Los calcógenos (formadores de minerales) ( / ˈ k æ l k ə dʒ ə n z / KAL -kə -jənz ) son los elementos químicos del grupo 16 de la tabla periódica . [1] Este grupo también se conoce como familia del oxígeno . El grupo 16 está formado por los elementos oxígeno (O), azufre (S), selenio (Se), teluro (Te) y los elementos radiactivos polonio (Po) ylivermorio (Lv). [2] A menudo, el oxígeno se trata por separado de los otros calcógenos, a veces incluso se excluye por completo del alcance del término "calcógeno", debido a su comportamiento químico muy diferente al del azufre, el selenio, el telurio y el polonio. La palabra "calcógeno" se deriva de una combinación de la palabra griega khalkόs ( χαλκός ), que significa principalmente cobre (el término también se usó para bronce , latón , cualquier metal en el sentido poético, mineral y moneda ), [3] y el latinizado. Palabra griega genēs , que significa nacido o producido . [4] [5]
El azufre se conoce desde la antigüedad y el oxígeno fue reconocido como elemento en el siglo XVIII. El selenio, el telurio y el polonio se descubrieron en el siglo XIX, y ellivermorium en 2000. Todos los calcógenos tienen seis electrones de valencia , lo que los deja a dos electrones menos que una capa exterior completa. Sus estados de oxidación más comunes son −2, +2, +4 y +6. Tienen radios atómicos relativamente bajos , especialmente los más ligeros. [6]
Todos los calcógenos naturales tienen algún papel en las funciones biológicas, ya sea como nutriente o como toxina. El selenio es un nutriente importante (entre otros, como componente básico de la selenocisteína ), pero también suele ser tóxico. [7] El telurio a menudo tiene efectos desagradables (aunque algunos organismos pueden usarlo ), y el polonio (especialmente el isótopo polonio-210 ) siempre es dañino como resultado de su radiactividad.
El azufre tiene más de 20 alótropos , el oxígeno tiene nueve, el selenio tiene al menos ocho, el polonio tiene dos y hasta ahora sólo se ha descubierto una estructura cristalina del telurio. Existen numerosos compuestos calcógenos orgánicos. Sin contar el oxígeno, los compuestos orgánicos de azufre son generalmente los más comunes, seguidos de los compuestos orgánicos de selenio y los compuestos orgánicos de telurio. Esta tendencia también ocurre con pnictidas de calcógeno y compuestos que contienen calcógenos y elementos del grupo carbono .
El oxígeno se obtiene generalmente mediante la separación del aire en nitrógeno y oxígeno. [8] El azufre se extrae del petróleo y del gas natural. El selenio y el telurio se producen como subproductos del refinado del cobre. El polonio está más disponible en materiales que contienen actínidos de origen natural. Livermorium se ha sintetizado en aceleradores de partículas. El uso principal del oxígeno elemental es en la fabricación de acero . [ cita necesaria ] El azufre se convierte principalmente en ácido sulfúrico , que se utiliza mucho en la industria química. [7] La aplicación más común del selenio es la fabricación de vidrio. Los compuestos de telurio se utilizan principalmente en discos ópticos, dispositivos electrónicos y células solares. Algunas de las aplicaciones del polonio se deben a su radiactividad. [2]
Los calcógenos muestran patrones similares en la configuración electrónica , especialmente en las capas más externas , donde todos tienen el mismo número de electrones de valencia , lo que resulta en tendencias similares en el comportamiento químico:
Todos los calcógenos tienen seis electrones de valencia . Todos los calcógenos sólidos y estables son blandos [10] y no conducen bien el calor. [6] La electronegatividad disminuye hacia los calcógenos con números atómicos más altos. La densidad, los puntos de fusión y ebullición y los radios atómicos e iónicos [11] tienden a aumentar hacia los calcógenos con números atómicos más altos. [6]
De los seis calcógenos conocidos, uno (el oxígeno) tiene un número atómico igual a un número mágico nuclear , lo que significa que sus núcleos atómicos tienden a tener una mayor estabilidad hacia la desintegración radiactiva. [12] El oxígeno tiene tres isótopos estables y 14 inestables. El azufre tiene cuatro isótopos estables, 20 radiactivos y un isómero . El selenio tiene seis isótopos observacionalmente estables o casi estables, 26 isótopos radiactivos y 9 isómeros. El telurio tiene ocho isótopos estables o casi estables, 31 inestables y 17 isómeros. El polonio tiene 42 isótopos, ninguno de los cuales es estable. [13] Tiene 28 isómeros adicionales. [2] Además de los isótopos estables, algunos isótopos radiactivos de calcógeno se encuentran en la naturaleza, ya sea porque son productos de desintegración, como el 210 Po , porque son primordiales , como el 82 Se, debido a la espalación de los rayos cósmicos , o mediante fisión nuclear. de uranio. Se han descubierto isótopos de Livermorium 290 Lv a 293 Lv; El isótopo de hígado más estable es el 293 Lv, que tiene una vida media de 0,061 segundos. [2] [14]
Con la excepción del oxígeno y el hígado, todos los calcógenos tienen al menos un radioisótopo natural , el azufre tiene trazas de 35 S, el selenio tiene 82 Se, el telurio tiene 128 Te y 130 Te, y el polonio tiene 210 Po.
