СЕЛЕН: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Селен є неметаллическим хімічний елемент , що належить до групи 16 періодичної таблиці елементів і який представлений символом є. Цей елемент має проміжні властивості між сіркою та телуром, які входять до однієї групи.

Селен був відкритий в 1817 році Йосом Дж. Берцеліусом та Джоном Г. Ганом, які при випаровуванні піриту спостерігали червоний залишок (нижнє зображення). Спочатку вони плутали його з телуром, але згодом зрозуміли, що мають справу з новою стихією.

Флакон з аморфним червоним селеном - найвідоміший алотроп для цього елемента. Джерело: В. Олен

Берзелій назвав новий елемент селеном на основі назви "селен", що означає "богиня Місяця". Селен є важливим мікроелементом для рослин і тварин, хоча у високих концентраціях він є токсичним елементом.

Селен має три основні алотропні форми: червону, чорну та сіру. Останній має властивість змінювати свою електропровідність залежно від інтенсивності світла, що його випромінює (фотопровідник), для чого він мав багато застосувань.

Селен широко поширений у земній корі, проте мінералів, які його містять, не є в достатку, тому видобуток селену не відбувається.

Він отримується головним чином як побічний продукт процесу очищення електролізу міді. Селен накопичується в мулі, знайденому на аноді клітин електролізу.

Людина має близько 25 селенопротеїнів, деякі з яких мають антиоксидантну дію і контролюють утворення вільних радикалів. Також є амінокислоти селену, такі як селенометіонін та селеноцистеїн.

Історія

Перше спостереження

Алхімік Арнольд де Вільянова, можливо, спостерігав селен у 1230 році. Він навчався медицині в Сорбонні в Парижі і був навіть лікарем папи Климента В.

Вільянова у своїй книзі «Розаріум філософріум» описує червону сірку або «сірчаний ребей», що залишився в печі після випаровування сірки. Ця червона сірка, можливо, була алотропом селену.

Відкриття

У 1817 році Йос Якоб Берцеліус та Джон Готліб Ган відкрили селен на хімічному заводі для виробництва сірчаної кислоти поблизу міста Грипсхолм, Швеція. Сировиною для отримання кислоти був пірит, який добували з шахти Фалунь.

Берцеліуса вразило існування червоного залишку, який залишився у контейнері для свинцю після випалення сірки.

Також Берцеліус і Ган помітили, що червоний залишок мав сильний хриновий запах, схожий на телур. Ось чому він написав своєму другові Маректу, що вони вважають, що спостережуване родовище є сполукою телуру.

Однак Берселій продовжував аналізувати матеріал, що зберігався під час спалення піриту, і переглядав, що телуру в шахті Фалун не знайдено. У лютому 1818 р. Він зробив висновок, що виявив новий елемент.

Походження його назви

Берзелій зазначав, що новий елемент являє собою поєднання сірки та телуру, а схожість телуру з новим елементом дала йому можливість назвати нову речовину селеном.

Берзелій пояснив, що «телус» означає богиню землі. Мартін Клапорт у 1799 році дав цю назву телуру і написав: «Жоден елемент не називається так. Це треба було зробити! "

Через схожість телуру з новою речовиною, Берцелій назвав його словом селен, похідним від грецького слова "selene", що означає "богиня Місяця".

Розробка ваших програм

У 1873 році Віллоббі Сміт виявив, що електропровідність селену залежить від світла, яке його випромінювало. Ця властивість дозволила селену мати численні застосування.

Олександр Грехем Белл у 1979 році використовував селен у своєму фотофоні. Селен виробляє електричний струм, пропорційний інтенсивності світла, що його висвітлює, використовуючи в лічильниках світла, захисних механізмах для відкривання та закривання дверей тощо.

Використання селенових випрямлячів в електроніці почалося в 30-х роках минулого століття, з численними комерційними додатками. У 1970-х роках він був витіснений у випрямлячі кремнію.

У 1957 році було виявлено, що селен є важливим елементом для життя ссавців, оскільки він присутній в ферментах, що захищають від реакційноздатного кисню та вільних радикалів. Крім того, було виявлено існування амінокислот, таких як селенометионін.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

Оскільки існує кілька алотропів селену, його фізичний вигляд змінюється. Зазвичай проявляється червонуватою твердою речовиною у вигляді порошку.

