8.11.1: Propiedades generales y reacciones

La familia del oxígeno, también llamada calcógenos, consta de los elementos que se encuentran en el Grupo 16 de la tabla periódica y se considera entre los elementos principales del grupo. Consiste en los elementos oxígeno, azufre, selenio, teluro y polonio. Estos se pueden encontrar en la naturaleza tanto en estados libres como combinados. Los elementos del grupo 16 están íntimamente relacionados con la vida. Necesitamos oxígeno todo el tiempo a lo largo de nuestra vida. ¿Sabías que el azufre es también uno de los elementos esenciales de la vida? Es responsable de algunas de las estructuras proteicas en todos los organismos vivos. Muchas industrias utilizan azufre, pero la emisión de compuestos de azufre a menudo se ve más como un problema que el fenómeno natural. Las propiedades metálicas aumentan a medida que aumenta el número atómico. El elemento polonio no tiene isótopos estables, y el isótopo con número de masa 209 tiene la semivida más larga de 103 años.

Propiedades y Tendencias Periódicas

Las propiedades del oxígeno son muy diferentes de otros elementos del grupo, pero todos tienen 2 elecciones en el orbital exterior s, y 4 electrones en los orbitales p, generalmente escritos como s ² p ⁴

Las configuraciones de electrones para cada elemento se dan a continuación:

• Oxígeno: 1s ² 2s ² 2p ⁴
• Azufre: 1s ² 2s ² p ⁶ 3s ² p ⁴
• Selenio: 1s ² 2s ² p ⁶ 3s ² p ⁶ d ¹⁰ 4s ² p ⁴
• Telurio: 1s ² 2s ² p ⁶ 3s ² p ⁶ d ¹⁰ 4s ² p ⁶ d ¹⁰ 5s ² p ⁴
• Polonio: 1s ² 2s ² p ⁶ 3s ² p ⁶ d ¹⁰ 4s ² p ⁶ d ¹⁰ f ¹⁴ 5s ² p ⁶ d ¹⁰ 6s ² p ⁴

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Polonium

El polonio se puede escribir como [Xe] 6s ² 4f ¹⁴ 5d ¹⁰ 6p ⁴

Las tendencias de sus propiedades en este grupo son interesantes. Conocer la tendencia nos permite predecir sus reacciones con otros elementos. La mayoría de las tendencias son ciertas para todos los grupos de elementos, y las tendencias grupales se deben principalmente al tamaño de los átomos y al número de electrones por átomo. A continuación se describen las tendencias:

1. Las propiedades metálicas aumentan en el orden oxígeno, azufre, selenio, telurio o polonio. El polonio es esencialmente un metal. Fue descubierto por M. Curie, quien le dio el nombre de su país natal Polonia.
2. La electronegatividad, la energía de ionización (o potencial de ionización IP) y la afinidad electrónica disminuyen para el grupo a medida que aumenta el peso atómico.
3. Los radios atómicos y el punto de fusión aumentan.
4. El oxígeno difiere del azufre en sus propiedades químicas debido a su pequeño tamaño. Las diferencias entre\(\ce{O}\) y\(\ce{S}\) son más que las diferencias entre otros miembros.

El carácter metálico aumenta en el grupo, con el teluro clasificado como metaloide y el polonio como metal. El punto de fusión, el punto de ebullición, la densidad, el radio atómico y el radio iónico aumentan en el grupo. La energía de ionización disminuye en el grupo. El estado de oxidación más común es -2; sin embargo, el azufre también puede existir en un estado +4 y +6, y los estados de oxidación +2, +4 y +6 son posibles para Se, Te y Po.

Tabla\(\PageIndex{1}\): Seleccionar propiedades de los elementos del Grupo 16

	Oxígeno	Azufre	Selenio	Telurio	Polonio
Pt hirviendo (°C)	-182.962	444.674	685	989.9	962
Energía de ionización (kJ/mol)	1314	1000	941	869	812
Radio iónico (pm)	140	184	198	221

Oxígeno

El oxígeno es un gas a temperatura ambiente y 1 atm, y es incoloro, inodoro e insípido. Es el elemento más abundante por masa tanto en la corteza terrestre como en el cuerpo humano. Es segundo después del nitrógeno como el elemento más abundante en la atmósfera. Hay muchos usos comerciales para el gas oxígeno, que normalmente se obtiene a través de destilación fraccionada. Se utiliza en la fabricación de hierro, acero y otros productos químicos. También se utiliza en el tratamiento de aguas, como oxidante en combustible para cohetes, para fines medicinales, y en la refinación de petróleo.

El oxígeno tiene dos alótropos, O ₂ y O ₃. En general, O ₂ (o dioxígeno) es la forma a la que se hace referencia cuando se habla de la forma elemental o molecular porque es la forma más común del elemento. El enlace O ₂ es muy fuerte, y el oxígeno también puede formar enlaces fuertes con otros elementos. Sin embargo, los compuestos que contienen oxígeno se consideran más estables termodinámicamente que O ₂.