Entre los calcógenos más ligeros (oxígeno y azufre), los isótopos más pobres en neutrones experimentan emisión de protones , los isótopos moderadamente pobres en neutrones experimentan captura de electrones o desintegración β + , los isótopos moderadamente ricos en neutrones experimentan desintegración β- , y los más ricos en neutrones los isótopos sufren emisión de neutrones . Los calcógenos medios (selenio y telurio) tienen tendencias de desintegración similares a las de los calcógenos más ligeros, pero no se han observado isótopos emisores de protones, y algunos de los isótopos de telurio con mayor deficiencia de neutrones sufren desintegración alfa . Los isótopos de polonio tienden a desintegrarse mediante desintegración alfa o beta. [15] Los isótopos con espines nucleares distintos de cero son más abundantes en la naturaleza entre los calcógenos selenio y telurio que con el azufre. [dieciséis]
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El alótropo más común del oxígeno es el oxígeno diatómico u O 2 , una molécula paramagnética reactiva que es omnipresente en los organismos aeróbicos y tiene un color azul en su estado líquido . Otro alótropo es el O 3 u ozono , que son tres átomos de oxígeno unidos en una formación curvada. También hay un alótropo llamado tetraoxígeno u O 4 , [18] y seis alótropos de oxígeno sólido , incluido el "oxígeno rojo", que tiene la fórmula O 8 . [19]
El azufre tiene más de 20 alótropos conocidos, más que cualquier otro elemento excepto el carbono . [20] Los alótropos más comunes tienen la forma de anillos de ocho átomos, pero se conocen otros alótropos moleculares que contienen tan solo dos átomos o hasta 20. Otros alótropos de azufre notables incluyen el azufre rómbico y el azufre monoclínico . El azufre rómbico es el más estable de los dos alótropos. El azufre monoclínico toma la forma de largas agujas y se forma cuando el azufre líquido se enfría ligeramente por debajo de su punto de fusión. Los átomos del azufre líquido suelen tener forma de cadenas largas, pero por encima de los 190 °C las cadenas comienzan a romperse. Si el azufre líquido por encima de 190 °C se congela muy rápidamente, el azufre resultante es azufre amorfo o "plástico". El azufre gaseoso es una mezcla de azufre diatómico (S 2 ) y anillos de 8 átomos. [21]
El selenio tiene al menos ocho alótropos distintos. [22] El alótropo gris, comúnmente conocido como alótropo "metálico", a pesar de no ser un metal, es estable y tiene una estructura cristalina hexagonal . El alótropo gris del selenio es blando, con una dureza de Mohs de 2 y quebradizo. Otros cuatro alótropos del selenio son metaestables . Estos incluyen dos alótropos rojos monoclínicos y dos alótropos amorfos , uno de los cuales es rojo y el otro es negro. [23] El alótropo rojo se convierte en alótropo negro en presencia de calor. El alótropo gris del selenio está formado por espirales de átomos de selenio, mientras que uno de los alótropos rojos está formado por pilas de anillos de selenio (Se 8 ). [2] [ dudoso ]
No se sabe que el telurio tenga alótropos, [24] aunque su forma típica es hexagonal. El polonio tiene dos alótropos, que se conocen como α-polonio y β-polonio. [25] El α-polonio tiene una estructura cristalina cúbica y se convierte en β-polonio romboédrico a 36 °C. [2]
Los calcógenos tienen diferentes estructuras cristalinas. La estructura cristalina del oxígeno es monoclínica , la del azufre es ortorrómbica , el selenio y el telurio tienen una estructura cristalina hexagonal , mientras que el polonio tiene una estructura cristalina cúbica . [6] [7]
El oxígeno, el azufre y el selenio son no metales , y el telurio es un metaloide , lo que significa que sus propiedades químicas se encuentran entre las de un metal y las de un no metal. [7] No es seguro si el polonio es un metal o un metaloide. Algunas fuentes se refieren al polonio como un metaloide, [2] [26] aunque tiene algunas propiedades metálicas. Además, algunos alótropos del selenio muestran características de un metaloide, [27] aunque el selenio generalmente se considera un no metal. Aunque el oxígeno es un calcógeno, sus propiedades químicas son diferentes a las de otros calcógenos. Una razón de esto es que los calcógenos más pesados tienen orbitales d vacíos . La electronegatividad del oxígeno también es mucho mayor que la de los otros calcógenos. Esto hace que la polarización eléctrica del oxígeno sea varias veces menor que la de otros calcógenos. [dieciséis]
Para el enlace covalente, un calcógeno puede aceptar dos electrones según la regla del octeto , dejando dos pares libres . Cuando un átomo forma dos enlaces simples , forman un ángulo entre 90° y 120° . En cationes 1+ , como H 3 O + , un calcógeno forma tres orbitales moleculares dispuestos en forma piramidal trigonal y un par solitario. Los dobles enlaces también son comunes en los compuestos calcógenos, por ejemplo en los calcogenados (ver más abajo).
El número de oxidación de los compuestos calcógenos más comunes con metales positivos es −2. Sin embargo, la tendencia de los calcógenos a formar compuestos en el estado -2 disminuye hacia los calcógenos más pesados. [28] Se producen otros números de oxidación, como −1 en pirita y peróxido . El número de oxidación formal más alto es +6. [6] Este número de oxidación se encuentra en sulfatos , selenatos , teluratos , polonatos y sus correspondientes ácidos, como el ácido sulfúrico .
El oxígeno es el elemento más electronegativo a excepción del flúor , y forma compuestos con casi todos los elementos químicos, incluidos algunos de los gases nobles . Comúnmente se une a muchos metales y metaloides para formar óxidos , incluidos el óxido de hierro , el óxido de titanio y el óxido de silicio . El estado de oxidación más común del oxígeno es −2, y el estado de oxidación −1 también es relativamente común. [6] Con el hidrógeno forma agua y peróxido de hidrógeno . Los compuestos orgánicos de oxígeno son omnipresentes en la química orgánica .