Стандартна атомна маса

78.971 u

Атомне число (Z)

3. 4

Точка плавлення

221 ºC

Точка кипіння

685 ºC

Щільність

Щільність селену змінюється в залежності від того, який аллотроп або поліморф розглядається. Деякі його щільності, визначені при кімнатній температурі, є:

Сірий: 4,819 г / см ³

Альфа: 4,39 г / см ³

Склоподібний: 4,28 г / см ³

Рідкий стан (температура плавлення): 3,99 г / см ³

Тепло синтезу

Сірий: 6,69 кДж / моль

Тепло випаровування

95,48 кДж / моль

Молярна калорійність

25,363 Дж / (моль К)

Окислювальні числа

Селен може зв'язуватися у своїх сполуках, проявляючи такі числа або стани окислення: -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6. Серед усіх найважливіших є -2 (Se ^2- ), +4 (Se ⁴⁺ ) та +6 (Se ⁶⁺ ).

Наприклад, у SeO ₂ селен має окислювальне число +4; тобто, існування Се ⁴⁺ катіона (Се ⁴⁺ O ₂ ^2- ) передбачається . Аналогічно з SeO ₃ , селен має окислювальне число +6 (Se ⁶⁺ O ₃ ^2- ).

У селеніді водню, H ₂ Se, селен має число окислення -2; тобто, знову ж таки, передбачається існування іона або аніона Se ^2- (H ₂ ⁺ Se ^2- ). Це тому, що селен є більш електронегативним, ніж водень.

Електронегативність

2,55 за шкалою Полінга.

Енергія іонізації

-Перше: 941 кДж / моль.

-Друге: 2,045 кДж / моль.

-Третя: 2,973,7 кДж / моль.

Магнітний орден

Діамагнітний.

Твердість

2,0 за шкалою Мооса.

Ізотопи

Існує п'ять природних і стабільних ізотопів селену, які показані нижче з відповідним їх достатку:

- ⁷⁴ Se (0,86%)

- ⁷⁶ Se (9,23%)

- ⁷⁷ Se (7,6%)

- ⁷⁸ Se (23,69%)

- ⁸⁰ Se (49,8%)

Аллотропія

Пляшка з чорним селеном, покрита тонкою плівкою сірого селену. Джерело: В. Олен

Селен, приготовлений в хімічних реакціях, являє собою аморфний цегляно-червоний порошок, який при швидкому плавленні створює склоподібну чорну форму, схожу на бусини розарію (верхнє зображення). Чорний селен - крихке і блискуче тверде речовина.

Також чорний селен слабо розчиняється у сірчистому вуглеці. При нагріванні цього розчину до 180 ° C осідає сірий селен, його найбільш стійкий і щільний алотроп.

Сірий селен стійкий до окислення та інертний до дії неокислюючих кислот. Основна властивість цього селену - його фотопровідність. При освітленні його електропровідність збільшується в 10–15 разів.

Реактивність

Селен у його сполуках існує в станах окислення -2, +4 та +6. Він демонструє чітку тенденцію до утворення кислот у станах вищого окислення. З'єднання, які мають селен із станом окислення -2, називаються селенідами (Se ^2- ).

Реакція з воднем

Селен вступає в реакцію з воднем, утворюючи водневий селенід (H ₂ Se), безбарвний, горючий і неприємний газ.

Реакція з киснем

Селен горить, випромінюючи синє полум'я і утворюючи діоксид селену:

Se ₈ (s) + 8 O ₂ => 8 SeO ₂ (s)

Оксид селену - тверда, біла, полімерна речовина. Її гідратація виробляє селенозну кислоту (H ₂ SeO ₃ ). Селен також утворює триоксид селену (SeO ₃ ), аналогічний сірці (SO ₃ ).

Реакція з галогенами

Селен реагує з фтором з утворенням гексафториду селену:

Se ₈ (s) + 24 F ₂ (g) => 8 SeF ₆ (l)

Селен вступає в реакцію з хлором і бромом з утворенням дисиленію дихлориду та диброміду відповідно:

Se ₈ (s) + 4 Cl ₂ => 4 Se ₂ Cl ₂

Se ₈ (s) + 4 Br ₂ => 4 Se ₂ Br ₂

Селен також може утворювати SeF ₄ і SeCl ₄ .

З іншого боку, селен утворює сполуки, в яких атом селену приєднується до одного з галогену та іншого кисню. Важливим прикладом є оксихлорид селену (SeO ₂ Cl ₂ ) із селеном у стані окислення +6, надзвичайно потужним розчинником.

