Los calcógenos (formadores de minerales) ( / ˈkælkədʒənz / KAL -kə-jənz ) son los elementos químicos del grupo 16 de la tabla periódica . [1] Este grupo también se conoce como la familia del oxígeno . El grupo 16 consta de los elementos oxígeno ( O ), azufre (S), selenio (Se), telurio (Te) y los elementos radiactivos polonio (Po) y livermorio (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 del azufre, el selenio, el telurio y el polonio. La palabra "calcógeno" se deriva de una combinación de la palabra griega khalkos ( χαλκός ) que significa principalmente cobre (el término también se usó para bronce , latón , cualquier metal en el sentido poético, mineral y moneda ), [3] y la palabra griega latinizada 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 fueron descubiertos en el siglo XIX y el livermorio en el año 2000. Todos los calcógenos tienen seis electrones de valencia , lo que les deja a dos electrones menos de una capa externa 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 suele tener efectos desagradables (aunque algunos organismos pueden utilizarlo ), y el polonio (especialmente el isótopo polonio-210 ) siempre es nocivo 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 solo se ha descubierto una estructura cristalina de 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 los pnictidos calcógenos y los compuestos que contienen calcógenos y elementos del grupo del carbono .
El oxígeno se obtiene generalmente por separación del aire en nitrógeno y oxígeno. [8] El azufre se extrae del petróleo y el 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. El livermorio se ha sintetizado en aceleradores de partículas. El uso principal del oxígeno elemental es en la fabricación de acero . [ cita requerida ] 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 (oxígeno) tiene un número atómico igual a un número mágico nuclear , lo que significa que sus núcleos atómicos tienden a tener una mayor estabilidad frente a 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 observablemente 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 del 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 rayos cósmicos , o por fisión nuclear del uranio. Se han descubierto los isótopos del livermorio 288 Lv a 293 Lv; el isótopo del livermorio más estable es el 293 Lv, que tiene una vida media de 0,061 segundos. [2] [14]
Con excepción del livermorio, todos los calcógenos tienen al menos un radioisótopo natural : el oxígeno tiene trazas de 15 O, 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 isótopos más ricos en neutrones experimentan emisión de neutrones . Los calcógenos medios (selenio y telurio) tienen tendencias de desintegración similares a los calcógenos más ligeros, pero no se han observado isótopos emisores de protones, y algunos de los isótopos más deficientes en neutrones del telurio experimentan 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. [16]
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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 entre sí en una formación doblada. También existe un alótropo llamado tetraoxígeno , u O 4 , [18] y seis alótropos del 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 agujas largas y se forma cuando el azufre líquido se enfría ligeramente por debajo de su punto de fusión. Los átomos del azufre líquido generalmente tienen la forma de cadenas largas, pero por encima de los 190 °C, las cadenas comienzan a descomponerse. Si el azufre líquido por encima de los 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 denominado 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 otro es negro. [23] El alótropo rojo se convierte en el alótropo negro en presencia de calor. El alótropo gris del selenio está hecho de espirales en átomos de selenio, mientras que uno de los alótropos rojos está hecho de pilas de anillos de selenio (Se 8 ). [2] [ dudoso – discutir ]
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 el β-polonio romboédrico a 36 °C. [2]
Los calcógenos tienen estructuras cristalinas variables. La estructura cristalina del oxígeno es monoclínica , la del azufre es ortorrómbica , la del selenio y el telurio tienen una estructura cristalina hexagonal , mientras que la del 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 están 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 para esto es que los calcógenos más pesados tienen orbitales d vacantes. La electronegatividad del oxígeno también es mucho mayor que la de los otros calcógenos. Esto hace que la polarizabilidad eléctrica del oxígeno sea varias veces menor que la de los otros calcógenos. [16]