Los estados de oxidación del azufre son −2, +2, +4 y +6. Los análogos de compuestos de oxígeno que contienen azufre a menudo tienen el prefijo tio- . La química del azufre es similar a la del oxígeno en muchos aspectos. Una diferencia es que los dobles enlaces azufre-azufre son mucho más débiles que los dobles enlaces oxígeno-oxígeno, pero los enlaces simples azufre-azufre son más fuertes que los enlaces simples oxígeno-oxígeno. [29] Los compuestos orgánicos de azufre, como los tioles , tienen un fuerte olor específico y algunos organismos utilizan algunos. [2]
Los estados de oxidación del selenio son −2, +4 y +6. El selenio, como la mayoría de los calcógenos, se une al oxígeno. [2] Existen algunos compuestos orgánicos de selenio , como las selenoproteínas . Los estados de oxidación del telurio son −2, +2, +4 y +6. [6] El telurio forma los óxidos monóxido de telurio , dióxido de telurio y trióxido de telurio . [2] Los estados de oxidación del polonio son +2 y +4. [6]
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Hay muchos ácidos que contienen calcógenos, entre ellos el ácido sulfúrico, el ácido sulfuroso , el ácido selénico y el ácido telúrico . Todos los calcogenuros de hidrógeno son tóxicos excepto el agua . [30] [31] Los iones de oxígeno a menudo vienen en forma de iones de óxido ( O 2− ), iones de peróxido ( O2-2) y iones hidróxido ( OH − ). Los iones de azufre generalmente vienen en forma de sulfuros ( S 2 − ), bisulfuros ( SH − ), sulfitos ( SO2-3), sulfatos ( SO2-4), y tiosulfatos ( S 2 O2-3). Los iones de selenio generalmente vienen en forma de seleniuros ( Se 2− ), selenitos ( SeO2-3) y selenatos ( SeO2-4). Los iones de telurio a menudo vienen en forma de teluratos ( TeO2-4). [6] Las moléculas que contienen metales unidos a calcógenos son comunes como minerales. Por ejemplo, la pirita (FeS 2 ) es un mineral de hierro y la calaverita, un mineral poco común , es el ditelururo ( Au , Ag )Te 2 .
Aunque todos los elementos del grupo 16 de la tabla periódica, incluido el oxígeno, pueden definirse como calcógenos, el oxígeno y los óxidos suelen distinguirse de los calcógenos y los calcogenuros . El término calcogenuro se reserva más comúnmente para sulfuros , seleniuros y telururos , en lugar de óxidos . [32] [33] [34]
A excepción del polonio, los calcógenos son todos bastante similares entre sí químicamente. Todos forman iones X 2− cuando reaccionan con metales electropositivos . [28]
Los minerales sulfurados y compuestos análogos producen gases al reaccionar con el oxígeno. [35]
Los calcógenos también forman compuestos con halógenos conocidos como calcohaluros o haluros de calcógeno . La mayoría de los haluros de calcógeno simples son bien conocidos y ampliamente utilizados como reactivos químicos . Sin embargo, los haluros de calcógeno más complicados, como los haluros de sulfenilo, sulfonilo y sulfurilo, son menos conocidos por la ciencia. De los compuestos compuestos puramente de calcógenos y halógenos, se conocen en total 13 fluoruros de calcógeno, nueve cloruros de calcógeno, ocho bromuros de calcógeno y seis yoduros de calcógeno. [ dudoso ] Los haluros de calcógeno más pesados a menudo tienen interacciones moleculares significativas. Los fluoruros de azufre con valencias bajas son bastante inestables y se sabe poco sobre sus propiedades. [ dudoso ] Sin embargo, los fluoruros de azufre con valencias altas, como el hexafluoruro de azufre , son estables y bien conocidos. El tetrafluoruro de azufre también es un fluoruro de azufre muy conocido. Ciertos fluoruros de selenio, como el difluoruro de selenio, se han producido en pequeñas cantidades. Se conocen las estructuras cristalinas tanto del tetrafluoruro de selenio como del tetrafluoruro de telurio . También se han explorado los cloruros y bromuros de calcógeno. En particular, el dicloruro de selenio y el dicloruro de azufre pueden reaccionar para formar compuestos orgánicos de selenio . También se sabe que existen dihaluros de dichalcógeno, tales como Se 2 Cl 2 . También existen compuestos mixtos de calcógeno-halógeno. Estos incluyen SeSX, siendo X cloro o bromo. [ dudoso ] Estos compuestos pueden formarse en mezclas de dicloruro de azufre y haluros de selenio. Estos compuestos se han caracterizado estructuralmente recientemente, a partir de 2008. En general, los cloruros y bromuros de diselenio y diazufre son reactivos químicos útiles. Los haluros de calcógeno con átomos metálicos unidos son solubles en soluciones orgánicas. [ dudoso ] Un ejemplo de tal compuesto es Mo S 2 Cl 3 . A diferencia de los cloruros y bromuros de selenio, los yoduros de selenio no se han aislado hasta 2008, aunque es probable que se encuentren en solución. El diyoduro de diselenio, sin embargo, se encuentra en equilibrio con los átomos de selenio y las moléculas de yodo. Algunos haluros de telurio con valencias bajas, como Te 2 Cl 2 y Te 2 Br 2, forman polímeros cuando están en estado sólido . Estos haluros de teluro se pueden sintetizar mediante la reducción de teluro puro con superhidruro y haciendo reaccionar el producto resultante con tetrahaluros de teluro. Los dihaluros de ditelurio tienden a volverse menos estables a medida que los haluros disminuyen en número atómico y masa atómica. El telurio también forma yoduros con incluso menos átomos de yodo que los diyoduros. Estos incluyen TeI y Te 2 I. Estos compuestos tienen estructuras extendidas en estado sólido. Los halógenos y calcógenos también pueden formar aniones halocalcogenato . [33]
