A) Szerkezet
A kén anyagszerkezete
A kén (vegyjele S) a periódusos rendszer VI. főcsoportjának (oxigéncsoport) eleme, a 3. periódusban. Az oxigén alatt helyezkedik el, de annál jóval kisebb elektronegativitású, ezért lágyabb, „fémesebb" jellegű nemfém. Hét vegyértékelektronja helyett hat vegyértékelektronja van, külső héjának elektronkonfigurációja 3s² 3p⁴.
VI. főcsoport, 3. periódus; 6 vegyértékelektron, konfiguráció 3s² 3p⁴; elektronegativitása 2,5. Jellemző vegyértékei: 2, 4 és 6. A csoporton belül (kén–kén között) csak σ-kötés alakul ki — az oxigénnel ellentétben a kén nem képez könnyen π-kötést, ezért nem kétatomos molekulát, hanem gyűrűket és láncokat alkot.
Az S₈ molekula
Szilárd halmazállapotban a kén alapegysége a nyolcatomos (S₈) molekula. Ebben minden kénatom 1-1 σ-kötéssel a két szomszédjához kapcsolódik, így záródik a kör: nyolc kénatom zegzugos (cikcakk) gyűrűt alkot.
Nyolc kénatom koronaszerű, zegzugos gyűrűje. A kénatomok két párhuzamos síkban helyezkednek el, váltakozva (felül-alul), síkonként 4-4 atom. Mivel minden atom csak σ-kötéssel kapcsolódik két szomszédjához, a gyűrű nem sík, hanem „megkoronázott" (korona-, illetve nyeregforma).
Molekularács — a kristályos kén
A szilárd kénben az S₈ molekulák szabályos rendben helyezkednek el: molekularácsot alkotnak. A gyűrűkön belül erős kovalens σ-kötések vannak, magukat a molekulákat azonban csak gyenge másodrendű kötések (diszperziós, van der Waals-kötések) tartják össze.
B) Módosulatok és olvadék
Allotrópia — a kén módosulatai
A kén a klasszikus iskolapéldája az allotrópiának: ugyanaz az elem több, eltérő szerkezetű és tulajdonságú szilárd módosulatban (kristályformában) létezik. A kén három legfontosabb módosulata a rombos (α), a monoklin (β) és az amorf (plasztikus) kén.
Egy elem többféle, eltérő szerkezetű (és így eltérő tulajdonságú) megjelenési formája. A rombos és a monoklin kén egyaránt S₈ gyűrűkből áll — csak a gyűrűk kristályrácsbeli elrendezése tér el. Az amorf kén ezzel szemben láncokból épül fel.
Interaktív módosulat-váltó
Válassz egy módosulatot, és nézd meg a szerkezetét, stabilitási tartományát és jellemző tulajdonságait. Figyeld, hogyan tér el a láncos amorf kén a gyűrűs kristályoktól!
A három módosulat összevetése
| Rombos (α) kén | Monoklin (β) kén | Amorf (plasztikus) kén | |
|---|---|---|---|
| Stabilitás | szobahőmérsékleten stabilis | 95,5 °C felett stabilis | nem stabilis, átalakul |
| Kristályrendszer | rombos | monoklin | nincs (rendezetlen) |
| Felépítés | S₈ gyűrűk | S₈ gyűrűk (más elrendezés) | zegzugos kénláncok |
| Előállítás | természetes; lassú kristályosítás | 95,5 °C felett alakul át (vagy lassú hűtés) | olvadt kén hirtelen lehűtése |
| Jellemzők | sárga, kis keménység, törékeny; nem vezet; vízben nem old. | a romboshoz hasonló; olvadáspontja kissé eltér | gumiszerűen nyúlós, rugalmas |
| Átalakulás | 95,5 °C felett → monoklin | lehűtve → rombos | néhány óra alatt → rombos kén |
Az olvadék hőmérsékletfüggő viselkedése
A kén olvadéka az egyik leglátványosabb kémiai jelenség: melegítés közben a szín és a viszkozitás nem egyenletesen, hanem szakaszosan változik. Ennek oka a molekulaszerkezet átalakulása: a gyűrűk felszakadnak, láncok keletkeznek, majd a láncok feldarabolódnak.
Interaktív olvadék-hőmérséklet eszköz
Lépkedj végig a hevítés szakaszain, és figyeld, hogyan változik a szerkezet, a szín és a viszkozitás — egészen a hideg vízbe öntésig, ahol amorf kén keletkezik!
C) Tulajdonságok és reakciók
Fizikai és kémiai tulajdonságok
A kén tulajdonságait a molekularács és a benne lévő gyenge másodrendű kötések határozzák meg. Szobahőmérsékleten a stabilis rombos kén jellemzői a következők:
Fizikai tulajdonságok
- Sárga, kis keménységű, törékeny szilárd anyag.
- Nem vezeti sem a hőt, sem az elektromosságot.
- Vízben nem oldódik.
- Jól oldja a szén-diszulfid (CS₂); a szerves oldószerek (pl. a toluol) részben oldják.
Oldhatóság és kémiai viselkedés
- Tömény, forró lúgokban oldódik.
