ชาลโคเจน

คุณสมบัติทางกายภาพของชาลโคเจน

มวลอะตอมจะเพิ่มขึ้นตามระยะเวลาการเติบโตของธาตุในกลุ่ม มวลต่ำสุด (16u) เป็นลักษณะของออกซิเจน (O) และมวลของ 32u, 104u, 198u และ 209u แสดงลักษณะของกำมะถัน (S), ซีลีเนียม (Se), เทลลูเรียม (Te) และพอโลเนียม (Po) ตามลำดับ รัศมีอะตอมยังเพิ่มขึ้นตามระยะเวลาที่เพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าออกซิเจนมีรัศมีสั้นที่สุดที่ 193.00 น. คุณลักษณะอีกประการหนึ่งของชาลโคเจนคือรัศมีไอออนิกที่จะเพิ่มขึ้นตามระยะเวลาที่เพิ่มขึ้น ค่าของมันสำหรับกลุ่มธาตุนั้นเริ่มต้นด้วย 140 น. สำหรับออกซิเจน และสิ้นสุดด้วย 221 น. สำหรับเทลลูเรียม อย่างไรก็ตาม เมื่อจำนวนคาบในกลุ่มเพิ่มขึ้น คุณลักษณะบางอย่าง เช่น ไอออไนเซชันและอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ก็จะลดลง พลังงานไอออไนเซชันสูงสุดที่ 1314 [kJ ·mol ^-1] แสดงถึงลักษณะของอะตอมออกซิเจน ในขณะที่กำมะถันมีค่าเท่ากับ 999.6 [kJ ·mol ^-1], 940.9 [kJ ·mol ^-1] สำหรับซีลีเนียม, 869.3 [kJ ·mol ^-1] สำหรับเทลลูเรียม และ 812 [kJ ·mol ^-1] สำหรับพอโลเนียม ค่าอิเลคโตรเนกาติวีตี้ที่กำหนดสำหรับแต่ละองค์ประกอบมีดังต่อไปนี้:

• ออกซิเจน: 3.5,
• กำมะถัน: 2.44,
• ซีลีเนียม: 2.48,
• เทลลูเรียม: 2.01

จุดหลอมเหลวและจุดเดือดมักจะเพิ่มขึ้นตามระยะเวลาการเจริญเติบโต

ตารางที่ 1. จุดหลอมเหลวและจุดเดือดของชาโคเจน

การจัดเรียงอิเล็กตรอนของชาลโคเจน

การกำหนดค่าคุณลักษณะของเวเลนซ์อิเล็กตรอน ของกลุ่มธาตุนั้นคือ ns ² p ⁴ นอกจากนี้ ชาลโคเจนยังมีแนวโน้มที่จะรับอิเล็กตรอนสองตัว ดังนั้น ในทางปฏิบัติ จะต้องจัดโครงแบบของ ก๊าซมีตระกูล ที่ใกล้ที่สุดเมื่อสถานะออกซิเดชันของพวกมันเปลี่ยนเป็น –II การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวสามารถทำได้หลายวิธี:

1. หากอิเล็กโตรเนกาติวีตี้มีความแตกต่างกันมากในระหว่างการสร้างพันธะของธาตุ อะตอมของแชลโคเจนสามารถรับอิเล็กตรอนสองตัวและก่อตัวเป็น X ^2- ออกซิเจน ซึ่งเป็นธาตุที่มีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้มากที่สุดในกลุ่ม จะก่อให้เกิดพันธะไอออนิกกับโลหะส่วนใหญ่ ซึ่งนำไปสู่ การผลิตแอนไอออนดังกล่าว O ^2- .
2. เป็นไปได้ที่จะรับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและสร้างพันธะโควาเลนต์หนึ่งตัว นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น เช่น ไฮดรอกไซด์ เมื่อมีไฮดรอกไซด์ไอออน OH ^– เกิดขึ้น หรือในไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่มีไฮโดรเจนซัลไฟด์ไอออน SH ^– ไอออนดังกล่าวมีระดับความเสถียรหลายระดับซึ่งลดลงจากออกซิเจนไปเป็นซีลีเนียม
3. การก่อตัวของพันธะโควาเลนต์สองตัว เช่น ในไฮไดรด์และเฮไลด์ นอกจากนี้ยังมีพันธะที่มีอะตอมของแชลโคเจนเหมือนกัน เช่น ในไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ หรือไฮโดรเจนไดซัลไฟด์ ออกซิเจนมีแนวโน้มที่จะเกิดพันธะเป็นสองหรือสามอะตอม ในขณะที่กำมะถันและซีลีเนียมสามารถก่อตัวเป็นสายโซ่หลายอะตอมอันเป็นผลมาจากการแบ่งส่วน พันธะคู่ส่วนใหญ่มักเกิดจากออกซิเจนและซัลเฟอร์ ซึ่งเป็นกรณีของยูเรียหรือไทโอยูเรีย เป็นต้น นอกจากนี้ ซัลเฟอร์และแชลโคเจนอื่นๆ (ไม่เหมือนกับออกซิเจน ซึ่งจะอยู่ในสถานะออกซิเดชัน –II เสมอ) สามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้มากกว่าสองพันธะหรือมากถึงหกพันธะด้วยซ้ำ นี่เป็นเพราะการมีอิเล็กตรอนอยู่บนวงโคจร d ของเปลือกเวเลนซ์ด้วย และสถานะออกซิเดชันของพวกมันอาจเป็น IV หรือ VI

