Az oxigéncsoport általános jellemzése

A „kalkogén" elnevezés a görög érc-képző jelentésre utal: a fémek a természetben jellemzően oxidok és szulfidok (oxigén- és kéntartalmú ércek) formájában fordulnak elő. A csoportban felülről lefelé haladva — az oxigéntől a polónium felé — a nemfémes jelleg fokozatosan fémessé válik: a tipikusan nemfémes oxigéntől és kéntől a félfém tellúron át a fémes polóniumig.

Böngészd végig a kalkogéneket!

Kattints egy elemre, és nézd meg a rendszámát, vegyértékhéj-konfigurációját, jellegét és legfontosabb sajátságait. Figyeld, hogyan változnak az adatok a csoportban lefelé haladva!

A csoport minden tagjának azonos a vegyértékhéj-szerkezete: a legkülső héjon ns²np⁴ konfiguráció áll, vagyis 6 vegyértékelektron. Ez a közös elektronszerkezet a magyarázata annak, hogy az elemek kémiailag rokonok.

Mivel minden kalkogénatomnak 2 párosítatlan elektronja van, elemi állapotban 2 kovalens kötéssel kapcsolódik a szomszédaihoz. Az viszont, hogy ebből milyen szerkezet áll össze, elemenként eltér — és ez a csoport egyik legszebb szerkezet–tulajdonság összefüggése.

Az oxigén: kétatomos O₂-molekula (σ + π)

Az oxigénatom kis atomsugara és nagy elektronegativitása lehetővé teszi, hogy két atom közel kerüljön egymáshoz, és a két kötés egy σ-kötésből és egy π-kötésből álló kettős kötés legyen. Így alakul ki a kétatomos O₂-molekula, amely szilárd halmazállapotban molekularácsban kristályosodik.

A kén (és a többi kalkogén): koronaszerű S₈-gyűrű (csak σ)

A csoportban lefelé haladva az atomsugár nő, az elektronegativitás csökken. A nagyobb, lazább atomok már nem tudnak π-kötést kialakítani — köztük csak σ-kötés jön létre. Ezért a kénatom két szomszédjához kapcsolódik egyszeres (σ) kötéssel, és így nyolc atomból zegzugos, koronaszerű S₈-gyűrű épül fel. A kén szilárd halmaza ezekből a gyűrűkből álló molekularács.

Próbáld ki: O₂ vagy S₈?

Válassz elemet, és nézd meg, milyen kötés és milyen molekulaszerkezet alakul ki elemi állapotban — és mi ennek az oka!

A kalkogének oxidációs száma a vegyületekben −2 és +6 között változik. A két véglet jól mutatja a kettős „arcot": elektronfelvétellel negatív, elektronegatívabb partner mellett (pl. oxigénnel) pozitív oxidációs számot vesznek fel.

Negatív oxidációs szám: a kalkogenidek

• A −2 oxidációs szám a legjellemzőbb: ekkor az atom 2 elektront vett fel (vagy 2 kötést alakított ki elektronegatívabb hiánnyal). Ide tartoznak a kalkogenidek: az oxidok (O²⁻-tartalmú vegyületek) és a szulfidok (S²⁻-tartalmúak).

Pozitív oxidációs számok

• Erősen elektronegatív partner (mindenekelőtt az oxigén) mellett a kén pozitív oxidációs számúvá válik — pl. +4 a SO₂-ben és +6 a SO₃-ban és a kénsavban.

A csoportban felülről lefelé (O → S → Se → Te → Po) haladva a tulajdonságok szabályosan változnak, mert az atomok egyre nagyobbak, és a vegyértékelektronok egyre távolabb kerülnek a magtól.

A három fő tendencia

• Az atomsugár nő (több betöltött héj).
• Az elektronegativitás a rendszámmal csökken: az oxigén EN-ja nagyon nagy, a többi elemé lényegesen kisebb.
• A nemfémes jelleg fokozatosan fémessé válik, és ezzel együtt a reakciókészség csökken.

*A szelénnek nemfémes (vörös) és fémes (szürke) módosulata is van — lásd a 7. szakaszt. A polónium (rendszám 84) már fémes és radioaktív, ezért a számszerű trendtáblából kihagytuk. A nyilak (↓ nő) a tendenciát jelzik, nem pontos olvadás-/forráspont-értékeket.

Az elektronegativitás csökkenése — szemléltetve

Az alábbi sávdiagram a négy elem közelítő elektronegativitását mutatja. Jól látszik, hogy az oxigén kiemelkedően nagy EN-ú, és lefelé haladva a többinél fokozatosan csökken.

Interaktív trend-szemléltető

Válassz egy tulajdonságot, és nézd meg, milyen irányban változik a csoportban lefelé haladva (O → Te), és miért!

Az elemi anyagok fizikai sajátságai is a csoporttrendeket követik: lefelé haladva az anyagok egyre sötétebbek és magasabb olvadáspontúak.

• Az oxigén színtelen, nehezen cseppfolyósítható gáz (rendkívül alacsony forráspont).
• A kén sárga, kristályos, alacsony olvadáspontú szilárd anyag.
• A nagyobb rendszámú elemek (Se, Te, Po) egyre sötétebbek és magasabb olvadáspontúak — a fémes jelleg erősödésével párhuzamosan.

Néhány jellemző reakció

A kalkogének — különösen a kén — reaktívak: oxigénben égnek, és sok fémmel közvetlenül egyesülnek (szulfidképződés).

Az oxigén és a kén módosulatai nemfémesek. A csoportban lefelé haladva azonban megjelenik a fémes módosulat is — és éppen ez a szelén különlegessége.

A szelén: vörös (nemfémes) és szürke (fémes) módosulat

• A vörös szelén a nemfémes, molekuláris módosulat: a kénhez hasonlóan Se₈, azaz 8-atomos molekulákból épül fel.
• Hevítésre a vörös szelén szürke, fémes szelénné alakul, amely félvezető. Ennek a szürke módosulatnak az elektromos vezetése a megvilágítástól függ (megvilágításra jobban vezet) — ez a szeléncellák működésének alapja.

A tellúr: csak fémes módosulat (félfém)

• A tellúrnak csak fémes módosulata van: félfém, szürkésfehér, fémfényű anyag — a szürke szelénhez hasonló. Vezetése kismértékben fényfüggő.
• Felhasználás: ötvözőanyag (javítja a korrózióállóságot), és termoelektromos eszközökben hasznosítják.
• Előfordulás: ritka elem; arany- és ezüstércek kísérője.
• Felfedezés: Müller Ferenc fedezte fel erdélyi aranyércben, 1782-ben.

A polónium

• A polóniumot Marie Curie fedezte fel. A csoport legfémesebb tagja, ritka és radioaktív elem.

Előfordulás

A kalkogének a természetben elemi állapotban és vegyületekben is előfordulnak.

• Az oxigén elemi állapotban a levegőben (O₂), vegyületeiben a vízben és a kőzetalkotó oxidokban/szilikátokban — a földkéreg leggyakoribb eleme.
• A kén elemi állapotban is megtalálható, valamint szulfid- és szulfátércek formájában.
• A tellúr ritka; arany- és ezüstércek kísérőjeként fordul elő.
• A polónium ritka, radioaktív bomlási termékként jelenik meg.

Élettani szerep

• Az oxigén az élethez nélkülözhetetlen (sejtlégzés).
• A kén fontos fehérje-alkotó (egyes aminosavak, pl. a kéntartalmú oldalláncok révén).
• A szelén, tellúr és polónium nagyobb dózisban mérgezőek.