kemi av Syreoch svavel

Kemi avsyre

syre är det vanligaste elementet på denna planet. Jordskorpan är 46,6% syre i vikt, oceanerna är 86% syre i vikt och atmosfären är 21% syre i volym. Thename syre kommer från de grekiska stjälkarna oxys,”syra” och gennan, ”för att bilda orgenerate.”Således betyder syre bokstavligen” syratidigare.”Detta namn introducerades av Lavoisier, som märkteatt föreningar rik på syre,såsom SO2 och P4O10, löses upp i vatten för att ge syror.

elektronkonfigurationen för en syreatom 2s22p4 antyder att neutrala syreatomer kan uppnå en oktett valenselektroner genom att dela två par avelektroner för att bilda en o=o dubbelbindning, som visas i figurenunder.

enligt denna Lewis-struktur paras alla elektroner i theO2-molekylen. Föreningen bör därför vara diamagnetisk det bör avvisas av amagnetiskt fält. Experimentellt visar sig O2 vara paramagnetisk det ärlockat till ett magnetfält. Detta kan förklaras genom att antaatt det finns två oparade elektroner i O2-molekylens * antibondingmolekylära orbitaler.

vid temperaturer under-183oC, O2kondenserar för att bilda en vätska med en karakteristisk ljusblå färgsom härrör från absorptionen av ljus med en våglängd av630 nm. Denna absorption ses inte i gasfasen och är relativt svag även i vätskan eftersom det kräver att tre kroppar två O2-molekyler och en foton kolliderar samtidigt, vilket är ett mycket sällsynt fenomen, även i flytande fas.

Kemin ofOzone

O2-molekylen är inte den enda elementära formen avsyre. I närvaro av blixtnedslag eller annan asparkälla dissocierar O2-molekyler för att bilda syreatomer.

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

whose Lewis strukturen visas i figurennedan.

syre (O2) och ozon (O3) är exempelav allotroper (från den grekiska betydelsen”på ett annat sätt”). Per definition är allotroper olikaformer av ett element. Eftersom de har olika strukturer har allotroper olika kemiska och fysikaliska egenskaper (setable nedan).

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. (Denkarakteristisk ren lukt i samband med sommar åskväder ärpå grund av bildandet av små mängder O3.)

exponering för O3 vid högre koncentrationer leder tillhosta, snabb hjärtslag, bröstsmärta och allmänkroppssmärta. Vid koncentrationer över 1 ppm är ozon giftigt.

en av de karakteristiska egenskaperna hos ozon är dess förmågaatt absorbera strålning i den ultravioletta delen av spektrumet (> 300 nm), vilket ger ett filter som skyddar oss frånexponering för ultraviolett strålning med hög energi som emitteras av solen.Vi kan förstå vikten av detta filter om vi tänker påvad händer när strålning från solen absorberas av vår hud.

elektromagnetisk strålning i infraröda, synliga ochlågenergidelar av ultraviolett spektrum (< 300 nm)bär tillräckligt med energi för att excitera en elektron i en molekyl till enhögre energibana. Denna elektron faller så småningom tillbaka ibanan från vilken den var upphetsad och energi avges tillden omgivande vävnaden i form av värme. Den som har lidit av solbränna kan uppskatta de smärtsamma konsekvensernaav alltför stora mängder av denna strålning.

strålning i ultraviolettspektrum med hög energi (300 nm) har en annan effekt när den absorberas.Denna strålning bär tillräckligt med energi för att jonisera atomer ellermolekyler. De joner som bildas i dessa reaktioner har ett udda antalav elektroner och är extremt reaktiva. De kan orsaka permanentskada på cellvävnaden och inducera processer som eventuellt resulterar i hudcancer. Relativt små mängder av denna strålningkan därför ha drastiska effekter på levande vävnad.

1974 påpekade Molina och Rowland att klorfluorkolväten, såsom CFCl3 och CF2Cl2,som hade använts som köldmedier och som drivmedel i aerosolburkar, började ackumuleras i atmosfären. I tratosfären, vid höjder på 10 till 50 km över jordens yta, sönderdelas klorfluorkolväten för att bilda Cl-atomer och kloroxider såsom ClO när de absorberar solljus. Cl-atomeroch ClO-molekyler har ett udda antal elektroner, som visas ifiguren nedan.

som ett resultat är dessa ämnen ovanligt reaktiva. I teatmosfären reagerar de med ozon eller med syreatomerna sombehövs för att bilda Ozon.