- Mésztejjel főzve (kalcium-hidroxid-szuszpenzió) mészkénlevet ad — ez ismert növényvédő permetezőszer.
| Oldószer / közeg | Oldja-e a ként? | Megjegyzés |
|---|---|---|
| Víz | nem | apoláris molekularács, nem oldódik vízben |
| Szén-diszulfid (CS₂) | jól | a kén legjobb oldószere |
| Szerves oldószer (toluol) | részben | részleges oldódás |
| Tömény forró lúg | igen | kémiai reakcióval oldódik |
| Mésztej (forralva) | igen | mészkénlé keletkezik (permetezőszer) |
A kén reakciói — interaktív
A kén közepesen reakcióképes nemfém: nemfémekkel (H₂, O₂) és sok fémmel is reagál, többnyire melegítésre. Egy reakciója azonban már szobahőmérsékleten végbemegy — a higannyal! Kattints egy reakcióra a rendezett egyenletért és a magyarázatért.
A higany és a kén — biztonsági alkalmazás
A kén és a higany reakciója lassan, már szobahőmérsékleten lejátszódik, és a keletkező higany(II)-szulfid (HgS) fekete, nem mérgező szilárd anyag. Ezért a kiömlött, mérgező higanycseppeket kénporral szórják be: a kén megköti a higanyt, és ártalmatlan vegyületté alakítja.
Oxidációs számok és a kén vegyületei
A kén legfontosabb oxidációs számai a −2, +4 és +6. A negatív (−2) jellemző a fémekkel és a hidrogénnel alkotott vegyületekre (szulfidok), a pozitív értékek pedig az oxigéntartalmú vegyületekre (oxidok, oxosavak).
| Oxidációs szám | Vegyülettípus | Példák |
|---|---|---|
| −2 | szulfidok | H₂S, FeS, ZnS, HgS, PbS |
| +4 | kén-dioxid (és sói, a szulfitok) | SO₂ |
| +6 | kén-trioxid, kénsav (és sói, a szulfátok) | SO₃, H₂SO₄ |
D) Előfordulás, előállítás, felhasználás
Előfordulás — elemi kén és ásványok
A kén a természetben elemi állapotban (főleg vulkáni vidékeken) és számtalan vegyületben fordul elő. Legfontosabb ásványai a szulfidok és a szulfátok. A kén ezenkívül fehérjealkotó elem, és az ásványi szenek kéntartalma is jórészt szerves eredetű.
Szulfidásványok
A fontosabb fémek ércei gyakran szulfidok. Ezekre jellemző a fémes fény és a nagy sűrűség. Kattints egy ásványra a galériában a képletéért és a róla szóló rövid leírásért!
Szulfátásványok
A kén +6 oxidációs számú vegyületei, a szulfátok is gyakori ásványok:
| Ásvány | Képlet | Megjegyzés |
|---|---|---|
| Gipsz | CaSO₄·2H₂O | kristályvizes kalcium-szulfát; építőanyag |
| Anhidrit | CaSO₄ | vízmentes kalcium-szulfát |
| Keserűsó | MgSO₄·7H₂O | kristályvizes magnézium-szulfát |
A kén előállítása
A tiszta ként többféleképpen állítják elő — elemi kéntelepek bányászatától a vegyipari melléktermékként való kinyerésig:
- Kéntelepek bányászata és tisztítása: az elemi kén kitermelése, majd tisztítása (pl. olvasztással, desztillálással).
- Kokszgyártás mellékterméke: a szén lepárlásakor felszabaduló kéntartalmú gázokból nyerik ki.
- Szulfidok oxidációja: a kéntartalmú ércekből (pl. pirit) oxidációval.
- A H₂S és az SO₂ reakciója: a kén-hidrogén és a kén-dioxid egymást „közömbösíti", elemi kén válik ki. Ez egyben fontos füstgáz-tisztítási eljárás is.
A reakcióban a kén-hidrogén (a kén −2-es oxidációs állapotban) és a kén-dioxid (a kén +4-es állapotban) együtt elemi kénné alakul: ez egy komproporció, amelyben mindkét vegyület kénje a köztes 0 oxidációs számra jut.
Felhasználás és jelentőség — összefoglalás
A kén az egyik legfontosabb ipari alapanyag. Felhasználása a nagyipari vegyiparban, a mezőgazdaságban és a gyógyászatban egyaránt jelentős:
| Terület | Felhasználás |
|---|---|
| Vegyipar | kénsavgyártás (a legfontosabb ipari sav alapanyaga) és gumigyártás (a kaucsuk vulkanizálása) |
| Mezőgazdaság | permetezőszer; a mészkénlé (mésztejjel főzött kén) növényvédő szer |
| Gyógyászat | bőrbetegségek kezelése: gyógyszappan, hintőpor, kénes kenőcs |
A legfontosabb felhasználások
- Kénsavgyártás: a kénből (vagy szulfidokból) kiinduló kénsav (H₂SO₄) a vegyipar egyik legtöbbet gyártott alapanyaga.
- Gumigyártás: a kén a kaucsuk vulkanizálásával teszi rugalmassá és tartóssá a gumit.
- Mezőgazdaság: permetezőszerként és a mészkénlé formájában növényvédelemre.
- Gyógyászat: bőrbetegségek ellen kénes szappanok, hintőporok és kenőcsök formájában.