Para la unión covalente, un calcógeno puede aceptar dos electrones según la regla del octeto , dejando dos pares solitarios . Cuando un átomo forma dos enlaces simples , forman un ángulo entre 90° y 120° . En los cationes 1+ , como H 3 O + , un calcógeno forma tres orbitales moleculares dispuestos en forma de pirámide trigonal y un par solitario. Los enlaces dobles también son comunes en los compuestos de calcógeno, por ejemplo en los calcogenatos (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 ácidos correspondientes, 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 con 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 los compuestos de oxígeno que contienen azufre suelen tener el prefijo tio- . La química del azufre es similar a la del oxígeno en muchos aspectos. Una diferencia es que los enlaces dobles azufre-azufre son mucho más débiles que los enlaces dobles 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 olor específico fuerte y algunos de ellos son utilizados por algunos organismos. [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, incluidos 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) e 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 suelen presentarse 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 metal unido a calcógenos son minerales comunes. Por ejemplo, la pirita (FeS 2 ) es un mineral de hierro , y el mineral raro calaverita 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 los sulfuros , seleniuros y telururos , en lugar de para los óxidos . [32] [33] [34]
A excepción del polonio, los calcógenos son bastante similares entre sí desde el punto de vista químico. Todos forman iones X 2− cuando reaccionan con metales electropositivos . [28]
Los minerales de sulfuro y compuestos análogos producen gases al reaccionar con el oxígeno. [35]
Los calcógenos también forman compuestos con halógenos conocidos como calccohaluros o haluros de calcógeno . La mayoría de los haluros de calcógeno simples son bien conocidos y se usan ampliamente 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 que consisten puramente en calcógenos y halógenos, hay un total de 13 fluoruros de calcógeno, nueve cloruros de calcógeno, ocho bromuros de calcógeno y seis yoduros de calcógeno que se conocen. [ dudoso – discutir ] 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 – discutir ] 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 bien conocido. Se han producido ciertos fluoruros de selenio, como el difluoruro de selenio, 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 dicalcógeno, como Se2Cl2 . También hay compuestos mixtos de calcógeno-halógeno. Estos incluyen SeSX, donde X es cloro o bromo. [ dudoso – discutir ] Dichos compuestos pueden formarse en mezclas de dicloruro de azufre y haluros de selenio. Estos compuestos han sido caracterizados estructuralmente bastante recientemente, a partir de 2008. En general, los cloruros y bromuros de diselenio y disulfuro son reactivos químicos útiles. Los haluros de calcógeno con átomos de metal unidos son solubles en soluciones orgánicas. [ dudoso – discutir ] Un ejemplo de un compuesto de este tipo es el MoS2Cl3 . 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. Sin embargo, el diyoduro de diselenio sí se encuentra en equilibrio con átomos de selenio y moléculas de yodo . Algunos haluros de telurio con valencias bajas, como el Te2Cl2 y el Te2Br2, forman polímeros cuando están en estado sólido . Estos haluros de telurio se pueden sintetizar mediante la reducción de telurio puro con superhidruro y haciendo reaccionar el producto resultante con tetrahaluros de telurio. Los dihaluros de ditelurio tienden a volverse menos estables a medida que los haluros se vuelven más bajos 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 halocalcogenatos . [33]
Los alcoholes , fenoles y otros compuestos similares contienen oxígeno. Sin embargo, en los tioles , selenoles y teluroles , el azufre, el selenio y el telurio reemplazan al oxígeno. Los tioles son más conocidos que los selenoles o teluroles. Aparte de los alcoholes, los tioles son los calcógenos 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 estos, 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 se preparan típicamente de la misma manera que los tioéteres y selenoéteres. Los compuestos calcógenos orgánicos, especialmente los compuestos de azufre orgánico, tienen la tendencia a oler desagradable. El telururo de dimetilo también huele desagradable, [36] y el selenofenol es famoso por su "hedor metafísico". [37] También hay tiocetonas , selenoctonas y telurocetonas . De estas, las tiocetonas son las más estudiadas, con un 80% de artículos sobre calcogenetonas que tratan sobre ellas. Las selenoctonas constituyen el 16% de dichos artículos y las telurocetonas constituyen el 4% de ellos. Las tiocetonas tienen propiedades eléctricas y fotofísicas no lineales bien estudiadas. Las selenoctonas son menos estables que las tiocetonas y las telurocetonas son menos estables que las selenoctonas. Las telurocetonas tienen el nivel más alto de polaridad de las calcogenetonas. [33]