Реакція з металами

Селен реагує з металами, утворюючи селеніди алюмінію, кадмію та натрію. Хімічне рівняння нижче відповідає формуванню селеніду алюмінію:

3 Se ₈ + 16 Al => 8 Al ₂ Se ₃

Селеніти

Селен утворює солі, відомі як селеніти; наприклад: селеніт срібла (Ag ₂ SeO ₃ ) і селеніт натрію (Na ₂ SeO ₃ ). Ця назва була використана в літературному контексті для позначення мешканців Місяця: селенітів.

Кислоти

Найважливішою кислотою в селені є селенова кислота (H ₂ SeO ₄ ). Вона настільки ж сильна, як сірчана кислота і легше її знижується.

Структура та електронна конфігурація

- Селен та його посилання

Селен має шість валентних електронів, через що він розташований у групі 16, такий же, як кисень та сірка. Ці шість електронів знаходяться на орбіталях 4s і 4p відповідно до їх електронної конфігурації:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁴

Тому йому, як і сірці, необхідно утворити два ковалентні зв’язки, щоб завершити свій октет валентності; хоча у нього є 4d-орбіталі для зв'язку з більш ніж двома атомами. Таким чином, три атоми селену збираються разом і утворюють два ковалентні зв’язки: Se-Se-Se.

Селен з найвищою атомною масою має природну тенденцію до утворення структур, керованих ковалентними зв’язками; замість того, щоб розташовуватися як діатомічні молекули Se ₂ , Se = Se, аналогічні O ₂ , O = O.

- Кільця або ланцюги

Серед молекулярних структур, які приймають атоми селену, можна загалом назвати дві: кільця або ланцюги. Зауважте, що у гіпотетичному випадку Se ₃ екстремальним атомам Se все ще потрібні електрони; тому вони повинні бути пов'язані з іншими атомами послідовно, поки ланцюг не може бути замкнутий у кільце.

Найпоширенішими кільцями є восьмичленні кільця або атоми селену: Se ₈ (селенітова корона). Чому вісім? Тому що чим менше кільце, тим більше напруги воно зазнає; тобто кути їх зв'язків відхиляються від природних значень, встановлених їх гібридизаціями sp ³ (подібно до того, що відбувається з циклоалканами).

Оскільки є вісім атомів, розділення між атомами Se-Se є достатнім, щоб їх зв’язки були "розслабленими", а не "зігнуті"; хоча кут його ланок 105,7º, а не 109,5º. З іншого боку, можуть бути менші кільця: Se ₆ і Se ₇ .

Кільцеві одиниці селену представлені моделлю сфер і брусків. Джерело: Benjah-bmm27.

Кільцеві блоки Se ₈ показані на зображенні вище . Зверніть увагу на схожість, яку вони мають із сірчаними кронами; тільки вони більші і важчі.

Окрім кілець, атоми селену також можуть бути розташовані в гвинтових ланцюгах (мислити спіральними сходами):

Гвинтові ланцюги селену. Джерело: Матеріолог в англійській Вікіпедії

На його кінцях можуть бути кінцеві подвійні зв’язки (-Se = Se) або Se ₈ кільця .

- Аллотропи

Беручи до уваги, що можуть бути спіральні кільця або ланцюги селену і що їх розміри можуть також змінюватися залежно від кількості атомів, які вони містять, то очевидно, що для цього елемента є більше одного алотропа; тобто чисті тверді речовини селену, але з різною молекулярною структурою.

Червоний селен

Серед найвидатніших алотропів селену маємо червоний колір, який може бути аморфним порошком, або як моноклінічні та поліморфні кристали (див. Зображення кілець Se ₈ ).

У аморфному червоному селені структури невпорядковані, без видимих ​​закономірностей; тоді як в кришталику кільця встановлюють моноклінічну структуру. Червоний кристалічний селен є поліморфним, має три фази: α, β та γ, які відрізняються своєю щільністю.

Чорний селен

Структура чорного селену також складається з кілець; але не з восьми членів, а з багатьма іншими, досягаючи кілець у тисячу атомів (Se ₁₀₀₀ ). Тоді кажуть, що структура його складна і складається з полімерних кілець; деякі більші чи менші за інші.

Оскільки є полімерні кільця різного розміру, важко очікувати, що вони встановлять структурний порядок; тому чорний селен також є аморфним, але на відміну від згаданого вище порошку червонуватого кольору має скляну текстуру, хоча і крихкий.

