jest jedyną formą pierwiastkową O2. W obecności pioruna lub innego źródła asparku cząsteczki O2 dysocjują tworząc atomy tlenu.

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

whose Lewis struktura jest pokazana na rysunku poniżej.

tlen (O2) i ozon (O3) są przykładami alotropów (z greckiego oznacza „w inny sposób”). Z definicji alotropy są różnymiformułami pierwiastka. Ponieważ mają różne struktury,alotropy mają różne właściwości chemiczne i fizyczne (patrz niżej).

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. (Charakterystyczny czysty zapach związany z letnimi burzami jest spowodowany powstawaniem niewielkich ilości O3.)

narażenie na O3 w wyższych stężeniach prowadzi do bólu, szybkiego bicia serca, bólu w klatce piersiowej i ogólnego bólu ciała. W stężeniach powyżej 1 ppm ozon jest toksyczny.

jedną z charakterystycznych właściwości ozonu jest jego zdolność do pochłaniania promieniowania w ultrafioletowej części widma (> 300 nm), zapewniając w ten sposób filtr, który chroni nas przed ekspozycją na wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe emitowane przez słońce.Możemy zrozumieć znaczenie tego filtra, jeśli pomyślimy o tym, co się dzieje, gdy promieniowanie słoneczne jest absorbowane przez naszą skórę.

promieniowanie elektromagnetyczne w podczerwieni, widzialne inieenergetyczne części widma ultrafioletowego (< 300 nm)przenosi energię wystarczającą do wzbudzenia elektronu w cząsteczce w wyższy orbital energetyczny. Elektron ten w końcu wraca do orbitalu, z którego został wzbudzony, a energia jest oddawana do otaczającej tkanki w postaci ciepła. Każdy, kto ma kłopoty z oparzeniami słonecznymi, może docenić bolesne następstwy nadmiernych ilości tego promieniowania.

promieniowanie w wysokoenergetycznej części ultrafioletu ( 300 nm) ma inny efekt, gdy jest absorbowane.To promieniowanie niesie tyle energii, aby zjonizować Atomy lubcząsteczki. Jony powstałe w tych reakcjach mają nieparzystą liczbę elektronów i są niezwykle reaktywne. Mogą powodować trwałe uszkodzenie tkanki komórkowej i wywoływać procesy, które ostatecznie wynikają z raka skóry. Stosunkowo niewielkie ilości tego promieniowania mogą zatem mieć drastyczny wpływ na żywą tkankę.

w 1974 roku Molina i Rowland zauważyli, że chlorofluorowęglowodory,takie jak CFCl3 i CF2Cl2, które były używane jako czynniki chłodnicze i jako materiały pędne w aerozolkach, zaczęły gromadzić się w atmosferze. W tratosferze, na wysokościach od 10 do 50 km nad powierzchnią ziemi, chlorofluorowęglowodory rozkładają się, tworząc Atomy Cl i tlenki chlorowodoru, takie jak ClO, gdy absorbują światło słoneczne. Atomy Cl i cząsteczki ClO mają nieparzystą liczbę elektronów, jak pokazano na rysunku poniżej.

w rezultacie substancje te są niezwykle reaktywne. W teatmosferze reagują z ozonem lub atomami tlenu potrzebnymi do utworzenia ozonu.

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 promieniowanie ultrafioletowe.

tlen jako środek anoksydujący

fluor jest jedynym pierwiastkiem, który jest bardziej elektroujemny niż tlen. W rezultacie tlen zyskuje elektrony w praktycznie wszystkich reakcjach itschemicznych. Każda cząsteczka O2 musi uzyskać cztery elektrony, aby zaspokoić oktety dwóch atomów tlenu bez współdzielonych elektronów, jak pokazano na rysunku poniżej.

tlen utlenia więc metale tworząc sole, w których atomy teoksygenu są formalnie obecne jako jony O2. Rdzy, na przykład, gdy żelazo reaguje z tlenem w obecności wody, dając sól, która formalnie zawiera jony Fe3+i O2 -, ze średnią trzema cząsteczkami wody skoordynowanymi z każdym Jonem Fe3+ w tym ciele stałym.

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

tlen jest doskonałym przykładem środka utleniającego, ponieważ zwiększa stan utleniania prawie każdej substancji, z którą reaguje. W trakcie reakcji jest tlen zredukowany. Substancje, z którymi reaguje, są więc substancjami redukującymi.

nadtlenki

redukcja cząsteczki O2 do pary jonów O2 wymaga czterech elektronów. Jeśli reakcja ustanie po tym, jak cząsteczka O2 uzyska tylko dwa elektrony, powstaje jon O22 pokazany na rysunku poniżej.