Existe una gran cantidad de calcogenuros metálicos. También hay 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, no se han descubierto productos químicos análogos que contengan lantano , praseodimio , gadolinio , holmio , terbio o iterbio , hasta 2008. Los metales del grupo del boro, aluminio, galio e indio, también forman enlaces con calcógenos. El ion Ti 3+ forma dímeros de calcogenuros como Ti Tl 5 Se 8 . Los dímeros de calcogenuros metálicos también se presentan como telururos inferiores, como Zr 5 Te 6 . [33]
Los calcógenos elementales reaccionan con ciertos compuestos lantánidos para formar grupos de lantánidos ricos en calcógenos. [ dudoso – discutir ] También existen compuestos de calcógenos de uranio (IV). También hay calcógenos 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 no sofisticados, 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 un total de 130.000 compuestos con al menos un enlace fósforo-azufre, 6000 compuestos con al menos un enlace fósforo-selenio y 350 compuestos con al menos un enlace fósforo-telurio. [ cita requerida ] La disminución en el número de compuestos calcógeno-fósforo más abajo en la tabla periódica se debe a la disminución de la fuerza de enlace. Dichos compuestos tienden a 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 secundaria ) o nitrógeno (como los dicalcogenuros de difosfato). Los seleniuros de fósforo son típicamente 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 con otros pnictógenos , como el arsénico , el antimonio y el bismuto . Los pnictidos de calcógeno más pesados tienden a formar polímeros en forma de cinta en lugar de moléculas individuales. Las fórmulas químicas de estos compuestos incluyen Bi 2 S 3 y Sb 2 Se 3 . También se conocen pnictidos de calcógeno ternarios. 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 pnictidos de calcógenos se encuentran típicamente en la forma de [Pn x E 4x ] 3− , donde Pn es un pnictógeno y E es un calcógeno. [ dudoso – discutir ] Las fosfinas terciarias pueden reaccionar con calcógenos para formar compuestos en la 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 calcógenos para formar calcogenuros de fosfina secundarios. Sin embargo, estos compuestos están en un estado de equilibrio con el ácido calcógenofosfinoso. Los calcogenuros de fosfina secundarios sonÁcidos débiles . [33] Compuestos binarios que consisten en 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 1,652 °F). [38]
Los calcógenos forman enlaces simples y dobles con otros elementos del grupo del carbono que no sean el carbono, como el silicio , el germanio y el estaño . Dichos compuestos se forman típicamente a partir de una reacción de haluros del grupo del carbono y sales de calcógenol o bases de calcógenol . Existen compuestos cíclicos con calcógenos, elementos del grupo del carbono y átomos de boro, y se producen a partir de la reacción de dicalcogenatos de boro y haluros de metales del grupo del 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 los hidruros del grupo del carbono o cuando reaccionan versiones más pesadas de carbenos . [ dudoso – discutir ] 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, tanto el hidruro de telurio como 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 caso del peróxido de hidrógeno , pero este compuesto es inestable. [28]
Los compuestos de calcógeno forman una serie de intercalcógenos . Por ejemplo, el azufre forma dióxido de azufre y trióxido de azufre , sustancias tóxicas . [28] El telurio también forma óxidos. También existen algunos sulfuros de calcógeno, como el sulfuro de selenio , un ingrediente de algunos champús . [7]
Desde 1990 se han detectado varios boruros con calcógenos unidos a ellos. Los calcógenos en estos compuestos son principalmente azufre, aunque algunos contienen selenio en su lugar. Uno de estos boruros de calcógeno consiste en dos moléculas de sulfuro de dimetilo unidas a una molécula de boro- hidrógeno . Otros compuestos importantes de boro-calcógeno incluyen sistemas macropoliédricos. Estos compuestos tienden a presentar azufre como calcógeno. También hay boruros de calcógeno con dos, tres o cuatro calcógenos. Muchos de ellos contienen azufre, pero algunos, como el Na2B2Se7 , contienen selenio en su lugar. [40]