Los alcoholes , fenoles y otros compuestos similares contienen oxígeno. Sin embargo, en tioles , selenoles y teluroles ; el azufre, el selenio y el telurio reemplazan al oxígeno. Los tioles son más conocidos que los selenoles o los teluroles. Aparte de los alcoholes, los tioles son los calcogenoles más estables y los teluroles son los menos estables, siendo inestables al calor o la luz. Otros compuestos calcógenos orgánicos incluyen tioéteres , selenoéteres y teluroéteres. Algunos de ellos, como el sulfuro de dimetilo , el sulfuro de dietilo y el sulfuro de dipropilo, están disponibles comercialmente. Los selenoéteres están en forma de R 2 Se o R SeR. Los teluroéteres, como el telururo de dimetilo , normalmente se preparan de la misma manera que los tioéteres y selenoéteres. Los compuestos orgánicos calcógenos, especialmente los compuestos orgánicos de azufre, tienden a oler desagradablemente. El dimetiltelururo también huele desagradable [36] y el selenofenol es conocido por su "hedor metafísico". [37] También hay tiocetonas , selencetonas y telurocetonas . De ellas, las tiocetonas son las mejor estudiadas y el 80% de los artículos sobre calcogenocetonas se refieren a ellas. Las selencetonas constituyen el 16% de estos papeles y las telurocetonas el 4%. Las tioketonas tienen propiedades eléctricas y fotofísicas no lineales bien estudiadas. Las selencetonas son menos estables que las tiocetonas y las telurocetonas son menos estables que las selencetonas. Las telurocetonas tienen el nivel más alto de polaridad de las calcogenocetonas. [33]
Existe una gran cantidad de calcogenuros metálicos. También existen compuestos ternarios que contienen metales alcalinos y metales de transición . Los calcogenuros metálicos altamente ricos en metales, como Lu 7 Te y Lu 8 Te, tienen dominios de la red cristalina del metal que contienen átomos de calcógeno. Si bien estos compuestos existen, hasta 2008 no se habían descubierto sustancias químicas análogas que contienen lantano , praseodimio , gadolinio , holmio , terbio o iterbio . Los metales del grupo del boro , aluminio, galio e indio , también forman enlaces con calcógenos. El ion Ti 3+ forma dímeros de calcogenuro como Ti Tl 5 Se 8 . Los dímeros de calcogenuro metálico también se encuentran como telururos inferiores, como Zr 5 Te 6 . [33]
Los calcógenos elementales reaccionan con ciertos compuestos de lantánidos para formar grupos de lantánidos ricos en calcógenos. [ dudoso ] También existen compuestos de calcogenol de uranio (IV). También existen calcogenoles de metales de transición que tienen potencial para servir como catalizadores y estabilizar nanopartículas . [33]
Los compuestos con enlaces calcógeno- fósforo se han explorado durante más de 200 años. Estos compuestos incluyen calcogenuros de fósforo simples, así como moléculas grandes con funciones biológicas y compuestos de fósforo-calcógeno con grupos metálicos. Estos compuestos tienen numerosas aplicaciones, incluidos insecticidas organofosforados, fósforos que se encienden en cualquier lugar y puntos cuánticos . Se han descubierto en total 130.000 compuestos con al menos un enlace fósforo-azufre, 6.000 compuestos con al menos un enlace fósforo-selenio y 350 compuestos con al menos un enlace fósforo-telurio. [ cita necesaria ] La disminución en la cantidad de compuestos de calcógeno-fósforo más abajo en la tabla periódica se debe a la disminución de la fuerza de los enlaces. Este tipo de compuestos suelen tener al menos un átomo de fósforo en el centro, rodeado por cuatro calcógenos y cadenas laterales . Sin embargo, algunos compuestos de fósforo-calcógeno también contienen hidrógeno (como los calcogenuros de fosfina secundarios ) o nitrógeno (como los dicalcogenoimidodifosfatos). Los seleniuros de fósforo suelen ser más difíciles de manejar que los sulfuros de fósforo y no se han descubierto compuestos en la forma P x Te y . Los calcógenos también se unen a otros pnictógenos , como el arsénico , el antimonio y el bismuto . Las pnictidas de calcógeno más pesadas tienden a formar polímeros en forma de cintas en lugar de moléculas individuales. Las fórmulas químicas de estos compuestos incluyen Bi 2 S 3 y Sb 2 Se 3 . También se conocen pnictidas calcógenas ternarias. Ejemplos de estos incluyen P 4 O 6 Se y P 3 SbS 3 . También existen sales que contienen calcógenos y pnictógenos. Casi todas las sales de pnictida de calcógeno suelen tener la forma de [Pn x E 4x ] 3− , donde Pn es un pnictógeno y E es un calcógeno. [ dudoso ] Las fosfinas terciarias pueden reaccionar con calcógenos para formar compuestos en forma de R 3 PE, donde E es un calcógeno. Cuando E es azufre, estos compuestos son relativamente estables, pero lo son menos cuando E es selenio o telurio. De manera similar, las fosfinas secundarias pueden reaccionar con los calcógenos para formar calcogenuros de fosfina secundaria. Sin embargo, estos compuestos se encuentran en estado de equilibrio con el ácido calcogenofosfinoso. Los calcogenuros de fosfina secundarios sonácidos débiles . [33] Compuestos binarios formados por antimonio o arsénico y un calcógeno. Estos compuestos tienden a ser coloridos y pueden crearse mediante una reacción de los elementos constituyentes a temperaturas de 500 a 900 °C (932 a 1652 °F). [38]
Los calcógenos forman enlaces simples y dobles con otros elementos del grupo carbono además del carbono, como el silicio , el germanio y el estaño . Estos compuestos se forman normalmente a partir de una reacción de haluros de grupos de carbono y sales de calcogenol o bases de calcogenol . Existen compuestos cíclicos con calcógenos, elementos del grupo carbono y átomos de boro, y se producen a partir de la reacción de dicalcogenatos de boro y haluros metálicos del grupo carbono. Se han descubierto compuestos en forma de ME, donde M es silicio, germanio o estaño y E es azufre, selenio o telurio. Estos se forman cuando reaccionan hidruros de grupos de carbono o cuando reaccionan versiones más pesadas de carbenos . [ dudoso ] El azufre y el telurio pueden unirse con compuestos orgánicos que contienen tanto silicio como fósforo. [33]
Todos los calcógenos forman hidruros . En algunos casos, esto ocurre cuando los calcógenos se unen a dos átomos de hidrógeno. [2] Sin embargo , el hidruro de telurio y el hidruro de polonio son volátiles y muy lábiles . [39] Además, el oxígeno puede unirse al hidrógeno en una proporción de 1:1 como en el peróxido de hidrógeno , pero este compuesto es inestable. [28]
Los compuestos calcógenos forman varios intercalcógenos . Por ejemplo, el azufre forma los tóxicos dióxido de azufre y trióxido de azufre . [28] El telurio también forma óxidos. También hay algunos sulfuros de calcógeno. Estos incluyen el sulfuro de selenio , un ingrediente de algunos champús . [7]