Ten jon ma dwa więcej elektronów niż neutralna cząsteczka O2, co oznacza, że atomy tlenu muszą współdzielić tylko jedną parę wiązań elektronów, aby uzyskać oktet wartościelektronów. Jon O22 nazywany jest peroksydionem, ponieważ związki zawierające ten jon są niezwykle bogate w inoksygen. Nie są to tylko tlenki są to (hy-)nadtlenki.

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. Nie jest jednak w stanie przewidzieć, czy cztery atomy powinny leżeć w tej samej płaszczyźnie, czy też cząsteczka powinna być wizualizowana jako leżąca w dwóch przecinających się płaszczyznach. Doświadczalnie określona struktura H2O2 jest pokazana na rysunku poniżej.

kąt wiązania H-O-O w tej cząsteczce jest tylko nieznacznie większy niż kąt między parą sąsiednich atomikorbitali atomowych 2P na atomie tlenu, a kąt między planami, które tworzą cząsteczkę, jest nieco większy niż czworościan.

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.

reakcja ta jest stosunkowo powolna, jednak przy braku akatalizatora, takiego jak kurz lub metalowa powierzchnia. Główne zastosowania H2O2 obracają się wokół jego utleniania ability.It jest stosowany w rozcieńczonych (3%) roztworach jako środek dezynfekujący. W bardziej stężonych roztworach (30%) stosuje się go jako środek wybielający dla włosia, futra, skóry lub pulpy drzewnej używanej do produkcji papieru. W bardzo stężonych roztworach H2O2 został użyty jako paliwo rakietowe ze względu na łatwość, z jaką rozkłada się on razem z O2.

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.

Chemia siarka

ponieważ siarka znajduje się bezpośrednio poniżej tlenu w układzie okresowym,pierwiastki te mają podobne konfiguracje elektronowe. W rezultacie Siarka tworzy wiele związków, które są analogami związków tlenu, jak pokazano w poniższej tabeli. Przykłady w tej tabeli pokazują, w jaki sposób prefiks tio – może być użyty do wskazania związków, w których Siarka zastępuje atom tlenu. Na przykład jon tiocyjanianowy (SCN -) jest zawierającym siarkę analogiem jonu cyjanianu(OCN -).

Oxygen Compounds and Their Sulfur Analogs

istnieją cztery główne różnice między chemią siarki i tlenu.

1. Wiązania podwójne O=O są znacznie silniejsze niż wiązania podwójne S = S.

2. Pojedyncze wiązania S-S są prawie dwa razy silniejsze niż pojedyncze wiązania o-o.

3. Siarka (EN = 2,58) jest znacznie mniej elektroujemna niż tlen (EN = 3,44).

4. Siarka może rozszerzyć swoją powłokę walencyjną, aby pomieścić więcej niż osiemelektronów, ale tlen nie może.

te pozornie drobne różnice mają istotne konsekwencje dla chemii tych pierwiastków.

wpływ różnic w sile wiązań X-X i X=X

promień atomu siarki jest o około 60% większy niż atomu tlenu.

w rezultacie atomy siarki trudniej zbliżyć się do siebie, tworząc wiązania. Wiązania podwójne s = S są więc znacznie słabsze niż wiązania podwójne O=O.

podwójne wiązania między siarką a atomami tlenu lub węgla można znaleźć w związkach takich jak SO2 i CS2 (patrz poniżej). Ale te wiązania podwójne są znacznie słabsze od równoważnych wiązań podwójnych do atomów tlenu w O3 lub CO2.Entalpia dysocjacji wiązania dla wiązania podwójnego C=S wynosi na przykład 477kJ/mol, podczas gdy entalpia dysocjacji wiązania dla wiązania podwójnego aC = O wynosi 745 kJ/mol.

elementarny tlen składa się z cząsteczek O2, w których każdy atom uzupełnia swój oktet elektronów walencyjnych, dzieląc dwa pary elektronów z pojedynczym sąsiednim atomem. Ponieważ siarka nie tworzy silnych podwójnych wiązań s=S, Siarka elementarna zwykle składa się z cyklicznych cząsteczek S8, w których każdy atom uzupełnia swój oktet, tworząc pojedyncze wiązania do dwóch sąsiadujących atomów, jak pokazano na rysunku poniżej.

cząsteczki S8 mogą się pakować, tworząc więcej niż jeden kryształ. Najbardziej stabilna forma siarki składa się z orthorhombicrystale cząsteczek S8, które często znajdują się w pobliżu wulkanów. Jeśli kryształy te są podgrzewane, aż się stopią, a następnie chłodzi się rozpuszczoną siarkę, tworzy się alotrope siarki składającej się z monoklinicznych kryształów cząsteczek S8. Te monokliniczne kryształy powoli przekształcają się w bardziej stabilną strukturę rombową w pewnym okresie czasu.

tendencja elementu do tworzenia wiązań do siebie nazywana jest katenacją(od łacińskiego catena, „łańcuch”). Ponieważ siarka tworzy niezwykle silne wiązania pojedyncze s-S, jest lepsza atcatenation niż jakikolwiek element z wyjątkiem węgla. W rezultacie teoretyczne i monokliniczne formy siarki nie są jedynymi allotropami pierwiastka. Istnieją również alotropy siarki, któreróżniają się wielkością cząsteczek tworzących kryształ. Znane są cykliczne cząsteczki zawierające 6, 7, 8, 10 i 12 atomów siarki.