El azufre se conoce desde la antigüedad y aparece mencionado en la Biblia quince veces. Los antiguos griegos lo conocían y los romanos lo extraían habitualmente . En la Edad Media, era un elemento clave de los experimentos alquímicos . En los siglos XVIII y XIX, 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 el aire se consideraba un único elemento hasta los siglos XVII y XVIII. Robert Hooke , Mikhail Lomonosov , Ole Borch y Pierre Bayden lograron crear oxígeno, pero no se dieron cuenta en ese momento. El oxígeno fue descubierto por Joseph Priestley en 1774 cuando enfocó la luz solar en 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 el telurio en una muestra de lo que ahora se conoce como calaverita. Müller asumió al principio que la muestra era antimonio puro, pero las pruebas que realizó en la muestra no concordaron con esto. Muller luego supuso que la muestra era sulfuro de bismuto , pero las pruebas confirmaron que la muestra no lo era. Durante algunos años, Muller reflexionó sobre el problema. Finalmente, se dio cuenta de que la muestra era oro unido a 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 en honor a la palabra latina para tierra. [2]
El selenio fue descubierto en 1817 por Jöns Jacob Berzelius . Berzelius observó un sedimento de color marrón rojizo en una planta de fabricación de ácido sulfúrico. Se pensó 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) fueron parte del descubrimiento de la periodicidad , ya que se encuentran entre una serie de tríadas de elementos del mismo grupo que Johann Wolfgang Döbereiner observó que tenían propiedades similares. [12] Alrededor de 1865, John Newlands produjo una serie de artículos donde enumeraba los elementos en orden de peso atómico creciente y propiedades físicas y químicas similares que se repetían a intervalos de ocho; comparó dicha periodicidad con las octavas de la música. [42] [43] Su versión incluía un "grupo b" que consistía en oxígeno, azufre, selenio, telurio y osmio .
Después de 1869, Dmitri Mendeleev propuso su tabla periódica colocando al 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 se reorganizarían como parte del grupo VIB ; el uranio luego se movería a la serie de los 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 a 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 se podía explicar por la presencia de uranio únicamente. Los Curie reunieron varias toneladas de pechblenda y la refinaron durante varios meses hasta que obtuvieron una muestra pura de polonio. El descubrimiento se produjo 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 livermorio se realizó entre 1976 y 1977 en el LBNL , donde bombardearon curio-248 con calcio-48, pero no tuvieron éxito. Después de varios intentos fallidos en 1977, 1998 y 1999 por parte de grupos de investigación de Rusia, Alemania y los EE. UU., el livermorio 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 ununhexio hasta que recibió el nombre oficial de livermorio 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 anfídicas (sales de oxiácidos . [47] [48] Anteriormente se consideraba que estaban compuestas de dos óxidos, un ácido y un óxido básico). El término recibió algún uso a principios del siglo XIX, pero ahora está obsoleto. [46] El nombre calcógeno proviene de las palabras griegas χαλκος ( chalkos , 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 los significados literales de las palabras griegas modernas implican que calcógeno significa "formador de cobre", esto es engañoso porque los calcógenos no tienen nada que ver con el cobre en particular. "Formador de mena" se ha sugerido como una mejor traducción, [51] ya que la gran mayoría de los minerales metálicos son calcogenuros y la palabra χαλκος en griego antiguo estaba asociada con metales y rocas que contienen metales en general; el cobre, y su aleación bronce , fue uno de los primeros metales en ser 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 recibe su nombre de la diosa griega de la luna, Selene , para que coincida con el elemento previamente descubierto telurio, cuyo nombre proviene de la palabra latina telus , que significa tierra. El polonio recibe su nombre del país de nacimiento de Marie Curie, Polonia. [7] El livermorium recibe su nombre del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [52]
Los cuatro calcógenos más ligeros (oxígeno, azufre, selenio y telurio) son todos elementos primordiales en la Tierra. El azufre y el oxígeno se encuentran como constituyentes de los minerales de cobre y el selenio y el telurio se encuentran en pequeñas cantidades en dichos minerales. [28] El polonio se forma naturalmente a partir de la descomposición de otros elementos, aunque no es primordial. El livermorio no se encuentra en la naturaleza 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, se encuentra en todos los minerales de óxido y minerales de hidróxido , y en muchos otros grupos minerales. [54] Las estrellas de al menos ocho veces la masa del Sol también producen oxígeno en sus núcleos a través de la fusión nuclear . [12] El oxígeno es el tercer elemento más abundante en el universo , y constituye el 1% del universo en peso. [55] [56]