Este último alótropo, el ozono, es un gas venenoso de color azul pálido con un fuerte olor. Es un muy buen agente oxidante, más fuerte que el dioxígeno, y puede ser utilizado como sustituto del cloro en la purificación del agua potable sin darle un sabor extraño al agua. Sin embargo, por su naturaleza inestable desaparece y deja el agua desprotegida de las bacterias. El ozono a altitudes muy altas en la atmósfera es responsable de proteger la superficie de la Tierra de la radiación ultravioleta; sin embargo, a altitudes más bajas se convierte en un componente importante del smog.

Los estados de oxidación primaria del oxígeno son -2, -1, 0 y -1/2 (en O ₂ ^-), pero -2 es el más común. Por lo general, los compuestos con oxígeno en este estado de oxidación se denominan óxidos. Cuando el oxígeno reacciona con los metales, forma óxidos que son en su mayoría de naturaleza iónica. Estos pueden disolverse en agua y reaccionar para formar hidróxidos; por lo tanto, se les llama anhídrido básico u óxidos básicos. Los óxidos no metálicos, que forman enlaces covalentes, son moléculas simples con bajos puntos de fusión y ebullición.

Los compuestos con oxígeno en un estado de oxidación de -1 se denominan peróxidos. Ejemplos de este tipo de compuesto incluyen\(Na_2O_2\) y\(BaO_2\). Cuando el oxígeno tiene un estado de oxidación de -1/2, como en\(O_2^-\), el compuesto se llama superóxido.

El oxígeno rara vez es el átomo central en una estructura y nunca puede unirse con más de 4 elementos debido a su pequeño tamaño y su incapacidad para crear una capa de valencia expandida. El oxígeno reacciona con el hidrógeno para formar agua, que está ampliamente unida a hidrógeno, tiene un gran momento dipolar y se considera un solvente universal.

Existe una amplia variedad de compuestos que contienen oxígeno, tanto orgánicos como inorgánicos: óxidos, peróxidos y superóxidos, alcoholes, fenoles, éteres y compuestos que contienen carbonilo como aldehídos, cetonas, ésteres, amidas, carbonatos, carbamatos, ácidos carboxílicos y anhidridos.

Azufre

El azufre es un sólido a temperatura ambiente y 1 atm de presión. Por lo general, es amarillo, insípido y casi inodoro. Es el decimosexto elemento más abundante en la corteza terrestre. Existe naturalmente en una variedad de formas, incluyendo azufre elemental, sulfuros, sulfatos y compuestos organosulfurados. Desde la década de 1890, el azufre se ha extraído utilizando el proceso Frasch, el cual es útil para recuperar azufre de depósitos que se encuentran bajo el agua o arenas movedizas. El azufre producido a partir de este proceso se utiliza de diversas maneras, incluyendo en vulcanización de caucho y como fungicida para proteger uvas y fresas.

El azufre es único en su capacidad para formar una amplia gama de alótropos, más que cualquier otro elemento en la tabla periódica. El estado más común es el anillo sólido S ₈, ya que esta es la forma termodinámicamente más estable a temperatura ambiente. El azufre existe en forma gaseosa en cinco formas diferentes (S, _S2, S ₄, S ₆ y S ₈). Para que el azufre se convierta entre estos compuestos, se debe suministrar suficiente calor.

Dos óxidos comunes de azufre son el dióxido de azufre (SO ₂) y el trióxido de azufre (SO ₃). El dióxido de azufre se forma cuando el azufre se quema en el aire, produciendo un gas tóxico con un fuerte olor. Estos dos compuestos se utilizan en la producción de ácido sulfúrico, el cual se utiliza en una variedad de reacciones. El ácido sulfúrico es uno de los principales productos químicos fabricados en los Estados Unidos, y se utiliza principalmente en la fabricación de fertilizantes.

El azufre también exhibe una amplia gama de estados de oxidación, con valores que van de -2 a +6. A menudo es el ion central en un compuesto y puede enlazarse fácilmente con hasta 6 átomos. En presencia de hidrógeno forma el compuesto sulfuro de hidrógeno, H ₂ S, un gas venenoso incapaz de formar enlaces de hidrógeno y con un momento dipolar muy pequeño. El sulfuro de hidrógeno puede reconocerse fácilmente por su fuerte olor que es similar al de los huevos podridos, pero este olor solo se puede detectar a bajas concentraciones no tóxicas. Esta reacción con hidrógeno personifica cuán diferente actúan el oxígeno y el azufre a pesar de su configuración electrónica de valencia común y sus propiedades no metálicas comunes.

Existe una variedad de compuestos que contienen azufre, muchos de ellos orgánicos. El prefijo thio- in del nombre de un compuesto que contiene oxígeno significa que el átomo de oxígeno ha sido sustituido con un átomo de azufre. Las categorías generales de compuestos que contienen azufre incluyen tioles (mercaptanos), tiofenoles, sulfuros orgánicos (tioéteres), disulfuros, tiocarbonilos, tioésteres, sulfóxidos, sulfonilos, sulfamidas, ácidos sulfónicos, sulfonatos y sulfatos.