Siarka topi się w temperaturze 119,25 oC, tworząc żółty płyn, który jest mniej lepki niż woda. Jeśli ta ciecz zostanie podgrzana do temperatury 159oC, zamienia się w ciemnoczerwoną ciecz, której nie można wylać z pojemnika. Lepkość tej ciemnoczerwonej cieczy jest 2000 razy większa niż stopionej siarki, ponieważ cykliczne cząsteczki S8 otwierają się i łączą ze sobą, tworząc długie łańcuchy aż 100 000 atomów siarki.

gdy siarka reaguje z aktywnym metalem, może tworzyć jon siarczkowy, S2-.

16 K(S) + S8(s) —- 8 K2(c)

nie jest to jednak jedyny produkt, który można uzyskać. Można wytworzyć wiele jonów polisiarczkowych o ładunku -2, które różnią się liczbą atomów siarki w łańcuchu.

wpływ różnic w elektroujemności siarki i tlenu

ponieważ siarka jest znacznie mniej elektroujemna niż tlen, jest bardziej prawdopodobne, że tworzy związki, w których ma dodatni numer utleniania (patrz tabela poniżej).

Common Oxidation Numbers for Sulfur

teoretycznie siarka może reagować z tlenem tworząc SO2 lub SO3, których struktury Lewisa podano na rysunku poniżej.

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 powinien działać z O2 do postaci SO3, szybkość tego działania jest bardzo powolny. Szybkość konwersji SO2into SO3 można znacznie zwiększyć przez dodanie odpowiedniego katalizatora.

olbrzymie ilości SO2 są produkowane przez przemysł każdego roku, a następnie przekształcane na SO3, które można wykorzystać do produkcji kwas siarkowy, H2SO4. Teoretycznie kwas siarkowy można wytworzyć przez rozpuszczenie gazu SO3 w wodzie.

SO3(g) + H2O(l) —- H2SO4(AQ)

w praktyce jest to niewygodne. Zamiast tego, SO3 jest wchłaniany w 98% H2SO4, gdzie reaguje z wodą, tworząc dodatkowe cząsteczki H2SO4. Następnie dodaje się wodę, w razie potrzeby, w celu utrzymania zagęszczenia tego roztworu między 96% A 98% H2SO4 wagowo.

kwas siarkowy jest zdecydowanie najważniejszy przemysłchemiczny. Argumentowano nawet, że istnieje bezpośrednirelationship między ilością kwasu siarkowego a countrykonsumes a jego standardem życia. Ponad 50% kwasu siarkowego produkowanego każdego roku jest wykorzystywane do produkcji nawozów. Therest jest używany do produkcji papieru, włókien syntetycznych i Tekstyliów, środków owadobójczych, detergentów, dodatków paszowych, barwników,leków, środków przeciw zamarzaniu, farb i emalii, linoleum,kauczuku syntetycznego, farb drukarskich, celofanu, folii fotograficznych,materiałów wybuchowych, akumulatorów samochodowych i metali, takich jak magnez,aluminium, żelazo i stal.

kwas siarkowy dysocjuje w wodzie, dając jon HSO4, który jest znany jako siarkowodór lub wodorosiarczan, jon.

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.

kwas siarkowy i kwas siarkowy są przykładami związków znanych jako oxyacids, ponieważ są one literalnie kwasami zawierającymi tlen. Ponieważ są to ujemne jony (lub aniony) zawierające tlen, jony SO32 i SO42 są znane jako oksyaniony.Struktury Lewisa niektórych tlenków siarki, które tworzą kwasy tłuszczowe lub oksyaniony, podano w poniższej tabeli.

jeden z tych oksyanionów zasługuje na szczególną uwagę. Jon ten, znany jako Jon tiosiarczanu, powstaje w reakcji między siarką a Jonem siarczynowym (SO32 -).

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.

chociaż zapis ten pokazuje podobieństwo między konfiguracjami dwóch pierwiastków, ukrywa ważną różnicę, która pozwala siarce rozszerzyć swoją powłokę walencyjną do przechowywania więcej niż ośmiu elektronów.

tlen reaguje z fluorem tworząc OF2.