El azufre constituye el 0,035% de la corteza terrestre en peso, lo que lo convierte en el 17.º 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 a través de la fusión nuclear. [12] El azufre es el décimo elemento más abundante en el universo, constituyendo 500 partes por millón del universo en peso. [55] [56]
El selenio constituye 0,05 partes por millón de la corteza terrestre en peso. [6] Esto lo convierte en el 67.º elemento más abundante en la corteza terrestre . El selenio constituye en promedio 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. Hay grupos 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]
En la corteza terrestre hay sólo 5 partes por mil millones de telurio y en el agua de mar 15 partes por mil millones de telurio. [2] El telurio es uno de los ocho o nueve elementos menos abundantes en la corteza terrestre. [7] Hay unas pocas docenas de minerales teluratos y telururos, 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 cantidades mínimas 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 lo tanto, en la mayoría de los alimentos y, por lo tanto, en el cuerpo humano. [2] La corteza terrestre contiene menos de una parte por mil millones de polonio, lo que lo convierte en uno de los diez metales más raros de la Tierra. [2] [6]
El livermorio siempre se produce artificialmente en aceleradores de partículas . Incluso cuando se produce, solo 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 de los calcógenos") 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 por 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 sus abundancias solares, aunque este agotamiento no ha alcanzado los niveles encontrados con los elementos siderófilos. [61]
Clasificación de Goldschmidt: Litófilo Siderófilo Calcofilo Atmófilo Traza/Sintético
Cada año 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 convertirse en líquido y luego se calienta, lo que permite 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 antes. En 1865 se descubrió un gran yacimiento de azufre elemental en los estados de Luisiana y Texas, en Estados Unidos, pero en aquel momento era difícil extraerlo. En la década de 1890, Herman Frasch ideó la solución de licuar el azufre con vapor sobrecalentado y bombearlo hasta la superficie. En la actualidad, el azufre se extrae con más frecuencia del petróleo , el gas natural y el alquitrán . [2]
La producción mundial de selenio es de alrededor de 1500 toneladas métricas por año, de las cuales aproximadamente el 10% se recicla. Japón es el mayor productor, con 800 toneladas métricas de selenio por año. Otros grandes productores son 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 desechos del proceso de refinación electrolítica del cobre. Otro método para producir selenio es cultivar plantas que recolecten selenio, como la arveja lechera . 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 la reducción electrolítica del telururo de sodio . La producción mundial de telurio es de entre 150 y 200 toneladas métricas por año. Estados Unidos es uno de los mayores productores de telurio, con una producción de alrededor de 50 toneladas métricas por 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 la actualidad, 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 reactores nucleares . Se producen aproximadamente 100 gramos de polonio al año. [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 livermorio se produce artificialmente en aceleradores de partículas . La primera producción exitosa de livermorio se logró bombardeando átomos de curio-248 con átomos de calcio-48 . En 2011, se habían sintetizado aproximadamente 25 átomos de livermorio. [2]
El metabolismo es la fuente y el uso más importante del oxígeno. Entre los usos industriales menores se encuentran la fabricación de acero (55% de todo el oxígeno purificado producido), la industria química (25% de todo el oxígeno purificado), el uso médico, el tratamiento del agua (ya que el oxígeno mata algunos tipos de bacterias), el combustible para cohetes (en forma líquida) y el 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 , un producto químico industrial muy común. Otros usos comunes incluyen ser un ingrediente clave de la pólvora y el 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, cultivos ornamentales, vegetales, granos 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, suponen el 10% de todo el selenio producido. Los pigmentos representan el 5% de todo el selenio producido. Históricamente, máquinas como las fotocopiadoras y los 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 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 están relacionadas 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] El livermorio no tiene ningún uso debido a su extrema rareza y su corta vida media.