Desde 1990, se han detectado varios boruros con calcógenos unidos. Los calcógenos en estos compuestos son en su mayoría azufre, aunque algunos contienen selenio. Uno de esos boruros de calcógeno consta de dos moléculas de sulfuro de dimetilo unidas a una molécula de boro-hidrógeno. Otros compuestos importantes de boro-calcógeno incluyen los sistemas macropoliédricos. Estos compuestos tienden a contener azufre como calcógeno. También existen boruros de calcógeno con dos, tres o cuatro calcógenos. Muchos de ellos contienen azufre, pero algunos, como el Na 2 B 2 Se 7 , contienen selenio. [40]
El azufre se conoce desde la antigüedad y se menciona en la Biblia quince veces. Era conocido por los antiguos griegos y comúnmente extraído por los antiguos romanos . En la Edad Media fue una parte clave de los experimentos alquímicos . En los años 1700 y 1800, los científicos Joseph Louis Gay-Lussac y Louis-Jacques Thénard demostraron que el azufre era un elemento químico. [2]
Los primeros intentos de separar el oxígeno del aire se vieron obstaculizados por el hecho de que hasta los siglos XVII y XVIII se pensaba que el aire era un elemento único. Robert Hooke , Mikhail Lomonosov , Ole Borch y Pierre Bayden crearon oxígeno con éxito, pero no se dieron cuenta en ese momento. El oxígeno fue descubierto por Joseph Priestley en 1774 cuando enfocó la luz solar sobre una muestra de óxido de mercurio y recogió el gas resultante. Carl Wilhelm Scheele también había creado oxígeno en 1771 mediante el mismo método, pero Scheele no publicó sus resultados hasta 1777. [2]
El telurio fue descubierto por primera vez en 1783 por Franz Joseph Müller von Reichenstein . Descubrió telurio en una muestra de lo que hoy se conoce como calaverita. Al principio, Müller supuso que la muestra era antimonio puro, pero las pruebas que realizó con la muestra no coincidieron con esto. Muller entonces supuso que la muestra era sulfuro de bismuto , pero las pruebas confirmaron que la muestra no era eso. Durante algunos años, Müller reflexionó sobre el problema. Finalmente se dio cuenta de que la muestra era oro unido con un elemento desconocido. En 1796, Müller envió parte de la muestra al químico alemán Martin Klaproth , quien purificó el elemento no descubierto. Klaproth decidió llamar al elemento telurio por la palabra latina que significa tierra. [2]
El selenio fue descubierto en 1817 por Jöns Jacob Berzelius . Berzelius notó un sedimento de color marrón rojizo en una planta de fabricación de ácido sulfúrico. Se pensaba que la muestra contenía arsénico. Berzelius inicialmente pensó que el sedimento contenía telurio, pero se dio cuenta de que también contenía un nuevo elemento, al que llamó selenio en honor a la diosa griega de la luna Selene. [2] [41]
Tres de los calcógenos (azufre, selenio y telurio) formaron parte del descubrimiento de la periodicidad , ya que se encuentran entre una serie de tríadas de elementos del mismo grupo que, según Johann Wolfgang Döbereiner , tenían propiedades similares. [12] Alrededor de 1865, John Newlands produjo una serie de artículos en los que enumeraba los elementos en orden de peso atómico creciente y propiedades físicas y químicas similares que se repetían en intervalos de ocho; comparó esa periodicidad con las octavas de la música. [42] [43] Su versión incluía un "grupo b" formado por oxígeno, azufre, selenio, telurio y osmio .
Después de 1869, Dmitri Mendeleev propuso su tabla periódica colocando el oxígeno en la parte superior del "grupo VI" por encima del azufre, el selenio y el telurio. [44] El cromo , el molibdeno , el tungsteno y el uranio a veces se incluían en este grupo, pero luego serían reordenados como parte del grupo VIB ; Posteriormente, el uranio pasaría a la serie de actínidos . El oxígeno, junto con el azufre, el selenio, el telurio y más tarde el polonio se agruparían en el grupo VIA , hasta que el nombre del grupo se cambió al grupo 16 en 1988. [45]
A finales del siglo XIX, Marie Curie y Pierre Curie descubrieron que una muestra de pechblenda emitía cuatro veces más radiactividad de la que podría explicarse sólo por la presencia de uranio. Los Curie reunieron varias toneladas de pechblenda y la refinaron durante varios meses hasta que obtuvieron una muestra pura de polonio. El descubrimiento tuvo lugar oficialmente en 1898. Antes de la invención de los aceleradores de partículas, la única forma de producir polonio era extraerlo durante varios meses del mineral de uranio. [2]
El primer intento de crear livemorium tuvo lugar entre 1976 y 1977 en el LBNL , que bombardeó curio-248 con calcio-48, pero no tuvo éxito. Después de varios intentos fallidos en 1977, 1998 y 1999 por parte de grupos de investigación en Rusia, Alemania y Estados Unidos, el hígado se creó con éxito en 2000 en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear bombardeando átomos de curio -248 con átomos de calcio-48. El elemento se conocía como ununhexium hasta que se llamó oficialmentelivermorium en 2012. [2]
En el siglo XIX, Jons Jacob Berzelius sugirió llamar a los elementos del grupo 16 "anfígenos", [46] ya que los elementos del grupo formaban sales de anfidos (sales de oxiácidos) . [47] [48] Anteriormente considerado como compuesto de dos óxidos, un ácido y un óxido básico) El término recibió cierto uso a principios del siglo XIX, pero ahora está obsoleto. [46] El nombre calcógeno proviene de las palabras griegas χαλκος ( chalcos , literalmente " cobre ") y γενές ( genes , nacido, [49] género, encender). Fue utilizado por primera vez en 1932 por el grupo de Wilhelm Biltz en la Universidad Leibniz de Hannover , donde fue propuesto por Werner Fischer. [32] La palabra "calcógeno" ganó popularidad en Alemania durante la década de 1930 porque el término era análogo a "halógeno". [50] Aunque el significado literal de las palabras griegas modernas implica que calcógeno significa "formador de cobre", esto es engañoso porque los calcógenos no tienen nada que ver con el cobre en particular. Se ha sugerido que "formador de minerales" es una mejor traducción, [51] ya que la gran mayoría de los minerales metálicos son calcogenuros y la palabra χαλκος en griego antiguo se asociaba con metales y rocas que contienen metales en general; El cobre, y su aleación, el bronce , fue uno de los primeros metales utilizados por los humanos.
