普通化学/各种元素化学/16族

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封面 · 简介 · v • d • e
单元: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质的相 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 方程 · 还原电位 · 元素及其性质

氧族

16族 (VIA) 由氧气、硫、硒、碲和钋组成。它们通常被称为硫族元素，它们的化合物被称为硫族元素化物，尽管这些名称很少应用于氧气及其许多化合物。氧气、硫和硒是非金属。碲是类金属，钋是金属。

16族元素有 6 个价电子，这意味着它们需要再获得两个电子才能完成稳定的电子八隅体。它们仍然具有相对较大的电子亲合能，并且相当活泼，形成带 -2 电荷的离子。所有这些元素都与氢形成挥发性化合物：水 H₂O、硫化氢 H₂S、硒化氢 H₂Se、碲化氢 H₂Te 和钋化氢 PoH₂。

电负性随着原子质量的增加而降低，氧气比除氟以外的所有元素都更具电负性；它在很大程度上类似于卤素，除了它的 -2 氧化态。氟和氧气将这些元素（除了氧气）氧化到 +6 氧化态，产生诸如六氟化硫 SF₆ 和三氧化硫 SO₃ 以及其衍生物硫酸 H₂SO₄ 等物质（对于硫而言），硫酸是使用最广泛的工业化学品之一。（请注意，使用硫酸需要格外小心，因为它会导致皮肤、布料和纸张发生化学灼伤）。通常，这些元素将获得 -2 的氧化态。

硫、硒和碲的氧化物是酸性的。强放射性在很大程度上掩盖了钋的化学性质。

氧

氧气是一种双原子气体，约占我们呼吸的空气的 20%。它对动物的生命至关重要，植物会释放氧气。植物吸收阳光并产生葡萄糖（糖）和氧气。植物和动物细胞都用氧气“燃烧”葡萄糖以获得能量。

$6{\hbox{CO}}_{2}+6{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+sunlight\to {\hbox{C}}_{6}{\hbox{H}}_{12}{\hbox{O}}_{6}+6{\hbox{O}}_{2}$	光合作用实际上是一系列复杂的化学反应，涉及叶绿体中发现的几种物质。这是总反应。
${\hbox{C}}_{6}{\hbox{H}}_{12}{\hbox{O}}_{6}+6{\hbox{O}}_{2}\to 6{\hbox{CO}}_{2}+6{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+2880~kJ/mol$	细胞呼吸作用是相反的过程：将葡萄糖转化为能量。

氧气有几种同素异形体，但只有两种是常见的：双氧和臭氧。双氧是氧气的普通形式，O₂，通过双共价键结合在一起。臭氧，O₃，自然存在于高层大气中，当普通氧气暴露于高压电时会形成。

液氧

如果将氧气冷却到约 -183 摄氏度（约 -297 华氏度），氧气就会凝结成蓝色液体，它会强烈浓缩氧气作为氧化剂，使燃料能够燃烧。液氧用于火箭，用于太空飞行，使火箭能够进入几乎没有氧气的太空。

臭氧

臭氧很不稳定。它会分解：2 O₃ → 3 O₂。臭氧是一种非常强大的氧化剂。金属和非金属在接触臭氧时都会被氧化。

${\hbox{C}}+2{\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{CO}}_{2}+2{\hbox{O}}_{2}$	碳被臭氧氧化。
${\hbox{NO}}+{\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{NO}}_{2}+{\hbox{O}}_{2}$	一氧化氮变成二氧化氮。

虽然在地表被认为是一种污染物（有毒），臭氧是高层大气中非常重要的化学物质。太阳会发出危险的紫外线，会损伤活细胞，但臭氧会吸收光能并将其安全地转化为热能。

${\hbox{O}}_{3}+radiation\to {\hbox{O}}_{2}+{\hbox{O}}$	来自太阳的高能辐射会分裂臭氧分子。
${\hbox{O}}_{2}+{\hbox{O}}\to {\hbox{O}}_{3}+energy$	原子氧可以重新附着到双氧上，重新生成臭氧。

你可以看到，上述反应的净结果是一个臭氧系统，它将危险辐射转化为热能。

原子氧极不稳定，会立即附着形成 O₂ 或 O₃。

${\hbox{O}}_{3}+{\hbox{O}}\to 2{\hbox{O}}_{2}$
${\hbox{O}}+{\hbox{O}}\to {\hbox{O}}_{2}$

大气中的臭氧含量很少，但太阳辐射会将 O₂ 分裂成两个 O 原子，因此臭氧供应量虽小但稳定。不幸的是，多年来，许多被称为氯氟烃（CFCs）的人造产品进入高层大气。这些化学物质会释放氯自由基，氯自由基充当破坏臭氧反应的催化剂。结果，大气中的臭氧量减少，这可能导致危险的太阳辐射增加。