Сірий селен

І нарешті, з найпростіших алотропів селену є сірий, який виділяється вище за інших, оскільки він найбільш стійкий в нормальних умовах, а також має металевий вигляд.

Його кристали можуть бути шестикутними або трикутними, встановленими лондонськими дисперсійними силами між його полімерними гвинтовими ланцюгами (верхнє зображення). Кут їх зв’язків 130,1º, що вказує на позитивне відхилення від тетраедричного оточення (з кутами 109,5º).

Ось чому селенові гвинтові ланцюги створюють враження, що вони "відкриті". За допомогою з'ясування в цій структурі атоми Se звернені один до одного, тому теоретично повинно бути більше перекриття їх орбіталей для створення смуг провідності.

Тепло із збільшенням молекулярних коливань пошкоджує ці смуги, коли ланцюги стають невпорядкованими; в той час як енергія фотона безпосередньо впливає на електрони, збуджуючи їх і сприяючи їх транзакціям. З цього погляду фотопровідність сірого селену «легко» уявити.

Де знайти і виробництво

Хоча селен широко поширений, селен є рідкісним елементом. Він знаходиться в його рідному стані, пов'язаному з сіркою та мінералами, такими як евкаїр (CuAgSe), клаусталіт (PbSe), науманіт (Ag ₂ Se) та круокезит.

Селен є домішкою, яка замінює сірку в невеликій частині сірчаних мінералів металів; такі як мідь, свинець, срібло тощо.

Існують ґрунти, в яких селен існує у розчинній формі селената. Вони переносяться дощовою водою до річок, а звідти до океану.

Деякі рослини здатні засвоювати і концентрувати селен. Наприклад, чашка бразильських горіхів містить 544 мкг селену, кількість, що еквівалентно 777% щоденної рекомендованої кількості селену.

У живих істотах селен міститься в деяких амінокислотах, таких як: селенометионін, селеноцистеїн і метилселеноцистеїн. Селеноцистеїн і селеніт відновлені до селеніду водню.

Електроліз міді

Видобутку селену немає. Більшість його отримують як побічний продукт процесу очищення електролізу міді, що знаходиться в мулі, який накопичується на аноді.

Перший крок - виробництво діоксиду селену. Для цього анодний мул обробляють карбонатом натрію для його окислення. Потім воду додають до оксиду селену і підкисляють до утворення селенової кислоти.

Нарешті, селенозну кислоту обробляють діоксидом сірки для її зменшення та отримання елементарного селену.

В іншому способі в суміші мулу та мулу, що утворюються при виробництві сірчаної кислоти, отримують нечистий червоний селен, який розчиняється в сірчаній кислоті.

Потім утворюються селенозна кислота і селенова кислота. Ця селенова кислота отримує таку ж обробку, як і попередній метод.

Також може бути використаний хлор, який діє на металеві селеніди для отримання летких хлорованих сполук селену; такі як: Se ₂ Cl ₂ , SeCl ₄ , SeCl ₂ і SeOCl ₂ .

Ці сполуки в процесі, проведеному у воді, перетворюються на селенову кислоту, яку обробляють діоксидом сірки для вивільнення селену.

Біологічна роль

Дефіцит

Селен є важливим мікроелементом для рослин і тварин, дефіцит яких у людини спричинив серйозні розлади, такі як хвороба Кешана; захворювання, що характеризується пошкодженням міокарда.

Крім того, дефіцит селену пов'язаний з чоловічим безпліддям і може зіграти роль при хворобі Кашина-Бека, типу остеоартриту. Також дефіцит селену спостерігався при ревматоїдному артриті.

Ферментний кофактор

Селен - це компонент ферментів з антиоксидантною дією, таких як глутатіонпероксидаза та тіоредоксин редуктаза, які діють при виведенні речовин з реактивним киснем.

Крім того, селен є кофактором дейодиназних гормонів щитовидної залози. Ці ферменти мають важливе значення для регулювання роботи гормонів щитовидної залози.

Повідомлялося про використання селену при лікуванні хвороби Хасімото, аутоімунного захворювання з утворенням антитіл проти клітин щитовидної залози.

Селен також використовувався для зменшення токсичної дії ртуті, оскільки деякі його дії здійснюються на селенозалежних антиоксидантних ферментах.