El nombre de oxígeno proviene de las palabras griegas oxy genes , que significa "formador de ácido". El nombre de azufre proviene de la palabra latina sulfurium o de la palabra sánscrita sulvere ; Ambos términos son palabras antiguas para azufre. El selenio lleva el nombre de la diosa griega de la luna, Selene , para coincidir con el elemento previamente descubierto telurio, cuyo nombre proviene de la palabra latina telus , que significa tierra. El polonio lleva el nombre del país de nacimiento de Marie Curie, Polonia. [7] Livermorium lleva el nombre del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [52]
Los cuatro calcógenos más ligeros (oxígeno, azufre, selenio y telurio) son elementos primordiales en la Tierra. El azufre y el oxígeno se encuentran como minerales de cobre constituyentes y el selenio y el telurio se encuentran en pequeñas trazas en dichos minerales. [28] El polonio se forma naturalmente a partir de la descomposición de otros elementos, aunque no es primordial. El livermorium no se produce de forma natural en absoluto.
El oxígeno constituye el 21% de la atmósfera en peso, el 89% del agua en peso, el 46% de la corteza terrestre en peso [6] y el 65% del cuerpo humano. [53] El oxígeno también se encuentra en muchos minerales, y se encuentra en todos los minerales de óxido y minerales de hidróxido , y en muchos otros grupos de minerales. [54] Las estrellas de al menos ocho veces la masa del Sol también producen oxígeno en sus núcleos mediante fusión nuclear . [12] El oxígeno es el tercer elemento más abundante en el universo y representa el 1% del universo en peso. [55] [56]
El azufre constituye el 0,035% del peso de la corteza terrestre, lo que lo convierte en el decimoséptimo elemento más abundante allí [6] y constituye el 0,25% del cuerpo humano. [53] Es un componente importante del suelo. El azufre constituye 870 partes por millón del agua de mar y aproximadamente 1 parte por mil millones de la atmósfera. [2] El azufre se puede encontrar en forma elemental o en forma de minerales de sulfuro , minerales de sulfato o minerales de sulfosal . [54] Las estrellas de al menos 12 veces la masa del Sol producen azufre en sus núcleos mediante fusión nuclear. [12] El azufre es el décimo elemento más abundante en el universo y representa 500 partes por millón del universo en peso. [55] [56]
El selenio constituye 0,05 partes por millón en peso de la corteza terrestre. [6] Esto lo convierte en el elemento número 67 más abundante en la corteza terrestre . El selenio constituye una media de 5 partes por millón de los suelos . El agua de mar contiene alrededor de 200 partes por billón de selenio. La atmósfera contiene 1 nanogramo de selenio por metro cúbico. Existen grupos de minerales conocidos como selenatos y selenitos, pero no hay muchos minerales en estos grupos. [57] El selenio no se produce directamente por fusión nuclear. [12] El selenio constituye 30 partes por mil millones del universo en peso. [56]
Sólo hay 5 partes por mil millones de telurio en la corteza terrestre y 15 partes por mil millones de telurio en el agua de mar. [2] El telurio es uno de los ocho o nueve elementos menos abundantes en la corteza terrestre. [7] Hay unas pocas docenas de minerales de telurato y minerales de telururo, y el telurio se encuentra en algunos minerales con oro, como la silvanita y la calaverita. [58] El telurio constituye 9 partes por mil millones del universo en peso. [7] [56] [59]
El polonio sólo se encuentra en pequeñas cantidades en la Tierra, a través de la desintegración radiactiva del uranio y el torio. Está presente en los minerales de uranio en concentraciones de 100 microgramos por tonelada métrica. Existen cantidades muy pequeñas de polonio en el suelo y, por tanto, en la mayoría de los alimentos y, por tanto, en el cuerpo humano. [2] La corteza terrestre contiene menos de 1 parte por mil millones de polonio, lo que lo convierte en uno de los diez metales más raros de la Tierra. [2] [6]
El livermorium siempre se produce artificialmente en aceleradores de partículas . Incluso cuando se produce, sólo se sintetiza una pequeña cantidad de átomos a la vez.