${\hbox{CFCl}}_{3}+radiation\to {\hbox{CFCl}}_{2}+{\hbox{Cl}}\cdot$	氯自由基从 CFC 中形成。自由基有一个非键合电子（而不是通常的电子对），因此它们非常活泼。氯自由基只是一个氯原子（有七个电子）。
${\hbox{Cl}}\cdot +{\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{ClO}}+{\hbox{O}}_{2}$	氯自由基会通过从臭氧中“偷取”一个氧原子而变得稳定。
${\hbox{ClO}}+{\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{Cl}}\cdot +2{\hbox{O}}_{2}$	氯氧化物反应消除另一个臭氧分子。最初的自由基现在可以重复整个过程。

如你所见，氯自由基将臭氧转化为普通氧，而不会被消耗掉。多年来，人们创造了替代 CFCs 的产品，这些产品对环境造成的损害较小。

氧化物

任何由氧气和其他元素通过共价键结合而成的化合物被称为氧化物。除金、铂和汞等少数金属外，大多数金属都易于形成氧化物。除了被称为氧化外，这个过程也被称为锈蚀或生锈。换句话说，生锈的铁钉就是形成了氧化铁。覆盖在原本光亮铜表面上的暗淡、脏污的薄膜就是氧化铜。氧化物之所以形成是因为氧气的电负性很高。当物质燃烧（包括碳氢化合物和金属）时，它们会氧化并迅速释放大量热量。

氧化离子是O^2-。还有过氧化物O₂^2- 和超氧化物O₂^-。

硫

硫的行为类似于氧气，但它有超过30种同素异形体。最常见的是S₈。硫在常温常压下是黄色固体。硫是许多有机和无机化合物的一部分。硫是维持生命所需的某些蛋白质的一部分。

在-2氧化态的硫与许多金属形成称为硫化物的化合物，例如K₂S CaS，FeS，PtS₂。其中一些（特别是碱金属的硫化物）可溶于水，而另一些（如CuS）则极难溶于水。其他氧化态也是可能的，例如在黄铁矿FeS₂中，氧化态为-1，硫以二硫化物阴离子S₂^2- 的形式存在，具有与过氧化物中O-O键相当的共价S-S键。

一些具有较高氧化态的化合物是众所周知的，例如氧化物及其相应的含氧酸和阴离子

氧化数	氧化物	名称	酸	名称	阴离子	名称
+6	SO₃	三氧化硫	H₂SO₄	硫酸	SO₄^2-	硫酸根
+4	SO₂	二氧化硫	H₂SO₃	亚硫酸	SO₃^2-	亚硫酸根
-2	-	-	H₂S	氢硫酸	S^2-	硫化物

其他中间氧化态也存在，但不太常见。

以"硫代-"开头的化学名称表示一个氧原子被一个硫原子取代了。例如，氰酸根是OCN^-，而硫氰酸根是SCN^-。类似地，PS₄^3- 是硫代磷酸根离子。

较重的氧族元素

硒在光照下比在黑暗中导电性更好，因此它被用于光电元件中，光电元件是一种检测光的电子元件。

硒的化学性质与硫非常相似。它甚至形成类似于含硫氨基酸（如半胱氨酸）的氨基酸。它更常见的氧化态导致一个与上面硫的表格非常相似的表格

氧化数	氧化物	名称	酸	名称	阴离子	名称
+6	SeO₃	三氧化硒	H₂SeO₄	硒酸	SeO₄^2-	硒酸根
+4	SeO₂	二氧化硒	H₂SeO₃	亚硒酸	SeO₃^2-	亚硒酸根
-2	-	-	H₂Se	氢硒酸	S^2-	硒化物

碲的化学性质与硫的差异更大。H₂Se 和 H₂Te 等化合物是极难闻的气体，而且有剧毒。这两种元素都用于半导体的制造。一些硒化物和碲化物以矿物的形式存在。碲化物这个名字最广为人知的是科罗拉多州山区的一个滑雪胜地，但它得名于一种黑色的碲化物矿物，这种矿物最初甚至没有被认定为是贵重的金矿石。有趣的是，金在与该族元素反应时的稳定性表现出反常：碲化物是最稳定的，金硒化物确实存在，但硫化物和氧化物是不稳定的。

钋具有危险的放射性，而且非常稀有。它通常与铀矿石有关，是铀放射性衰变的产物。它因被用作毒药，用来毒害一名俄罗斯间谍而声名狼藉。