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 ultraviolett strålning.

syre som anoxideringsmedel

fluor är det enda elementet som är mer elektronegativt änsyre. Som ett resultat får syre elektroner i nästan alla desskemiska reaktioner. Varje O2-molekyl måste få fyraelektroner för att tillfredsställa oktetterna hos de två syreatomerna utan att dela elektroner, som visas i figuren nedan.

syre oxiderar därför metaller för att bilda salter i vilka syreatomer är formellt närvarande som O2 – joner. Rostformer, till exempel när järn reagerar med syre i närvaro av vatten för att ge ett salt som formellt innehåller Fe3+och O2 – joner, med i genomsnitt tre vattenmolekylerkoordinerade till varje Fe3+ joner i detta fasta ämne.

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

syre är det perfekta exemplet på ett oxidationsmedel eftersom det ökar oxidationstillståndet för nästan vilket ämne som helstmed vilket det reagerar. Under dess reaktioner är syreminskad. De ämnen som det reagerar med minskar därför medel.

peroxider

det tar fyra elektroner att minska en O2-molekyl tillett par O2-joner. Om reaktionen stannar efter att O2-molekylen har fått endast två elektroner, produceras O22-jonen som visas i figuren nedan.

denna jon har ytterligare två elektroner än en neutral O2molekyl, vilket innebär att syreatomerna endast måste dela ett enda par bindningselektroner för att uppnå en oktett valenseelektroner. O22-Jonen kallas peroxidionen eftersom föreningar som innehåller denna jon är ovanligt rika påsyre. De är inte bara oxider de är (hy -) peroxider.

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. Men denna teori kan inte förutsäga om de fyra atomerna ska ligga i samma plan eller om molekylen ska visualiseras som att ligga i två korsande plan. Den experimentellt bestämdastrukturen av H2O2 visas i figurennedan.

h-O-o-bindningsvinkeln i denna molekyl är bara något störreän vinkeln mellan ett par intilliggande 2P atomikorbitaler på syreatomen och vinkeln mellan planeternasom bildar molekylen är något större än tetraedralangeln.

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.

denna reaktion är relativt långsam, men i frånvaro av acatalyst, såsom damm eller en metallyta. De huvudsakliga användningarna avh2o2 kretsar kring dess oxiderande ability.It används i utspädda (3%) lösningar som desinfektionsmedel. I merkoncentrerade lösningar (30%) används den som blekmedel förhår, päls, läder eller trämassan som används för att göra papper. I mycketkoncentrerade lösningar har H2O2 använts som raketbränsle på grund av den lätthet med vilken den sönderdelas tillge 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.

kemin avsvavel

eftersom svavel är direkt under syre i det periodiska systemet har dessa element liknande elektronkonfigurationer. Som ett resultat bildar svavel många föreningar som är analoger av syreföreningar,som visas i tabellen nedan. Exempel i denna tabell visar hurprefix thio-kan användas för att indikera föreningar i vilkasvavel ersätter en syreatom. De tiocyanat (SCN-)Jon, till exempel, är den svavelinnehållande analogen av cyanat(OCN -) Jon.

Oxygen Compounds and Their Sulfur Analogs

det finns fyra huvudsakliga skillnader mellan kemi avsvavel och syre.

1. O = o dubbelbindningar är mycket starkare än S = S dubbelbindningar.

2. S-s singelobligationer är nästan dubbelt så starka som O-O singlebonds.

3. Svavel (EN = 2,58) är mycket mindre elektronegativän syre (EN = 3,44).

4. Svavel kan expandera sitt valensskal för att hålla mer än åttaelektroner, men syre kan inte.

dessa till synes mindre skillnader har viktiga konsekvenserför kemi av dessa element.

effekten avskillnader i styrkan hos X-X och X=X-bindningar

svavelatomens radie är ca 60% större än den fören syreatom.

som ett resultat är det svårare för svavelatomer att komma näratillräckligt tillsammans för att bilda bindningar. S = s dubbelbindningar är därförmycket svagare än o = o dubbelbindningar.

dubbelbindningar mellan svavel och syre eller kolatomer kan varafinns i föreningar som SO2 och CS2 (sefigur nedan). Men dessa dubbelbindningar är mycket svagare änekvivalenta dubbelbindningar till syreatomer i O3 eller CO2.Bindningsdissociationsentalpin för en C=s dubbelbindning är till exempel 477kJ/mol, medan bindningsdissociationsentalpin för aC=o dubbelbindning är 745 kJ/mol.

elementärt syre består av O2-molekyler i vilkavarje atom fullbordar sin oktett av valenselektroner genom att dela tvåpar av elektroner med en enda angränsande atom. Eftersom svavel inte bildar starka s = s dubbelbindningar, består elementärt svavel vanligtvis av cykliska S8-molekyler där varje atom kompletterar sin oktett genom att bilda enkelbindningar till två grannatomer, som visas i figuren nedan.