Los compuestos organocalcógenos están involucrados en el proceso de semiconductores . Estos compuestos también aparecen en la química de ligandos y la bioquímica . Una aplicación de los propios calcógenos es manipular pares redox en la química supramolecular (química que implica interacciones de enlaces no covalentes). Esta aplicación conduce a aplicaciones tales como el empaquetamiento de cristales, el ensamblaje de moléculas grandes y el reconocimiento biológico de patrones. Las interacciones de enlace secundarias de los calcógenos más grandes, selenio y telurio, pueden crear nanotubos de acetileno que contienen disolventes orgánicos . Las interacciones de calcógenos son útiles para el análisis conformacional y los 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 DCTO) propiedades tales como la capacidad de transformar Cu(II) en Cu(I). El estudio de las interacciones de calcógenos da acceso a cationes radicales, que se utilizan en la química sintética convencional . Los centros redox metálicos de importancia biológica se pueden ajustar mediante interacciones de ligandos que contienen calcógenos, como la metionina y la selenocisteína . Además, los enlaces pasantes de calcógenos [ dudoso – discutir ] pueden proporcionar información sobre el proceso de transferencia de electrones. [16]
El oxígeno es necesario para casi todos los organismos con el fin de generar ATP . También es un componente clave de la mayoría de los demás 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 significativas de azufre . Algunos aminoácidos, como la cisteína y la metionina, contienen azufre. Las raíces de las plantas absorben iones de sulfato del suelo y los reducen a iones de sulfuro. Las metaloproteínas también utilizan el azufre para unirse a átomos de metales útiles en el cuerpo y, de manera similar, el azufre se adhiere a átomos de metales venenosos como el cadmio para transportarlos a un lugar seguro en el hígado. En promedio, los humanos consumen 900 miligramos de azufre cada día. Los compuestos de azufre, como los que se encuentran en el aerosol para zorrillos, a menudo tienen olores fuertes. [2]
Todos los animales y algunas plantas necesitan cantidades mínimas de selenio , pero solo para algunas enzimas especializadas. [7] [67] Los humanos consumen en promedio entre 6 y 200 microgramos de selenio por día. Los hongos y las nueces de Brasil son especialmente conocidos por su alto contenido de 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 si el telurio es necesario para la vida animal, aunque algunos hongos pueden incorporarlo en compuestos en lugar del selenio. Los microorganismos también absorben el 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 ingieren alrededor de 600 microgramos de telurio diariamente. 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 altamente tóxico debido a que es radiactivo.
El oxígeno no es tóxico en general, pero se han reportado casos de toxicidad por oxígeno cuando se utiliza 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 esto, el oxígeno líquido es muy peligroso. [7] Incluso el oxígeno gaseoso es peligroso en exceso. Por ejemplo, los buceadores deportivos se han ahogado ocasionalmente por 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 mayoría de los seres vivos. Puede causar lesiones en el tracto respiratorio. [68]
El azufre no es tóxico en general y es incluso un nutriente vital para los seres humanos. Sin embargo, en su forma elemental puede causar enrojecimiento de los ojos y la 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 membranas 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 oligoelemento que los seres humanos necesitan en cantidades del orden de decenas o cientos de microgramos al día. Una dosis superior a los 450 microgramos puede ser tóxica y provocar mal aliento y olor corporal . La exposición prolongada a niveles bajos, que puede producirse en algunas industrias, provoca pérdida de peso , anemia y dermatitis . En muchos casos de intoxicación por selenio, se forma ácido selenoso en el organismo. [72] El seleniuro de hidrógeno (H 2 Se) es muy tóxico. [2]
La exposición al telurio puede producir efectos secundarios desagradables. Tan sólo 10 microgramos de telurio por metro cúbico de aire pueden causar 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 causa cansancio e indigestión. El telurito de sodio ( Na2TeO3 ) 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 que el cianuro de hidrógeno en peso; se ha utilizado como arma homicida en el pasado, el caso más famoso fue el de 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 solo es peligroso si se ingiere o 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 anfídicos fue un nombre dado por Jons Jacob Berzelius en el siglo XIX para las sales químicas derivadas del grupo 16 de la tabla periódica que incluía oxígeno , azufre , selenio y telurio . [75] El término recibió algún uso a principios del siglo XIX, pero ahora está obsoleto. [76] El término actual en uso para el grupo 16 es calcógenos.
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