Chalkogény

Chalkogény predstavujú skupinu chemických prvkov, ktoré sa nachádzajú v 16. skupine (predtým VI.A) periodickej tabuľky prvkov. Samotný názov „chalkogény" je odvodený z gréčtiny a v preklade znamená „rudotvorné prvky", čo odráža ich častý výskyt v rudách a mineráloch. Do tejto skupiny patria prvky: kyslík (O), síra (S), selén (Se), telúr (Te), rádioaktívne polónium (Po) a superťažké, umelo pripravené livermórium (Lv).

Všetky chalkogény majú vo svojej valenčnej vrstve 6 elektrónov, ich všeobecná elektrónová konfigurácia je ns² np⁴. Chýbajú im teda 2 elektróny na dosiahnutie stabilnej konfigurácie najbližšieho vzácneho plynu (oktetu). Táto snaha doplniť valenčnú vrstvu je dôvodom ich tendencie prijímať 2 elektróny, čím môžu dosiahnuť stabilnú konfiguráciu. Táto vlastnosť určuje ich typické oxidačné číslo -II v zlúčeninách s kovmi a menej elektronegatívnymi prvkami. Môžu však tvoriť zlúčeniny aj s kladnými oxidačnými číslami, najmä +IV a +VI (okrem kyslíka).

Trendy fyzikálnych a chemických vlastností link

V rámci skupiny chalkogénov môžeme pozorovať plynulé zmeny fyzikálnych vlastností:

• Atómový polomer: S pribúdajúcimi elektrónovými vrstvami rastie smerom nadol v skupine.
• Teploty topenia a varu: Majú tendenciu rásť so zvyšujúcim sa protónovým číslom, čo súvisí so silnejšími medziatómovými silami a vyššou hmotnosťou atómov. Výnimkou je polónium.
• Alotropia: Schopnosť tvoriť rôzne štruktúrne modifikácie je výrazná najmä u kyslíka (O₂, O₃), síry (cyklo-S₈ v α a β forme, plastická S...) a selénu (červený, sivý, sklovitý).

Rovnako ako aj zmeny chemických vlastností:

• Elektronegativita: Výrazne klesá smerom nadol v skupine, pričom kyslík patrí k najviac elektronegatívnym prvkom vôbec.
• Kovový charakter: S rastúcim protónovým číslom prvky postupne strácajú nekovové vlastnosti a nadobúdajú kovový charakter.
  • Kyslík a síra sú typické nekovy.
  • Selén a telúr sa považujú za polokovy.
  • Polónium už vykazuje vlastnosti kovu, rovnako ako sa predpokladá u livermória.
• Oxidačné čísla: Najčastejšie sa vyskytuje -II, avšak síra, selén, telúr a polónium tvoria aj stabilné zlúčeniny s oxidačnými číslami +IV a +VI. Kyslík má výnimočne aj -I (peroxidy), -1/2 (hyperoxidy) alebo kladné ox. čísla (s F).
• Schopnosť reťazenia (katenácia): Je najvýraznejšia u síry (polysulfány, polysulfidy, polytiónany), v menšej miere u Se a Te.

Biologický význam a toxicita link

Niektoré chalkogény zohrávajú v živých organizmoch kľúčové úlohy:

• Kyslík: Nevyhnutný pre aeróbne dýchanie, tvorí súčasť biomolekúl. Zúčastňuje sa mnohých metabolických procesov. Telo využíva aj reaktívne formy kyslíka (napr. superoxid O₂⁻, peroxid vodíka H₂O₂) v imunitnej obrane, ale zároveň disponuje enzýmami (napr. superoxiddismutáza, kataláza) a antioxidantmi (napr. vitamín E, C) na ochranu pred ich poškodzujúcim účinkom. Ozón v stratosfére chráni pred UV žiarením.
• Síra: Je makroprvok prítomný v aminokyselinách (cysteín, metionín), bielkovinách (disulfidické mostíky), vitamínoch (B1, biotín) a koenzýme A. Podieľa sa na redoxnej rovnováhe a metabolizme. Elementárna síra sa používa v dermatológii (antifungálne, proti svrabu). Niektoré sírany (Na₂SO₄, MgSO₄) slúžia ako preháňadlá.
• Selén: Je stopový prvok, dôležitý pre funkciu enzýmov ako antioxidant (súčasť glutatión peroxidázy). Podieľa sa na metabolizme hormónov štítnej žľazy. Jeho nedostatok môže viesť k zdravotným problémom. Využíva sa aj v dermatológii (sulfid seleničitý proti lupinám).

Ostatné chalkogény (Te, Po, Lv) nemajú známy pozitívny biologický význam pre ľudí. Zlúčeniny telúru sú toxické (podobne ako zlúčeniny arzénu), polónium a livermórium sú navyše vysoko rádioaktívne. Chronická expozícia Se a Te môže viesť k zdravotným problémom a charakteristickému cesnakovému zápachu dychu.