ออกซิเจนพันธุ์ Allotropic

ออกซิเจนเกิดขึ้นในสองสายพันธุ์ allotropic: เป็นออกซิเจนไดอะตอมมิกที่พบโดยทั่วไปและเป็นโอโซนที่มีโมเลกุลไตรอะตอม โมเลกุลออกซิเจนไดอะตอมมิกเป็นแบบพาราแมกเนติกและมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ที่ออร์บิทัลที่ต้านพันธะ π ^* นี่คือสถานะแฝดเนื่องจากมีหลายหลากคือ 3 ออกซิเจนดังกล่าวเกิดขึ้นในสภาวะปกติเป็นก๊าซไม่มีสี มีสีน้ำเงินเล็กน้อยเมื่อก่อตัวเป็นชั้นหนาและเมื่ออยู่ในสถานะของเหลวหรือของแข็ง กลิ่นของมันเห็นได้ชัดและหนักกว่าอากาศเล็กน้อย นอกจากไอโซโทปพื้นฐานแล้ว ¹⁶ O ยังมีไอโซโทปอีกสองตัว ( ¹⁷ O และ ¹⁸ O) ที่สามารถพบได้ในปริมาณเล็กน้อยในออกซิเจนธรรมชาติ ผลจากการปล่อยประจุไฟฟ้า ออกซิเจน O ₂ ดังกล่าวในสถานะแฝดพื้นฐานจะเปลี่ยนเป็นหนึ่งในสองสถานะที่ตื่นเต้นได้อย่างง่ายดาย ทั้งสองอุดมไปด้วยพลังงานสถานะเสื้อกล้าม แต่อันล่างมีออร์บิทัลที่ต้านพันธะ π ^* หนึ่งตัว โดยมีอิเล็กตรอนสองตัวที่หมุนตรงข้ามกัน สถานะตื่นเต้นที่สูงกว่าจะมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวที่แต่ละวง π ^* โดยมีการหมุนแบบต่อต้านขนาน การกระตุ้นเกิดขึ้นในระหว่างการดูดซับควอนตัมพลังงานแสงที่เหมาะสม และเป็นผลจากการถ่ายโอนพลังงานผ่านโมเลกุลที่ถูกกระตุ้นของสีย้อมบางชนิด เช่น คลอโรฟิลล์และเมทิลีนบลู ออกซิเจนในสถานะเสื้อกล้ามดังกล่าวเป็นสารออกซิแดนท์ที่แรง

