Халькогены в химии: свойства, история открытия, применение

Халькогены: невидимые строители жизни и прогресса

Химия изучает не только знакомые всем кислоты, соли и щелочи. Существует целая группа элементов, без которых невозможна сама жизнь. Эти элементы — халькогены.

Почему халькогены так важны?

• Кислород обеспечивает процесс дыхания и выработку энергии. Элемент кислород входит в состав воды и большинства органических молекул. Благодаря горению веществ, содержащих кислород, человечество получило тепло и свет.
• Селен является важным компонентом сетчатки глаза. Без селена острота человеческого зрения была бы значительно ниже.
• Сера активно применяется в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями. В медицине сера ценится за выраженные дезинфицирующие и антибактериальные свойства.

Все перечисленные элементы — кислород, селен, сера — относятся к халькогенам. Их значение для биологии, медицины и промышленности огромно. В химии халькогены также занимают особое место благодаря уникальным свойствам и роли в образовании минералов.

Определение и происхождение термина «халькогены»

Термин «халькоген» имеет греческое происхождение. Он образован от двух слов:

1. Chalkos — означает «медь».
2. Genos — переводится как «рожденный».

Название группы напрямую связано с медью, так как в природе эти элементы часто встречаются в составе медных руд.

Какие элементы входят в группу халькогенов?

К халькогенам относятся шесть элементов главной подгруппы VI группы периодической системы:

1. Кислород (O)
2. Сера (S)
3. Селен (Se)
4. Теллур (Te)
5. Полоний (Po)
6. Ливерморий (Lv) — синтезирован искусственно и в природе не встречается.

Ключевые характеристики группы

• Положение в таблице: Элементы VI-A группы.
• Окислительно-восстановительные свойства: Могут выступать как окислителями, так и восстановителями.
• Агрегатное состояние и природа:
  • Неметаллы: кислород, сера, селен.
  • Полуметалл: теллур.
  • Металл: полоний.
• Способность к катенации: Атомы халькогенов (кроме кислорода) могут образовывать длинные цепи. Кислород образует цепочки максимум из трех атомов.

История открытия халькогенов

Каждый элемент этой группы имеет свою уникальную историю обнаружения.

Открытие кислорода

Кислород как газ был открыт в конце XVIII века двумя учеными независимо друг от друга:

• Карл Шееле (Швеция, 1771 г.): Получил «огненный воздух» при прокаливании селитры с серной кислотой.
• Джозеф Пристли (Англия, 1774 г.): Выделил газ при разложении оксида ртути. Именно Пристли считается официальным первооткрывателем, так как опубликовал результаты раньше.

Открытие серы

Сера как вещество использовалась с древности для дезинфекции, отбеливания тканей и в религиозных обрядах. Однако как химический элемент сера была идентифицирована Антуаном Лавуазье в ходе его знаменитых опытов по горению в конце XVIII века.

Открытие селена

Селен был открыт Йёнсом Берцелиусом в 1817 году. Шведский химик обнаружил его при исследовании методов получения серной кислоты. Название «селен» происходит от греческого «σελήνη» (луна), что подчеркивает сходство и отличие от теллура (названного в честь Земли).

Открытие теллура

Теллур впервые обнаружил австрийский горный инженер Франц Мюллер в 1782 году в золотоносной руде. Элемент получил название в честь римской богини земли Теллус (Терра).

Открытие полония

Радиоактивный полоний открыла Мария Склодовская-Кюри в 1898 году при изучении урановой смолки. Элемент был назван в честь родины ученой — Польши (лат. Polonia). Полоний и его соединения чрезвычайно токсичны.

Физические свойства халькогенов

Свойства простых веществ в группе изменяются с увеличением атомного номера.

Элемент	Внешний вид простого вещества	Агрегатное состояние	Особые свойства
Кислород (O₂)	Бесцветный газ	Газ	Без вкуса и запаха, малорастворим в воде. Жидкий кислород — голубой, магнитный.
Сера (S)	Желтое твердое вещество	Твердое	Существует в аллотропных модификациях: ромбическая (самая устойчивая) и моноклинная. Плохо проводит тепло и ток.
Селен (Se)	Серое твердое вещество	Твердое	Полупроводниковые свойства.
Теллур (Te)	Вещество серого цвета с металлическим блеском	Твердое	Хрупкий, обладает металлическим блеском.

Химические свойства халькогенов (на примере O и S)

Химические свойства кислорода

Кислород — очень активный неметалл (уступает только фтору).

• Реакции с металлами: Образует оксиды (например, 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃).
• Реакции с неметаллами: Образует оксиды (например, S + O₂ → SO₂).
• Окисление сложных веществ: Горение, окисление низших оксидов (2SO₂ + O₂ → 2SO₃).

Химические свойства серы

Сера проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства.

• Восстановитель: Реагирует с кислородом, фтором.
• Окислитель: Реагирует с металлами (образует сульфиды, например, Fe + S → FeS), с водородом (H₂ + S → H₂S).

Получение и применение халькогенов

Кислород

• Получение: Фракционная перегонка жидкого воздуха, электролиз воды.
• Применение: Металлургия, химический синтез, сварочные работы, медицина (ИВЛ).

Сера

• Получение: Выплавка из самородных руд.
• Применение: Производство серной кислоты, вулканизация резины, изготовление удобрений, инсектицидов, пороха.

Практикум: задачи по теме «Халькогены»

Проверьте свои знания, решив несколько задач.

Задача 1. Определите степень окисления серы в веществах: H₂SO₄, SO₂, H₂S, S, FeS₂, K₂SO₃, SF₆.

Задача 2. Рассчитайте массовую долю серы и кислорода в сульфате алюминия Al₂(SO₄)₃.

Задача 3. Завершите уравнения возможных реакций:

1. Na₂S + O₂ →
2. K + O₂ →
3. S + HCl →
4. S + F₂ →

Задача 4. Рассчитайте объем кислорода (н.у.), необходимый для обжига 19.2 г сульфида меди(II) по реакции: 2CuS + 3O₂ → 2CuO + 2SO₂.

Ответы к задачам

Задача 1: H₂SO₄ (+6), SO₂ (+4), H₂S (-2), S (0), FeS₂ (-1), K₂SO₃ (+4), SF₆ (+6).

Задача 2:

• M(Al₂(SO₄)₃) = 342 г/моль.
• ω(S) = (3*32 / 342) * 100% ≈ 28.07%.
• ω(O) = (12*16 / 342) * 100% ≈ 56.14%.

Задача 3:

1. Na₂S + 2O₂ → Na₂SO₄.
2. K + O₂ → KO₂ (пероксид калия).
3. S + HCl → реакция не идет.
4. S + 3F₂ → SF₆.

Задача 4:

1. ν(CuS) = 19.2 г / 96 г/моль = 0.2 моль.
2. По уравнению: ν(O₂) = 1.5 * ν(CuS) = 0.3 моль.
3. V(O₂) = 0.3 моль * 22.4 л/моль = 6.72 л.

Для успешного изучения химии и других школьных предметов важно иметь под рукой качественные материалы. Больше готовых конспектов, разборов сложных тем, задач с решениями и рабочих тетрадей для учеников 8-11 классов вы найдете на нашем образовательном портале https://edu-life.tech.