12.7: Gruppe VIA- Chalkogene

Wenn man sich der rechten Seite des Periodensystems nähert, werden die Ähnlichkeiten zwischen den Elementen innerhalb einer Gruppe wieder größer. Dies trifft auf die Gruppe VIA zu. Mit Ausnahme von Polonium, das radioaktiv ist und normalerweise nicht besprochen wird, bilden alle Mitglieder der Gruppe X2-Ionen, wenn sie mit hoch elektropositiven Metallen kombiniert werden. Die Tendenz zur Reduktion auf die Oxidationsstufe -2 nimmt jedoch von oben nach unten in der Gruppe deutlich ab, und Tellur weist einige metallische Eigenschaften auf. Die Elemente der Gruppe VIA werden als Chalkogene bezeichnet, weil die meisten Kupfererze (griechisch chalkos) Oxide oder Sulfide sind und solche Erze Spuren von Selen und Tellur enthalten. Die atomaren Eigenschaften der Chalkogene sind in der Tabelle zusammengefasst.

Tabelle \(\PageIndex{1}\): Eigenschaften der Elemente der Gruppe VIA

Element	Symbol	Elektronenkonfiguration	Eigener Oxidations Zustand	Radius/pm
			Kovalent	Ionisch (X2-)
Sauerstoff	O	2s22p4	-2	66	140
Schwefel	S	3s23p4	+6, +4, -2	104	184
Selenium	Se	4s23d104p4	+6, +4, -2	117	198
Tellurium	Te	5s24d105p4	+6, +4, -2	135	221

Symbol	Ionisierungsenergie/MJ mol-1			Dichte/ g cm-3	Elektro- Negativität	Schmelzpunkt (in °C)
	Erste	Zweites	Drittes
O	1.320	3.395	5.307	1.43×10-3	3.5	-218
S	1.006	2.257	3.367	2.06	2.5	119
Se	0.947	2.051	2.980	4.82	2.4	217
Te	0.876	1.800	2.704	6.25	2.1	450

Bei normalen Temperaturen und Drücken ist Sauerstoff ein Gas. Er kommt in zwei allotropen Formen vor: O2, das 21 Prozent der Erdatmosphäre ausmacht, oder O3 (Ozon), das sich langsam zu O2 zersetzt. O3 kann hergestellt werden, indem eine elektrische Entladung durch O2 oder Luft geleitet wird:

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Diese Reaktion tritt auf natürliche Weise durch Blitze auf. O3 wird auch von jedem Gerät erzeugt, das elektrische Funken erzeugt. Vielleicht haben Sie den charakteristischen Geruch in der Nähe eines Elektromotors bemerkt.

Ozon wird in der Stratosphäre der Erde (zwischen 10 und 50 km Höhe) durch ultraviolette Strahlen gebildet, deren Wellenlänge kürzer als 250 nm ist:

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Das Ozon selbst absorbiert längerwellige ultraviolette Strahlung (bis 340 nm) und verhindert so, dass diese schädlichen Strahlen die Erdoberfläche erreichen. Andernfalls würden diese Strahlen das Auftreten von Hautkrebs beim Menschen erhöhen und andere Umweltprobleme verursachen. In den letzten Jahren wurden überzeugende Beweise dafür erbracht, dass Stickoxidemissionen von Überschallflugzeugen (die in der Stratosphäre fliegen) die Ozonkonzentration verringern können. Ähnliche Schlussfolgerungen wurden in Bezug auf Fluorchlorkohlenwasserstoffe (manchmal auch als FCKW bezeichnet) gezogen, die als Treibmittel in Aerosol-Haarsprays und Deodorants verwendet werden. Sobald sie in die Atmosphäre gelangen, wird durch eine photochemische Reaktion atomares Chlor aus den FCKW abgespalten. Dieses atomare Chlor kann dann an einer katalytischen ozonabbauenden Reaktion teilnehmen:

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Das atomare Chlor wird regeneriert, was bedeutet, dass jedes FCKW-Molekül das Potenzial hat, große Mengen an Ozon abzubauen. In den 1980er Jahren wurde festgestellt, dass die Verwendung von Chemikalien wie FCKW zu einer Ausdünnung des stratosphärischen Ozons führte. Zu dieser Zeit wurde auch das „Ozonloch“ über der Antarktis entdeckt. Als Reaktion auf den Abbau der Ozonschicht und die damit verbundene Gefahr wurde das Montrealer Protokoll über Stoffe, die zu einem Abbau der Ozonschicht führen, von führenden Politikern mehrerer Länder unterzeichnet, mit dem Ziel, die Produktion und Verwendung von FCKW und anderen ozonschädigenden Chemikalien einzustellen. Heute haben 191 Länder das Protokoll unterzeichnet, und obwohl es voraussichtlich bis 2075 dauern wird, bis sich die Ozonwerte wieder normalisiert haben, hat sich das Montrealer Protokoll bisher als Erfolg erwiesen.

O3 ist auch ein wichtiger Bestandteil des photochemischen Smogs. Es entsteht, wenn O-Atome (die durch das Aufbrechen von N-O-Bindungen in NO2 entstehen) mit Molekülen gemäß Gleichung reagieren. \(\ref{3}\). O3 ist ein stärkeres Oxidationsmittel als O2. Es reagiert mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen (Alkenen) in verdampftem Benzin und erzeugt Aldehyde und Ketone, die augenreizend sind. Kautschuk ist ein polymeres Material, das -Bindungen enthält, und reagiert daher ebenfalls mit O3. Darüber hinaus haben sich bodennahes Ozon und der damit einhergehende Smog als erhebliches Gesundheitsproblem erwiesen, da es die Atemwege reizt und schädigt und auch mit Asthma in Verbindung gebracht wird. Ozon ist also nützlich, wenn es sich in der oberen Atmosphäre befindet, hat aber negative Auswirkungen, wenn es sich in Bodennähe befindet.

Schwefel kommt in einer Vielzahl von allotropen Formen vor. Bei Raumtemperatur ist die stabilste Form der rhombische Schwefel. Dieser gelbe Feststoff besteht aus S8-Molekülen (im Jmol unten zu sehen), die in ein Kristallgitter gepackt sind, das zum orthorhombischen System gehört (aufgeführt auf der Seite über Kristallsysteme).

Abbildung \(\PageIndex{1}\) S8-Molekül: Das ursprüngliche Kugel- und Stabmodell kann im dreidimensionalen Raum manipuliert werden. Klicken Sie auf VdW-Radien, um ein raumfüllendes Modell desselben Moleküls zu sehen.

Beim Erhitzen auf 96°C verwandelt sich fester rhombischer Schwefel sehr langsam in monoklinen Schwefel, bei dem ein Drittel der S8-Moleküle zufällig im Kristallgitter orientiert sind. Wenn beide Formen von Schwefel schmelzen, ist die Flüssigkeit zunächst blassgelb und fließt leicht, aber oberhalb von 160 °C wird sie zunehmend zähflüssig. Erst in der Nähe des Siedepunkts von 444,6 °C wird sie wieder dünnflüssig. Diese ungewöhnliche Änderung der Viskosität mit der Temperatur wird auf die Öffnung des achtgliedrigen Rings von S8 und die Bildung langer Ketten von Schwefelatomen zurückgeführt. Diese verschlingen sich und verhindern, dass die Flüssigkeit fließt. Diese Erklärung wird durch die Tatsache gestützt, dass, wenn die zähflüssige Flüssigkeit schnell abgekühlt wird, indem sie in Wasser gegossen wird, der entstehende amorphe Schwefel experimentell nachgewiesen werden kann, dass er aus langen Ketten von Schwefelatomen besteht.

Sowohl Selen als auch Tellur haben feste Strukturen, in denen die Atome in langen Spiralketten gebunden sind. Beide sind Halbleiter, und die elektrische Leitfähigkeit von Selen hängt von der Intensität des Lichts ab, das auf das Element fällt. Diese Eigenschaft wird in Selen-Fotozellen genutzt, die häufig in fotografischen Belichtungsmessern verwendet werden.

Selen wird auch in Gleichrichtern verwendet, um elektrischen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Verbindungen von Selen und Tellur sind von geringer kommerzieller Bedeutung und oft giftig. Außerdem haben viele von ihnen einen üblen Geruch, werden vom Körper aufgenommen und über Schweiß und Atemluft abgegeben. Diese Eigenschaften haben die Untersuchung von Tellur- und Selenverbindungen behindert.