กำมะถันพันธุ์ Allotropic

กำมะถันเบื้องต้นจะผลิตโมเลกุลที่มีวงแหวนหรือโครงสร้างที่ถูกล่ามโซ่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไข ซัลเฟอร์มีหลายประเภทในสถานะของแข็งและของเหลว ที่อุณหภูมิห้อง เวอร์ชันเสถียรคือขนมเปียกปูนซัลเฟอร์ (หรือที่เรียกว่าอัลฟ่าซัลเฟอร์) ซึ่งมีสีเหลืองสดใส มันถูกสร้างขึ้นจากโมเลกุลออกโตอะตอมมิกที่จัดเรียงเป็นวงแหวนรูปซิกแซก เมื่อได้รับความร้อนสูงถึง 368.8 K จะเปลี่ยนเป็นโมโนคลินิกซัลเฟอร์ ความหลากหลายนี้เรียกว่าเบต้าซัลเฟอร์ ซึ่งแตกต่างจากอัลฟ่าที่เทียบเท่ากันโดยการจัดเรียงโมเลกุล octoatomic S ₈ โมโนคลินิกซัลเฟอร์ละลายที่ 392.2 K จนกลายเป็นของเหลวสีเหลืองสดใสที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะในระดับโมเลกุลโดยความสมดุลระหว่างกำมะถันอะไซคลิกและไซโคลออกตาซัลเฟอร์ เมื่อจำนวนโซ่เปิดเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับโซ่ปิด จุดเยือกแข็งของของเหลวจะลดลง ในขณะที่การให้ความร้อนดำเนินต่อไป โซ่จะขาดและผ่านการแบ่งขั้ว ซึ่งหมายความว่าพวกมันจะเกาะติดกันเป็นโซ่ยาว สามารถบรรจุได้มากถึง 10 ⁵ S ₈ ยูนิต ซัลเฟอร์เดือดที่ 717.8 K และไอสีส้มเหลืองที่เป็นโมเลกุล S ₈ จะแยกตัวออกเป็นโมเลกุลโดยมีจำนวนอะตอมลดลง ที่ 1200 K ก๊าซซัลเฟอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโมเลกุลไดอะตอมมิก การควบแน่นช้าๆ ของไอกำมะถันรวมกับการทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่ากรดซัลติก ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์สีเหลืองสดใสที่เต็มไปด้วยฝุ่น การระบายความร้อนอย่างกะทันหันของไอระเหยจนถึงช่วงหลายเคลวินหลายโหลทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีสีต่างๆ: สีม่วง สีน้ำตาล สีเขียว หรือสีเหลือง ขึ้นอยู่กับวิธีการทำความเย็น

การผลิตชาลโคเจน

ออกซิเจน

วัตถุดิบที่จำเป็นในการผลิตออกซิเจนในระดับอุตสาหกรรม ได้แก่ อากาศและน้ำ การผลิตออกซิเจนเกี่ยวข้องกับการควบแน่นอากาศแล้วแยกองค์ประกอบที่สนใจโดยการกลั่นแบบแยกส่วนที่ประมาณ 0.3 MPa ผลิตภัณฑ์ที่ได้มาโดยปกติจะมีประมาณ อาร์กอน 3%ออกซิเจนที่เกิดจากการแยกน้ำด้วยไฟฟ้ามีความโดดเด่นด้วยความบริสุทธิ์ที่สูงมาก อย่างไรก็ตาม นี่เป็นวิธีการที่ค่อนข้างแพงซึ่งใช้เฉพาะในบางประเทศเท่านั้น สำหรับวัตถุประสงค์ในห้องปฏิบัติการ ออกซิเจนจำนวนเล็กน้อยมักเกิดจากการสลายด้วยความร้อนของสารประกอบ เช่น โพแทสเซียมเตตราออกโซแมงกาเนต (VII) หรือโพแทสเซียมไตรออกโซคลอเรต (V) โดยมีแมงกานีสบริสุทธิ์ (IV) ออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

กำมะถัน

วิธีการหลักในการผลิตกำมะถันเบื้องต้นคือการกลั่นกำมะถันพื้นเมือง กระบวนการ Frasch ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในเท็กซัสและหลุยเซียน่า ประกอบด้วยการแทนที่กำมะถันเหลวที่ละลายด้วยไอน้ำร้อนยวดยิ่งภายใต้ผลกระทบของอากาศอัดสู่พื้นผิว เทคโนโลยีนี้ช่วยให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่บริสุทธิ์อย่างยิ่งซึ่งไม่จำเป็นต้องมีการกลั่นกรอง ในโปแลนด์มีการใช้วิธีนี้ใกล้กับเมือง Tarnobrzeg นอกจากนี้ ซัลเฟอร์ยังเป็นผลพลอยได้จาก การบำบัดก๊าซ ทางเทคนิคของกระบวนการ เช่น เมื่อทำให้ก๊าซธรรมชาติบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนซัลไฟด์และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ การสกัดไฮโดรเจนซัลไฟด์ดังกล่าวดำเนินการด้วยวิธีการต่างๆ เช่น กระบวนการคลอส ซึ่งเป็นกระบวนการออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรเจนซัลไฟด์เพื่อผลิตกำมะถันและน้ำ