S8-molekyler kan packas för att bilda mer än enkristall. Den mest stabila formen av svavel består av ortorombiskkristaller av S8-molekyler, som ofta finns i närhetenvulkaner. Om dessa kristaller upphettas tills de smälter och demolten svavel kyls sedan, bildas en allotrop svavel bestående av monokliniska kristaller av S8-molekyler. Dessa monokliniska kristaller omvandlar sig långsamt till den mer stabila ortorombiska strukturen under en tidsperiod.

tendensen hos ett element att bilda bindningar till sig kallas catenation(från Latin catena, ”kedja”). Eftersomsvavel bildar ovanligt starka S – S-enkelbindningar, det är bättre atcatenation än något element utom kol. Som ett resultat är teorthorhombic och monokliniska former av svavel inte de endaallotroper av elementet. Allotroper av svavel finns också detskiljer sig åt i storleken på molekylerna som bildar kristallen. Cyklikmolekyler som innehåller 6, 7, 8, 10 och 12 svavelatomer ärkända.

svavel smälter vid 119,25 oC för att bilda en gul vätskadet är mindre visköst än vatten. Om denna vätska upphettas till 159oc, blir den till en mörkröd vätska som inte kan hällas från dessbehållare. Viskositeten hos denna mörkröda vätska är 2000 gånger större än den för smält svavel eftersom de cykliska S8-molekylerna öppnas och kopplas samman för att bilda långa kedjor av asmany som 100 000 svavelatomer.

När svavel reagerar med en aktiv metall kan den bildasulfidjon, S2-.

detta är dock inte den enda produkten som kan erhållas. Avariety av polysulfidjoner med en laddning av -2 kan producerasom skiljer sig åt i antalet svavelatomer i kedjan.

effekten avskillnader i elektronegativiteten hos svavel och syre

eftersom svavel är mycket mindre elektronegativ än syre, är detmer sannolikt att bilda föreningar i vilka det har ett positivtoxidationsnummer (se tabell nedan).

Common Oxidation Numbers for Sulfur

i teorin kan svavel reagera med syre för att bilda antingen so2eller SO3, vars Lewis-strukturer ges i figurennedan.

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 börreagera med O2 för att bilda SO3, hastigheten på dettareaktionen är mycket långsam. Omvandlingshastigheten för SO2into SO3 kan ökas kraftigt genom att tillsätta en lämplig katalysator.

enorma mängder SO2 produceras av industrinvarje år och omvandlas sedan till SO3, som kan användasför att producera svavelsyra syra, H2SO4. I teorin kan svavelsyra framställas genom upplösning av SO3-gas ivatten.

i praktiken är detta inte bekvämt. Istället absorberas SO3 i 98% H2SO4, där den reagerar med vattnet för att bilda ytterligare H2so4molekyler. Vatten tillsätts sedan, efter behov, för att hållakoncentrationen av denna lösning mellan 96% och 98% H2så4 i vikt.

svavelsyra är den överlägset viktigaste industriellakemisk. Det har till och med hävdats att det finns en direktförhållande mellan mängden svavelsyra ett landkonsumerar och dess levnadsstandard. Mer än 50% avsvavelsyra som produceras varje år används för att göra gödselmedel. Därvila används för att göra papper,syntetfibrer och textilier, insekticider, tvättmedel, fodertillsatser, färgämnen,läkemedel, frostskyddsmedel, färger och emaljer, linoleum,syntetiskt gummi, tryckfärger, cellofan, fotografisk film,sprängämnen, bilbatterier och metaller som magnesium, aluminium,järn och stål.

svavelsyra dissocierar i vatten för att ge HSO4-jonen, som är känd som vätesulfat eller bisulfat, 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.

svavelsyra och svavelsyra är båda exempel på en klass av föreningar som kallas oxisyror, eftersom de ärbokstavligen syror som innehåller syre. Eftersom de är negativeions (eller anjoner) som innehåller syre, är SO32-och SO42 – jonerna kända som oxyanioner.Lewis-strukturerna av några av de svaveloxider som föroxisyror eller oxianioner ges i tabellen nedan.

en av dessa oxyanioner förtjänar särskilt omnämnande. Denna jon, som är känd som tiosulfatjonen, bildas genom reaktionenmellan svavel och sulfit (SO32-) Jonen.

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.

även om denna notation visar likheten mellankonfigurationer av de två elementen, döljer den en viktigskillnad som gör att svavel kan expandera sitt valensskal för att hållamer än åtta elektroner.

syre reagerar med fluor till form AV2.

reaktionen stannar vid denna punkt eftersom syre endast kan hålla åtta elektroner i sitt valensskal, som visas i figurennedan.

svavel reagerar med fluor för att bilda SF4 och SF6,som visas i figuren nedan, eftersom svavel kan expandera sin valensskal för att hålla 10 eller till och med 12 elektroner.