Selenio

El selenio aparece como un sólido amorfo rojo o negro, o una estructura cristalina roja o gris; esta última es la más estable. El selenio tiene propiedades muy similares a las del azufre; sin embargo, es más metálico aunque todavía se clasifica como no metálico. Actúa como semiconductor y por lo tanto es de uso frecuente en la fabricación de rectificadores, que son dispositivos que convierten las corrientes alternas en corrientes directas. El selenio también es fotoconductor, lo que significa que en presencia de luz aumenta la conductividad eléctrica del selenio. También se utiliza en los tambores de impresoras láser y copiadoras. Además, se ha encontrado un mayor uso ahora que se ha eliminado el plomo de los latones de plomería.

Es raro encontrar selenio en su forma elemental en la naturaleza; normalmente debe eliminarse a través de un proceso de refinación, generalmente involucrando cobre. A menudo se encuentra en suelos y en tejidos vegetales que han bioacumulado el elemento. En grandes dosis, el elemento es tóxico; sin embargo, muchos animales lo requieren como micronutriente esencial. Los átomos de selenio se encuentran en la enzima glutatión peroxidasa, que destruye los peróxidos que dañan los lípidos. En el cuerpo humano es un cofactor esencial en el mantenimiento de la función de la glándula tiroides. Además, algunas investigaciones han mostrado una correlación entre suelos deficientes en selenio y un mayor riesgo de contraer el virus VIH/SIDA.

Telurio

El telurio es el metaloide de la familia del oxígeno, con un color blanco plateado y un brillo metálico similar al del estaño a temperatura ambiente. Al igual que el selenio, también se muestra fotoconductividad. El telurio es un elemento extremadamente raro, y se encuentra más comúnmente como telururo de oro. A menudo se usa en metalurgia en combinación con cobre, plomo y hierro. Además, se utiliza en paneles solares y chips de memoria para computadoras. No es tóxico ni cancerígeno; sin embargo, cuando los humanos están expuestos a demasiado de ella desarrollan un olor a ajo en sus respiraciones.

Polonio

El polonio es un metal radiactivo muy raro. Hay 33 isótopos diferentes del elemento y todos los isótopos son radiactivos. Existe en una variedad de estados, y tiene dos alótropos metálicos. Se disuelve fácilmente en ácidos diluidos. El polonio no existe en la naturaleza en los compuestos, pero puede formar compuestos sintéticos en el laboratorio. Se utiliza como aleación con berilio para actuar como fuente de neutrones para armas nucleares.

El polonio es un elemento altamente tóxico. La radiación que emite la hace muy peligrosa de manejar. Puede ser inmediatamente letal cuando se aplica a la dosis correcta, o causar cáncer si se produce una exposición crónica a la radiación. Todavía se están investigando métodos para tratar a humanos que han sido contaminados con polonio, y se ha demostrado que los agentes quelantes podrían ser utilizados para descontaminar a los humanos.

Referencias

1. Patrick L (1999). “Nutrientes y VIH: primera parte — beta caroteno y selenio”. Revisión de Medicina Alternativa 4 (6): 403—13. PMID 10608913
2. Emsley, John (2003). “Telurio”. Los bloques de construcción de la naturaleza: una guía A-Z de los elementos. Oxford University Press. pp. 426—429.
3. ^ “Orientación para la industria. Contaminación Radioactiva Interna — Desarrollo de Agentes de Descorporación” (PDF). http://www.fda.gov/downloads/Drugs/GuidanceComplianceRegulatoryInformation/Guidances/ucm071944.pdf. Recuperado 2010-05-23.
4. Petrucci, Ralph H. Química General. 9ª ed. Río Upper Saddle: Prentice Hall, 2007.

Problemas

1. ¿Qué propiedades aumentan en la familia del oxígeno?
2. ¿Qué elemento puede formar la mayor cantidad de alótropos en la tabla periódica?
3. ¿Qué es la fotoconductividad y qué elementos muestran esta propiedad?
4. El ozono (\(O_3\)) es un contribuyente al smog: Verdadero o Falso
5. ¿Cuántos electrones tienen elementos de la familia Oxygen en su caparazón más exterior? 6. ¿A qué se refiere el término “peróxido”?
6. ¿Cuántos elementos de la Familia del Oxígeno son los metales y cuál (es)?
7. ¿Cuál es el estado de oxidación más común para los elementos de la Familia del Oxígeno?
8. ¿Cuál es el elemento más abundante por masa en la corteza terrestre y en el cuerpo humano?

Soluciones

1. Punto de fusión, punto de ebullición, densidad, radio atómico y radio iónico
2. Azufre
3. La fotoconductividad es cuando la conductividad eléctrica de un elemento aumenta en presencia de luz. Tanto el selenio como el teluro muestran esta propiedad.
4. Cierto.
5. 6.
6. Un compuesto que contiene oxígeno en estado de oxidación de -1.
7. 1; Polonio.
8. -2.
9. Oxígeno.