Typy zlúčenín prvkov 16. skupiny link

Chalkogény tvoria široké spektrum anorganických zlúčenín, pričom typ a vlastnosti týchto zlúčenín sa výrazne menia v závislosti od konkrétneho chalkogénu a prvku, s ktorým sa zlučujú. Vďaka prechodu od nekovového charakteru kyslíka a síry k polokovovému selénu a telúru a kovovému polóniu, ako aj schopnosti síry, selénu a telúru mať okrem oxidačného čísla -II aj kladné oxidačné čísla (+IV, +VI), je chémia ich zlúčenín veľmi bohatá a rozmanitá.

Medzi najcharakteristickejšie typy anorganických zlúčenín, ktoré chalkogény tvoria, patria:

• Hydridy chalkogénov (Chalkogénovodíky)
• Oxidy
• Oxokyseliny chalkogénov
• Soli oxokyselín chalkogénov
• Chalkogenidy (Sulfidy, Selenidy, Teluridy, Polonidy)
• Zlúčeniny s halogénmi

Hydridy chalkogénov (Chalkogénovodíky) link

Všetky stabilné chalkogény tvoria binárne zlúčeniny s vodíkom so všeobecným vzorcom H₂E, kde E je kyslík, síra, selén alebo telúr (polónium tvorí nestabilný polonán H₂Po). Kým voda (H₂O) je kvapalina s unikátnymi vlastnosťami danými silnými vodíkovými väzbami, ostatné chalkogénovodíky (H₂S, H₂Se, H₂Te) sú za normálnych podmienok jedovaté plyny so silne nepríjemným zápachom. Ich stabilita klesá a kyslosť ich vodných roztokov (ako kyselín) rastie smerom od síry k telúru.

Oxidy link

Oxidy sú binárne zlúčeniny kyslíka s inými prvkami. Kyslík tvorí oxidy prakticky so všetkými ostatnými prvkami. Najvýznamnejším je voda (H₂O). Ostatné chalkogény (S, Se, Te, Po) tiež tvoria oxidy s kyslíkom, najčastejšie typu EO₂ (napr. SO₂, SeO₂, TeO₂) a EO₃ (napr. SO₃, SeO₃, TeO₃). Acidobázický charakter týchto oxidov sa mení v skupine – oxidy síry sú kyslé, SeO₂ je kyslý, TeO₂ je amfotérny, čo odráža rastúci kovový charakter.

Oxokyseliny chalkogénov link

Chalkogény v kladných oxidačných stavoch (+IV, +VI) tvoria kyslíkaté kyseliny. Najvýznamnejšie sú oxokyseliny síry (napr. kyselina siričitá H₂SO₃, kyselina sírová H₂SO₄, kyselina tiosírová H₂S₂O₃, kyselina disírová H₂S₂O₇), selénu (kyselina seleničitá H₂SeO₃, kyselina selénová H₂SeO₄) a telúru (kyselina teluričitá H₂TeO₃, kyselina telúrová H₆TeO₆). Sila kyselín a ich oxidačné/redukčné vlastnosti sa v skupine menia.

Soli oxokyselín chalkogénov link

Soli oxokyselín chalkogénov sú často stabilnejšie ako samotné kyseliny a mnohé z nich majú praktické využitie. Medzi najvýznamnejšie patria sírany (SO₄²⁻), siričitany (SO₃²⁻), tiosírany (S₂O₃²⁻), selénany (SeO₄²⁻), seleničitany (SeO₃²⁻) a telúrany. Využívajú sa v stavebníctve (sadrovec CaSO₄·2H₂O), poľnohospodárstve (hnojivá), medicíne (BaSO₄, MgSO₄), analytickej chémii (Na₂S₂O₃) a priemysle.

Chalkogenidy link

Chalkogenidy (sulfidy, selenidy, teluridy, polonidy) sú binárne zlúčeniny chalkogénov (okrem kyslíka) s menej elektronegatívnymi prvkami, najmä kovmi, kde má chalkogén oxidačné číslo -II. Mnohé sulfidy, selenidy a teluridy kovov sú dôležitými rudami (napr. PbS, ZnS, FeS₂). Ich rozpustnosť vo vode a kyselinách je veľmi rôznorodá, čo sa využíva v analytickej chémii na delenie katiónov zrážaním pomocou H₂S. Síra tvorí aj polysulfidy (obsahujúce anióny S²⁻).

Príklad zrážania:

\( \ce{Cd^2+(aq) + H2S(g) -> CdS(s) v + 2H+(aq)} \)

Zlúčeniny s halogénmi link

Chalkogény tvoria rôznorodé zlúčeniny s halogénmi, v ktorých má chalkogén kladné oxidačné čísla (napr. +II, +IV, +VI). Príkladmi sú S₂Cl₂, SCl₂, SF₄, SF₆, SeF₆, TeF₆. Mnohé sú reaktívne a hydrolyzujú vodou. Výnimkou je mimoriadne inertný fluorid sírový (SF₆) s oktaédrickou štruktúrou, ktorý sa používa ako dielektrický plyn.