12.7: Groep VIA- Chalcogenen

Naarmate we het rechterdeel van het periodiek systeem naderen, worden de overeenkomsten tussen de elementen binnen een groep weer groter. Dit is het geval met groep VIA. Behalve polonium, dat radioactief is en gewoonlijk buiten beschouwing wordt gelaten, vormen alle leden van de groep X2-ionen wanneer zij gecombineerd worden met hoog-elektropositieve metalen. De neiging om gereduceerd te worden tot de -2 oxidatietoestand neemt echter aanzienlijk af van boven naar beneden in de groep, en tellurium vertoont enige metallische eigenschappen. De groep VIA elementen worden chalcogenen genoemd omdat de meeste ertsen van koper (Grieks chalkos) oxiden of sulfiden zijn, en zulke ertsen bevatten sporen van selenium en tellurium. De atomaire eigenschappen van de chalcogenen zijn in de tabel samengevat.

Tabel: Eigenschappen van de elementen van groep VIA

Element	Symbool	Elektronenconfiguratie	Uitgangsoxidatietoestand State	Radius/pm
			Covalent	Ionisch (X2-)
Zuurstof	O	2s22p4	-2	66	140
Zwavel	S	3s23p4	+6, +4, -2	104	184
Selenium	Se	4s23d104p4	+6, +4, -2	117	198
Tellurium	Te	5s24d105p4	+6, +4, -2	135	221

Symbool	Ionisatie-energie/MJ mol-1			Dichtheid/ g cm-3	Electro- negativiteit	Smeltpunt (in °C)
	Eerste	Tweede	Derde
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

Bij gewone temperatuur en druk is zuurstof een gas. Het bestaat in een van de twee allotrope vormen: O2, dat 21 % van de atmosfeer van de aarde uitmaakt, of O3 (ozon), dat langzaam wordt afgebroken tot O2. O3 kan worden bereid door een elektrische ontlading door O2 of lucht te laten gaan:

Deze reactie vindt op natuurlijke wijze plaats als gevolg van bliksemschichten. O3 wordt ook geproduceerd door elk apparaat dat elektrische vonken produceert. Ozon wordt in de stratosfeer van de aarde (tussen 10 en 50 km hoogte) gevormd door ultraviolette stralen met een golflengte van minder dan 250 nm:

Ozon absorbeert ultraviolette straling met een langere golflengte (tot 340 nm), waardoor deze schadelijke straling het aardoppervlak niet kan bereiken. Anders zouden deze stralen het aantal gevallen van huidkanker bij de mens doen toenemen en andere milieuproblemen veroorzaken. De laatste jaren zijn overtuigende bewijzen verkregen dat de uitstoot van stikstofoxide door vliegtuigen voor supersonisch vervoer (SST) (die in de stratosfeer vliegen) de ozonconcentratie kan verminderen. Soortgelijke conclusies zijn getrokken met betrekking tot chloorfluorkoolwaterstoffen (soms CFK’s genoemd) die worden gebruikt als drijfgas in haarsprays en deodorants. Eenmaal in de atmosfeer zorgt een fotochemische reactie ervoor dat atomair chloor uit CFK’s wordt afgescheiden. Dit atomair chloor kan vervolgens deelnemen aan een katalytische ozonafbrekende reactie:

Het atomair chloor wordt geregenereerd, hetgeen betekent dat elke CFK-molecule het potentieel heeft om grote hoeveelheden ozon af te breken. In de jaren tachtig werd vastgesteld dat het gebruik van chemicaliën als CFK’s de stratosferische ozonlaag uitdunde. Toen werd ook het “gat in de ozonlaag” boven Antarctica ontdekt. Als reactie op de afbraak van de ozonlaag en het gevaar dat daardoor ontstond, werd het Protocol van Montreal betreffende stoffen die de ozonlaag afbreken ondertekend door leiders van verschillende landen, met als doel de productie en het gebruik van CFK’s en andere chemische stoffen die de ozonlaag aantasten, geleidelijk te beëindigen. Momenteel hebben 191 landen het protocol ondertekend, en hoewel het naar verwachting tot 2075 zal duren voordat de ozonconcentraties weer normaal zijn, is het Protocol van Montreal tot dusver een succes gebleken.

O3 is ook een belangrijk bestanddeel van fotochemische smog. Het ontstaat wanneer O-atomen (gevormd door het verbreken van N-O bindingen in NO2) reageren met moleculen volgens Eq. \. O3 is een sterker oxidatiemiddel dan O2. Het reageert met onverzadigde koolwaterstoffen (alkenen) in verdampte benzine tot aldehyden en ketonen die irriterend zijn voor de ogen. Rubber is een polymeer dat -bindingen bevat, en dus reageert het ook met O3. Verder is gebleken dat ozon op grondniveau en de daarmee gepaard gaande smog een belangrijk gezondheidsprobleem vormen, de ademhalingswegen irriteren en beschadigen en ook verband houden met astma. Ozon is dus heilzaam wanneer het zich in de bovenste atmosfeer bevindt, maar heeft nadelige gevolgen wanneer het zich op grondniveau bevindt.

Zwavel komt voor in een verscheidenheid van allotrope vormen. Bij kamertemperatuur is de meest stabiele vorm rhombische zwavel. Deze gele vaste stof bestaat uit S8-moleculen (te zien in de Jmol hieronder) verpakt in een kristalrooster dat behoort tot het orthorhombische systeem (vermeld op de pagina over kristalsystemen).

Figuur S8-molecuul (Pagina-index{1}): Het oorspronkelijke bal- en stokmodel kan in de driedimensionale ruimte worden gemanipuleerd. Klik op VdW-stralen om een ruimtevullend model van hetzelfde molecuul te zien.

Bij verwarming tot 96°C verandert vast rhombisch zwavel zeer langzaam in monoklien zwavel, waarin een derde van de S8-moleculen willekeurig georiënteerd zijn in het kristalrooster. Wanneer beide vormen van zwavel smelten, is de vloeistof aanvankelijk lichtgeel en vloeit gemakkelijk, maar boven 160°C wordt zij steeds stroperiger. Pas bij het kookpunt van 444,6°C wordt de vloeistof weer dunner. Deze ongewone verandering van de viscositeit met de temperatuur wordt toegeschreven aan het openen van de achtledige ring van S8 en de vorming van lange ketens van zwavelatomen. Deze verstrengelen zich en verhinderen dat de vloeistof kan vloeien. Deze verklaring wordt ondersteund door het feit dat, als de viskeuze vloeistof snel wordt afgekoeld door deze in water te gieten, experimenteel kan worden aangetoond dat de amorfe zwavel die ontstaat bestaat uit lange ketens van zwavelatomen.

Zowel selenium als tellurium hebben vaste structuren waarin de atomen in lange spiraalvormige ketens aan elkaar zijn gebonden. Beide zijn halfgeleiders, en het elektrisch geleidingsvermogen van selenium hangt af van de intensiteit van het licht dat op het element valt. Deze eigenschap wordt gebruikt in selenium fotocellen, die vaak worden gebruikt in fotografische belichtingsmeters.

Selenium wordt ook gebruikt in gelijkrichters om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Verbindingen van seleen en telluur zijn van weinig commercieel belang, en zijn vaak giftig. Bovendien hebben vele van hen een vieze geur, worden ze door het lichaam opgenomen en geven ze af via transpiratie en de adem. Deze eigenschappen hebben de studie van tellurium- en seleenverbindingen belemmerd.