Білки та амінокислоти

Людина має близько 25 селенопротеїнів, які чинять антиоксидантну дію для захисту від окисного стресу, ініційованого надлишком активних видів кисню (ROS) та активних видів азоту (NOS).

У людини були виявлені амінокислоти селенометиоцин та селеноцистеїн. Селенометионін використовується як дієтична добавка при лікуванні станів дефіциту селену.

Ризики

Висока концентрація селену в організмі може мати чимало шкідливого впливу на здоров'я, починаючи з ламкого волосся і ламких нігтів, до шкірних висипань, тепла, набряку шкіри та сильних болів.

При лікуванні селеном при контакті з очима люди можуть відчувати печіння, роздратування та сльозотечу. Тим часом, тривалий вплив куріння з високим вмістом селену може спричинити набряк легенів, часникове дихання та бронхіт.

Крім того, у людини може виникнути пневмоніт, нудота, озноб, лихоманка, біль у горлі, діарея та гепатомегалія.

Селен може взаємодіяти з іншими лікарськими засобами та дієтичними добавками, такими як антациди, протипухлинні препарати, кортикостероїди, ніацин та протизаплідні таблетки.

Селен асоціюється з підвищеним ризиком розвитку раку шкіри. Дослідження Національного інституту раку встановило, що чоловіки з високим рівнем селену в організмі вдвічі частіше хворіють агресивним раком простати.

Дослідження показує, що щоденне споживання 200 мкг селену збільшує можливість розвитку діабету II типу на 50%.

Програми

Косметика

Сульфід селену використовується при лікуванні себореї, а також жирного або лупистого волосся.

Лікарі

Застосовується як альтернативні ліки при лікуванні хвороби Хасимото, аутоімунного захворювання щитовидної залози.

Селен знижує токсичність ртуті, одна з його токсичних активностей здійснюється на розкислювальні ферменти, які використовують селен як кофактор.

Електроліз марганцю

Використання оксиду селену в електролізі марганцю значно знижує витрати техніки, оскільки зменшує споживання електроенергії.

Пігмент

Селен використовується як пігмент у фарбах, пластмасах, кераміці, склі. Залежно від використовуваного селену колір скла змінюється від глибокого червоного до світло-оранжевого.

Фотопровідні

Завдяки властивості сірого селену змінювати свою електропровідність як функцію інтенсивності світла, що його випромінює, селен застосовували у фотокопіях, фотоелементах, фотометрах та сонячних елементах.

Використання селену у фотокопіювальних апаратах було одним із основних застосувань селену; але поява органічних фотопровідників зменшує їх використання.

Кристали

Селен використовується для знебарвлення келихів, внаслідок наявності заліза, що виробляє зелений або жовтий колір. Крім того, це дозволяє червоне забарвлення скла, залежно від використання, яке ви хочете йому надати.

Вулканізація

Дієтилдітіокарбонат селену використовується як вулканізуючий засіб для гумових виробів.

Сплави

Селен використовується в поєднанні з вісмутом у латуні для заміни свинцю; Дуже токсичний елемент, який зменшує його використання завдяки рекомендаціям медичних організацій.

Селен додається в низьких концентраціях до сталі та сплавів міді для підвищення зручності використання цих металів.

Випрямлячі

Селеновие випрямлячі почали застосовувати в 1933 році до 1970-х років, коли їх замінили на кремній через його низьку вартість і високу якість.

Список літератури

1. Королівський Австралійський хімічний інститут. (2011 р.). Селен. . Відновлено з: raci.org.au
2. Вікіпедія. (2019). Селен. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Сато Кентаро. (sf). Нові алотропи основних елементів групи. . Відновлено: tcichemicals.com
4. Доктор Тісто Стюарт. (2019). Факти селену. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
5. Роберт С. Брасте. (28 серпня 2019 р.). Селен. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
6. Маркес Мігель. (sf). Селен. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
7. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (03 липня 2019 р.). Факти селену. Відновлено з: thinkco.com
8. Lenntech BV (2019). Періодична таблиця: селен. Відновлено з: lenntech.com
9. Tinggi U. (2008). Селен: його роль як антиоксиданту в здоров’ї людини. Охорона навколишнього середовища та профілактична медицина, 13 (2), 102–108. doi: 10.1007 / s12199-007-0019-4
10. Управління харчовими добавками. (9 липня 2019 р.). Селен: Інформаційний бюлетень для медичних працівників. Національний інститут охорони здоров'я. Відновлено з: ods.od.nih.gov