Los elementos calcófilos son aquellos que permanecen en la superficie o cerca de ella porque se combinan fácilmente con calcógenos distintos del oxígeno, formando compuestos que no se hunden en el núcleo. Los elementos calcófilos ("amantes del calcógeno") en este contexto son aquellos metales y no metales más pesados que tienen una baja afinidad por el oxígeno y prefieren unirse con el azufre calcógeno más pesado en forma de sulfuros. [60] Debido a que los minerales de sulfuro son mucho más densos que los minerales de silicato formados por elementos litófilos , [54] los elementos calcófilos se separaron debajo de los litófilos en el momento de la primera cristalización de la corteza terrestre. Esto ha llevado a su agotamiento en la corteza terrestre en relación con su abundancia solar, aunque este agotamiento no ha alcanzado los niveles encontrados con los elementos siderófilos. [61]
Clasificación de Goldschmidt: litófilo siderófilo calcófilo atmófilo Traza/sintético
Anualmente se producen aproximadamente 100 millones de toneladas métricas de oxígeno. El oxígeno se produce más comúnmente mediante destilación fraccionada , en la que el aire se enfría hasta convertirlo en líquido y luego se calienta, permitiendo que todos los componentes del aire, excepto el oxígeno, se conviertan en gases y escapen. La destilación fraccionada del aire varias veces puede producir oxígeno puro al 99,5%. [62] Otro método con el que se produce oxígeno es enviar una corriente de aire seco y limpio a través de un lecho de tamices moleculares hechos de zeolita , que absorbe el nitrógeno del aire, dejando entre un 90 y un 93% de oxígeno puro. [2]
El azufre se puede extraer en su forma elemental, aunque este método ya no es tan popular como solía ser. En 1865 se descubrió un gran depósito de azufre elemental en los estados estadounidenses de Luisiana y Texas, pero era difícil de extraer en ese momento. En la década de 1890, a Herman Frasch se le ocurrió la solución de licuar el azufre con vapor sobrecalentado y bombear el azufre a la superficie. Hoy en día, el azufre se extrae más a menudo del petróleo , el gas natural y el alquitrán . [2]
La producción mundial de selenio ronda las 1.500 toneladas al año, de las cuales aproximadamente el 10% se recicla. Japón es el mayor productor y produce 800 toneladas métricas de selenio al año. Otros grandes productores incluyen Bélgica (300 toneladas métricas por año), Estados Unidos (más de 200 toneladas métricas por año), Suecia (130 toneladas métricas por año) y Rusia (100 toneladas métricas por año). El selenio se puede extraer de los residuos del proceso de refinado electrolítico del cobre. Otro método para producir selenio es cultivar plantas recolectoras de selenio, como la arveja . Este método podría producir tres kilogramos de selenio por acre, pero no se practica comúnmente. [2]
El telurio se produce principalmente como subproducto del procesamiento del cobre. [63] El telurio también se puede refinar mediante reducción electrolítica del telururo de sodio . La producción mundial de telurio oscila entre 150 y 200 toneladas métricas al año. Estados Unidos es uno de los mayores productores de telurio y produce alrededor de 50 toneladas métricas al año. Perú, Japón y Canadá también son grandes productores de telurio. [2]
Hasta la creación de los reactores nucleares, todo el polonio debía extraerse del mineral de uranio. En los tiempos modernos, la mayoría de los isótopos del polonio se producen bombardeando bismuto con neutrones. [7] El polonio también puede producirse mediante altos flujos de neutrones en los reactores nucleares . Anualmente se producen aproximadamente 100 gramos de polonio. [64] Todo el polonio producido con fines comerciales se fabrica en el reactor nuclear de Ozersk en Rusia. Desde allí se lleva a Samara, Rusia, para su purificación, y de allí a San Petersburgo para su distribución. Estados Unidos es el mayor consumidor de polonio. [2]
Todo el hígado se produce artificialmente en aceleradores de partículas . La primera producción exitosa delivermorium se logró bombardeando átomos de curio-248 con átomos de calcio-48 . En 2011, se habían sintetizado aproximadamente 25 átomos delivermorium. [2]
El metabolismo es la fuente y el uso más importante de oxígeno. Los usos industriales menores incluyen la fabricación de acero (55% de todo el oxígeno purificado producido), la industria química (25% de todo el oxígeno purificado), uso médico, tratamiento de agua (ya que el oxígeno mata algunos tipos de bacterias), combustible para cohetes (en forma líquida), y corte de metales. [2]
La mayor parte del azufre producido se transforma en dióxido de azufre , que a su vez se transforma en ácido sulfúrico , una sustancia química industrial muy común. Otros usos comunes incluyen ser un ingrediente clave de la pólvora y del fuego griego , y usarse para cambiar el pH del suelo . [7] El azufre también se mezcla con el caucho para vulcanizarlo . El azufre se utiliza en algunos tipos de hormigón y fuegos artificiales . El 60% de todo el ácido sulfúrico producido se utiliza para generar ácido fosfórico . [2] [65] El azufre se utiliza como pesticida (específicamente como acaricida y fungicida ) en "huertos, ornamentales, hortalizas, cereales y otros cultivos". [66]
Alrededor del 40% de todo el selenio producido se destina a la fabricación de vidrio . El 30% de todo el selenio producido se destina a la metalurgia , incluida la producción de manganeso . El 15% de todo el selenio producido se destina a la agricultura . Los productos electrónicos, como los materiales fotovoltaicos, representan el 10% de todo el selenio producido. Los pigmentos representan el 5% de todo el selenio producido. Históricamente, máquinas como fotocopiadoras y fotómetros utilizaban un tercio de todo el selenio producido, pero esta aplicación está en constante declive. [2]
El subóxido de telurio , una mezcla de telurio y dióxido de telurio, se utiliza en la capa de datos regrabables de algunos discos CD-RW y discos DVD-RW . El telururo de bismuto también se utiliza en muchos dispositivos microelectrónicos , como los fotorreceptores . El telurio se utiliza a veces como alternativa al azufre en el caucho vulcanizado . El telururo de cadmio se utiliza como material de alta eficiencia en paneles solares. [2]
Algunas de las aplicaciones del polonio se relacionan con la radiactividad del elemento. Por ejemplo, el polonio se utiliza como generador de partículas alfa para la investigación. El polonio aleado con berilio proporciona una fuente de neutrones eficiente. El polonio también se utiliza en baterías nucleares. La mayor parte del polonio se utiliza en dispositivos antiestáticos. [2] [6] Livermorium no tiene ningún uso debido a su extrema rareza y su corta vida media.