ซีลีเนียม

องค์ประกอบนี้เป็นสารปนเปื้อนทั่วไปที่มีอยู่ในแร่ซัลไฟด์และกำมะถันภูเขาไฟ ในระหว่างการประมวลผลด้วยความร้อนของวัสดุเหล่านี้ วัสดุจะเปลี่ยนเป็นซีลีเนียมไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นเป็นของแข็งในฝุ่นที่รวบรวมโดยอุปกรณ์กำจัดฝุ่น ดังนั้นจึงประกอบด้วยวัตถุดิบที่สามารถเป็นแหล่งของซีลีเนียมบริสุทธิ์ได้ การประมวลผลดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการบำบัดพวกมันด้วยสารละลายโพแทสเซียมไซยาไนด์ จากนั้นกรองสารละลายที่ผลิตออกมาและตกตะกอน Se ภายใต้ผลของ กรดไฮโดรคลอริก อีกวิธีหนึ่งที่นำไปใช้ในทางปฏิบัติบ่อยกว่าคือการได้รับซีลีเนียมจากแอโนดสไลม์ที่เกิดจากการกลั่นทองแดงด้วยไฟฟ้า

เทลลูเรียม

สไลม์แอโนดดังกล่าวยังมีเทลลูเรียมอยู่จำนวนหนึ่งด้วย ดังนั้นการแปรรูปจึงเป็นวิธีหลักในการผลิต

การใช้ชาลโคเจน

ออกซิเจนมีการใช้งานที่หลากหลาย ในระดับอุตสาหกรรม มีการนำไปใช้มากขึ้นในโลหะวิทยาและการกลั่นเหล็กในเตาเผาแบบเปิด กระบวนการเชื่อมโลหะในเปลวไฟอะเซทิลีน-ออกซิเจนก็ใช้ออกซิเจนเป็นจำนวนมากเช่นกัน ในการขุดจะใช้ถ่านกัมมันต์ที่อิ่มตัวด้วยออกซิเจนเหลวเป็นวัตถุระเบิด ในทางการแพทย์ มีการใช้ออกซิเจนในกรณีที่เกิดปัญหาระบบทางเดินหายใจ อีกรูปแบบหนึ่งคือโอโซน ซึ่งถูกใช้เป็นสารฆ่าเชื้อแบคทีเรียในการฆ่าเชื้อโรคในน้ำ ซัลเฟอร์เป็นหนึ่งในวัสดุหลักในการผลิตซัลเฟอร์ไดออกไซด์ซึ่งจะถูกแปรรูปเป็น กรดซัลฟิวริก ที่ใช้เป็นยาฆ่าเชื้อหรือสารฟอกขาว นอกจากนี้ ซัลเฟอร์ยังถูกนำไปใช้ในกระบวนการต่างๆ เช่น การวัลคาไนเซชันของยาง หรือการผลิตสีย้อมอินทรีย์บางชนิด รวมถึงคาร์บอนไดซัลไฟด์และอุลตรามารีน นอกจากนี้ยังเป็นวัตถุดิบชนิดหนึ่งที่จำเป็นสำหรับการผลิตผงสีดำ ดอกไม้ไฟ หรือไม้ขีดไฟ การเตรียมที่มีซัลเฟอร์เป็นส่วนประกอบยังนำไปใช้ในทางการแพทย์ (สูตรที่สนับสนุนการรักษาโรคผิวหนัง) และในการเกษตร (สารที่ใช้ในการต่อสู้กับปรสิตพืช) ซีลีเนียมจำเป็นในการผลิตโฟโตเซลล์และวงจรเรียงกระแส มันทำหน้าที่เป็นสีย้อมทับทิมแดงในกระบวนการผลิตแก้วและใช้ในการซีโรกราฟี เทลลูเรียมเป็นสารเติมแต่งสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีสารตะกั่ว ช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลและความต้านทานการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังเป็นสารตั้งต้นที่ใช้ในการผลิตวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่สำคัญที่สร้างจากเทลลูไรด์ของโลหะหนัก เช่น บิสมัท พลวง ตะกั่ว และแคดเมียม ส่วนใหญ่จะใช้พอโลเนียมเป็นแหล่งทดสอบรังสีอัลฟ่าและแหล่งความร้อนในอุปกรณ์อวกาศ