普通化學/各種元素化學/16族

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單元: 物質 · 原子結構 · 鍵合 · 反應 · 溶液 · 物質的相 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 方程 · 還原電位 · 元素及其性質

氧族

16族 (VIA) 由氧氣、硫、硒、碲和釙組成。它們通常被稱為硫族元素，它們的化合物被稱為硫族元素化物，儘管這些名稱很少應用於氧氣及其許多化合物。氧氣、硫和硒是非金屬。碲是類金屬，釙是金屬。

16族元素有 6 個價電子，這意味著它們需要再獲得兩個電子才能完成穩定的電子八隅體。它們仍然具有相對較大的電子親合能，並且相當活潑，形成帶 -2 電荷的離子。所有這些元素都與氫形成揮發性化合物：水 H₂O、硫化氫 H₂S、硒化氫 H₂Se、碲化氫 H₂Te 和釙化氫 PoH₂。

電負性隨著原子質量的增加而降低，氧氣比除氟以外的所有元素都更具電負性；它在很大程度上類似於鹵素，除了它的 -2 氧化態。氟和氧氣將這些元素（除了氧氣）氧化到 +6 氧化態，產生諸如六氟化硫 SF₆ 和三氧化硫 SO₃ 以及其衍生物硫酸 H₂SO₄ 等物質（對於硫而言），硫酸是使用最廣泛的工業化學品之一。（請注意，使用硫酸需要格外小心，因為它會導致皮膚、布料和紙張發生化學灼傷）。通常，這些元素將獲得 -2 的氧化態。

硫、硒和碲的氧化物是酸性的。強放射性在很大程度上掩蓋了釙的化學性質。

氧

氧氣是一種雙原子氣體，約佔我們呼吸的空氣的 20%。它對動物的生命至關重要，植物會釋放氧氣。植物吸收陽光併產生葡萄糖（糖）和氧氣。植物和動物細胞都用氧氣“燃燒”葡萄糖以獲得能量。

$6{\hbox{CO}}_{2}+6{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+sunlight\to {\hbox{C}}_{6}{\hbox{H}}_{12}{\hbox{O}}_{6}+6{\hbox{O}}_{2}$	光合作用實際上是一系列複雜的化學反應，涉及葉綠體中發現的幾種物質。這是總反應。
${\hbox{C}}_{6}{\hbox{H}}_{12}{\hbox{O}}_{6}+6{\hbox{O}}_{2}\to 6{\hbox{CO}}_{2}+6{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}+2880~kJ/mol$	細胞呼吸作用是相反的過程：將葡萄糖轉化為能量。

氧氣有幾種同素異形體，但只有兩種是常見的：雙氧和臭氧。雙氧是氧氣的普通形式，O₂，透過雙共價鍵結合在一起。臭氧，O₃，自然存在於高層大氣中，當普通氧氣暴露於高壓電時會形成。

液氧

如果將氧氣冷卻到約 -183 攝氏度（約 -297 華氏度），氧氣就會凝結成藍色液體，它會強烈濃縮氧氣作為氧化劑，使燃料能夠燃燒。液氧用於火箭，用於太空飛行，使火箭能夠進入幾乎沒有氧氣的太空。

臭氧

臭氧很不穩定。它會分解：2 O₃ → 3 O₂。臭氧是一種非常強大的氧化劑。金屬和非金屬在接觸臭氧時都會被氧化。

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

雖然在地表被認為是一種汙染物（有毒），臭氧是高層大氣中非常重要的化學物質。太陽會發出危險的紫外線，會損傷活細胞，但臭氧會吸收光能並將其安全地轉化為熱能。

${\hbox{O}}_{3}+radiation\to {\hbox{O}}_{2}+{\hbox{O}}$	來自太陽的高能輻射會分裂臭氧分子。
${\hbox{O}}_{2}+{\hbox{O}}\to {\hbox{O}}_{3}+energy$	原子氧可以重新附著到雙氧上，重新生成臭氧。

你可以看到，上述反應的淨結果是一個臭氧系統，它將危險輻射轉化為熱能。

原子氧極不穩定，會立即附著形成 O₂ 或 O₃。

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

大氣中的臭氧含量很少，但太陽輻射會將 O₂ 分裂成兩個 O 原子，因此臭氧供應量雖小但穩定。不幸的是，多年來，許多被稱為氯氟烴（CFCs）的人造產品進入高層大氣。這些化學物質會釋放氯自由基，氯自由基充當破壞臭氧反應的催化劑。結果，大氣中的臭氧量減少，這可能導致危險的太陽輻射增加。