Los compuestos organocalcógenos participan en el proceso de semiconductores . Estos compuestos también aparecen en la química y bioquímica de ligandos . Una aplicación de los propios calcógenos es manipular pares redox en química supramolecular (química que implica interacciones de enlaces no covalentes). Esta aplicación conduce a aplicaciones como el empaquetamiento de cristales, el ensamblaje de moléculas grandes y el reconocimiento biológico de patrones. Las interacciones de enlace secundario de los calcógenos más grandes, el selenio y el teluro, pueden crear nanotubos de acetileno que contienen disolventes orgánicos . Las interacciones calcógenas son útiles para análisis conformacionales y efectos estereoelectrónicos, entre otras cosas. Los calcogenuros con enlaces pasantes también tienen aplicaciones. Por ejemplo, el azufre divalente puede estabilizar carbaniones, centros catiónicos y radicales . Los calcógenos pueden conferir a los ligandos (como el DCTO) propiedades como la de poder transformar Cu (II) en Cu (I). El estudio de las interacciones del calcógeno da acceso a cationes radicales, que se utilizan en la química sintética convencional . Los centros redox metálicos de importancia biológica se pueden sintonizar mediante interacciones de ligandos que contienen calcógenos, como la metionina y la selenocisteína . Además, los enlaces pasantes de calcógeno [ dudoso ] pueden proporcionar información sobre el proceso de transferencia de electrones. [dieciséis]
Casi todos los organismos necesitan oxígeno para generar ATP . También es un componente clave de la mayoría de los otros compuestos biológicos, como el agua, los aminoácidos y el ADN . La sangre humana contiene una gran cantidad de oxígeno. Los huesos humanos contienen un 28% de oxígeno. El tejido humano contiene un 16% de oxígeno. Un ser humano típico de 70 kilogramos contiene 43 kilogramos de oxígeno, principalmente en forma de agua. [2]
Todos los animales necesitan cantidades importantes de azufre . Algunos aminoácidos, como la cisteína y la metionina, contienen azufre. Las raíces de las plantas absorben iones sulfato del suelo y los reducen a iones sulfuro. Las metaloproteínas también utilizan azufre para unirse a átomos metálicos útiles en el cuerpo y el azufre de manera similar se adhiere a átomos metálicos venenosos como el cadmio para transportarlos a la seguridad del hígado. En promedio, los humanos consumen 900 miligramos de azufre al día. Los compuestos de azufre, como los que se encuentran en el spray para zorrillos, suelen tener olores fuertes. [2]
Todos los animales y algunas plantas necesitan trazas de selenio , pero sólo para algunas enzimas especializadas. [7] [67] Los seres humanos consumen una media de entre 6 y 200 microgramos de selenio al día. Las setas y las nueces de Brasil destacan especialmente por su alto contenido en selenio. El selenio en los alimentos se encuentra más comúnmente en forma de aminoácidos como la selenocisteína y la selenometionina . [2] El selenio puede proteger contra el envenenamiento por metales pesados . [67]
No se sabe que el telurio sea necesario para la vida animal, aunque algunos hongos pueden incorporarlo en compuestos en lugar del selenio. Los microorganismos también absorben telurio y emiten telururo de dimetilo . La mayor parte del telurio en el torrente sanguíneo se excreta lentamente en la orina, pero una parte se convierte en telururo de dimetilo y se libera a través de los pulmones. En promedio, los humanos ingerimos alrededor de 600 microgramos de telurio al día. Las plantas pueden absorber algo de telurio del suelo. Se ha descubierto que las cebollas y el ajo contienen hasta 300 partes por millón de telurio en peso seco. [2]
El polonio no tiene ninguna función biológica y es muy tóxico por ser radiactivo.
El oxígeno generalmente no es tóxico, pero se ha informado de toxicidad cuando se usa en altas concentraciones. Tanto en forma gaseosa elemental como como componente del agua, es vital para casi toda la vida en la Tierra. A pesar de ello, el oxígeno líquido es muy peligroso. [7] Incluso el oxígeno gaseoso es peligroso en exceso. Por ejemplo, los buceadores deportivos se han ahogado ocasionalmente debido a convulsiones causadas por respirar oxígeno puro a una profundidad de más de 10 metros (33 pies) bajo el agua. [2] El oxígeno también es tóxico para algunas bacterias . [53] El ozono, un alótropo del oxígeno, es tóxico para la mayor parte de la vida. Puede provocar lesiones en las vías respiratorias. [68]
El azufre generalmente no es tóxico e incluso es un nutriente vital para los humanos. Sin embargo, en su forma elemental puede provocar enrojecimiento de ojos y piel, sensación de ardor y tos si se inhala, sensación de ardor y diarrea y/o catarsis [66] si se ingiere, y puede irritar las mucosas. [69] [70] Un exceso de azufre puede ser tóxico para las vacas porque los microbios en el rumen de las vacas producen sulfuro de hidrógeno tóxico al reaccionar con el azufre. [71] Muchos compuestos de azufre, como el sulfuro de hidrógeno (H 2 S) y el dióxido de azufre (SO 2 ), son altamente tóxicos. [2]
El selenio es un nutriente traza que los humanos necesitan del orden de decenas o cientos de microgramos por día. Una dosis superior a 450 microgramos puede ser tóxica y provocar mal aliento y olor corporal . La exposición prolongada y de bajo nivel, que puede ocurrir en algunas industrias, produce pérdida de peso , anemia y dermatitis . En muchos casos de intoxicación por selenio, se forma ácido selenoso en el cuerpo. [72] El seleniuro de hidrógeno (H 2 Se) es altamente tóxico. [2]
La exposición al telurio puede producir efectos secundarios desagradables. Tan sólo 10 microgramos de telurio por metro cúbico de aire pueden provocar un aliento notoriamente desagradable, descrito como un olor a ajo podrido. [7] La intoxicación aguda por telurio puede causar vómitos, inflamación intestinal, hemorragia interna e insuficiencia respiratoria. La exposición prolongada y de bajo nivel al telurio provoca cansancio e indigestión. El telurito de sodio (Na 2 TeO 3 ) es letal en cantidades de alrededor de 2 gramos. [2]
El polonio es peligroso como emisor de partículas alfa . Si se ingiere, el polonio-210 es un millón de veces más tóxico en peso que el cianuro de hidrógeno ; Se ha utilizado como arma homicida en el pasado, sobre todo para matar a Alexander Litvinenko . [2] El envenenamiento por polonio puede causar náuseas , vómitos , anorexia y linfopenia . También puede dañar los folículos pilosos y los glóbulos blancos . [2] [73] El polonio-210 sólo es peligroso si se ingiere o se inhala porque sus emisiones de partículas alfa no pueden penetrar la piel humana. [64] El polonio-209 también es tóxico y puede causar leucemia . [74]
Sales de anfidos fue un nombre dado por Jons Jacob Berzelius en el siglo XIX a las sales químicas derivadas del grupo 16 de la tabla periódica que incluía oxígeno , azufre , selenio y telurio . [75] El término recibió cierto uso a principios del siglo XIX, pero ahora está obsoleto. [76] El término actualmente en uso para el grupo 16 es calcógenos.
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