${\hbox{CFCl}}_{3}+radiation\to {\hbox{CFCl}}_{2}+{\hbox{Cl}}\cdot$	氯自由基從 CFC 中形成。自由基有一個非鍵合電子（而不是通常的電子對），因此它們非常活潑。氯自由基只是一個氯原子（有七個電子）。
${\hbox{Cl}}\cdot +{\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{ClO}}+{\hbox{O}}_{2}$	氯自由基會透過從臭氧中“偷取”一個氧原子而變得穩定。
${\hbox{ClO}}+{\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{Cl}}\cdot +2{\hbox{O}}_{2}$	氯氧化物反應消除另一個臭氧分子。最初的自由基現在可以重複整個過程。

如你所見，氯自由基將臭氧轉化為普通氧，而不會被消耗掉。多年來，人們創造了替代 CFCs 的產品，這些產品對環境造成的損害較小。

氧化物

任何由氧氣和其他元素透過共價鍵結合而成的化合物被稱為氧化物。除金、鉑和汞等少數金屬外，大多數金屬都易於形成氧化物。除了被稱為氧化外，這個過程也被稱為鏽蝕或生鏽。換句話說，生鏽的鐵釘就是形成了氧化鐵。覆蓋在原本光亮銅表面上的暗淡、髒汙的薄膜就是氧化銅。氧化物之所以形成是因為氧氣的電負性很高。當物質燃燒（包括碳氫化合物和金屬）時，它們會氧化並迅速釋放大量熱量。

氧化離子是O^2-。還有過氧化物O₂^2- 和超氧化物O₂^-。

硫

硫的行為類似於氧氣，但它有超過30種同素異形體。最常見的是S₈。硫在常溫常壓下是黃色固體。硫是許多有機和無機化合物的一部分。硫是維持生命所需的某些蛋白質的一部分。

在-2氧化態的硫與許多金屬形成稱為硫化物的化合物，例如K₂S CaS，FeS，PtS₂。其中一些（特別是鹼金屬的硫化物）可溶於水，而另一些（如CuS）則極難溶於水。其他氧化態也是可能的，例如在黃鐵礦FeS₂中，氧化態為-1，硫以二硫化物陰離子S₂^2- 的形式存在，具有與過氧化物中O-O鍵相當的共價S-S鍵。

一些具有較高氧化態的化合物是眾所周知的，例如氧化物及其相應的含氧酸和陰離子

氧化數	氧化物	名稱	酸	名稱	陰離子	名稱
+6	SO₃	三氧化硫	H₂SO₄	硫酸	SO₄^2-	硫酸根
+4	SO₂	二氧化硫	H₂SO₃	亞硫酸	SO₃^2-	亞硫酸根
-2	-	-	H₂S	氫硫酸	S^2-	硫化物

其他中間氧化態也存在，但不太常見。

以"硫代-"開頭的化學名稱表示一個氧原子被一個硫原子取代了。例如，氰酸根是OCN^-，而硫氰酸根是SCN^-。類似地，PS₄^3- 是硫代磷酸根離子。

較重的氧族元素

硒在光照下比在黑暗中導電性更好，因此它被用於光電元件中，光電元件是一種檢測光的電子元件。

硒的化學性質與硫非常相似。它甚至形成類似於含硫氨基酸（如半胱氨酸）的氨基酸。它更常見的氧化態導致一個與上面硫的表格非常相似的表格

氧化數	氧化物	名稱	酸	名稱	陰離子	名稱
+6	SeO₃	三氧化硒	H₂SeO₄	硒酸	SeO₄^2-	硒酸根
+4	SeO₂	二氧化硒	H₂SeO₃	亞硒酸	SeO₃^2-	亞硒酸根
-2	-	-	H₂Se	氫硒酸	S^2-	硒化物

碲的化學性質與硫的差異更大。H₂Se 和 H₂Te 等化合物是極難聞的氣體，而且有劇毒。這兩種元素都用於半導體的製造。一些硒化物和碲化物以礦物的形式存在。碲化物這個名字最廣為人知的是科羅拉多州山區的一個滑雪勝地，但它得名於一種黑色的碲化物礦物，這種礦物最初甚至沒有被認定為是貴重的金礦石。有趣的是，金在與該族元素反應時的穩定性表現出反常：碲化物是最穩定的，金硒化物確實存在，但硫化物和氧化物是不穩定的。

釙具有危險的放射性，而且非常稀有。它通常與鈾礦石有關，是鈾放射性衰變的產物。它因被用作毒藥，用來毒害一名俄羅斯間諜而聲名狼藉。