SZELÉN: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, ELŐÁLLÍTÁS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A szelén egy nemfémes kémiai elem, amely a periódusos rendszer 16. csoportjába tartozik és amelyet a szimbólum jelöl. Ennek az elemnek köztes tulajdonságai vannak a kén és a tellúr között, amelyek ugyanabba a csoportba tartoznak.

A szelént 1817-ben Jöhs J. Berzelius és John G. Gahn fedezte fel, akik a pirit elpárologtatásakor vörös maradékot észleltek (alsó kép). Eleinte összekeverték azt a tellúrral, de később rájöttek, hogy egy új elemmel foglalkoznak.

Egy üveg amorf vörös szelénből, ennek az elemnek a legismertebb allotrópja. Forrás: W. Oelen

Berzelius elnevezte az új szelén elemet, a "selene" név alapján, ami azt jelenti: "a hold istennője". A szelén nélkülözhetetlen nyomelem a növények és az állatok számára, bár magas koncentrációban mérgező.

A szelénnek három fő allotrop alakja van: piros, fekete és szürke. Ez utóbbi tulajdonsága, hogy elektromos vezetőképességét a sugárzó fény (fényvezető) intenzitásától függően módosítja, amelyre számos felhasználást kapott.

A szelén széles körben elterjedt a földkéregben, ásványi anyagai azonban nem bőségesek, tehát a szelén nem bányászik.

Elsősorban a réz elektrolízis finomításának melléktermékeként nyerik. A szelén felhalmozódik az elektrolízis cellák anódján található iszapban.

Az emberek körülbelül 25 szelenoproteint tartalmaznak, amelyek közül néhány antioxidáns hatású és szabályozza a szabad gyökök képződését. Vannak továbbá a szelén aminosavai, mint például a szelenometionin és a selenocisztein.

Történelem

Első megfigyelés

Az Arnhem de Villanova alkimisták 1230-ban megfigyelték a szelént. Orvosi képzésben vett részt a párizsi Sorbonne-ban, és még V. Kelemen pápa orvosa volt.

Villanova a Rosarium Philosophorum című könyvében vörös ként vagy "kén rebeumot" ír le, amelyet a kén elpárologtatása után kemencébe hagytak. Lehetséges, hogy ez a vörös kén szelén allotrópja volt.

Felfedezés

1817-ben Jöhs Jakob Berzelius és John Gottlieb Gahn felfedezte a szelént kénsav előállítására szolgáló vegyipari üzemben, a svédországi Gripsholm közelében. A sav előállításának alapanyaga pirit volt, amelyet egy Fálun-bányából extraháltak.

Berzelius-t megdöbbentő vörös maradék létezik, amely a kén megégése után az ólomtartályban maradt.

Berzelius és Gahn azt is megfigyelték, hogy a vörös maradéknak erős torma szagja van, hasonlóan a tellúrhoz. Ezért írta Marect barátjának, hogy úgy vélik, hogy a megfigyelt lerakódás tellúr-vegyület.

Berselius azonban továbbra is elemzi a lerakott anyagot, amikor a piritot égették, és átgondolta, hogy a tellúr nem található a Fálun-bányában. 1818 februárjában arra a következtetésre jutott, hogy új elemet fedez fel.

A név eredete

Berzelius rámutatott, hogy az új elem a kén és a tellúr kombinációja, és hogy a tellúr és az új elem hasonlósága lehetővé tette számára az új anyag szelén megnevezését.

Berzelius kifejtette, hogy a "tellus" a föld istennőjét jelenti. Martin Klaport 1799-ben ezt a nevet adta a tellúrnak, és ezt írta: „Egyetlen elem sem nevezik ezt. Meg kellett csinálni! "

A tellúr és az új anyag hasonlósága miatt Berzelius a szelén szóval nevezte el, amely a görög "selene" szóból származott, amely azt jelenti: "a hold istennője".

Alkalmazásainak fejlesztése

1873-ban Willoughby Smith felfedezte, hogy a szelén elektromos vezetőképessége a sugárzó fénytől függ. Ez a tulajdonság lehetővé tette a szelén számos alkalmazását.

Alexander Graham Bell 1979-ben szelént használt a fotofonjában. A szelén az azt megvilágító fény erősségével arányos elektromos áramot termel, fénymérőkben, biztonsági mechanizmusok az ajtók kinyitására és bezárására stb.

A szelén egyenirányítók használata az elektronikában az 1930-as években kezdődött, számos kereskedelmi alkalmazás mellett. Az 1970-es években az egyenirányítókban szilícium ülteti be.

1957-ben kiderült, hogy a szelén nélkülözhetetlen elem az emlősök életében, mivel olyan enzimekben volt jelen, amelyek védik a reaktív oxigént és a szabad gyököket. Ezenkívül felfedezték az aminosavak, például a szelenometionin létezését.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

Mivel a szelénhez több alotróp létezik, fizikai megjelenése változik. Általában vöröses szilárd anyag formájában jelenik meg por formájában.

Szabványos atomtömeg

78,971 u

Atomszám (Z)

3. 4

Olvadáspont

221 ºC

Forráspont

685 ºC

Sűrűség

A szelén sűrűsége attól függ, hogy melyik allotrópot vagy polimorfot vesszük figyelembe. Néhány szobahőmérsékleten meghatározott sűrűsége a következő:

Gray: 4,819 g / cm ³

Alpha: 4,39 g / cm ³

Üvegtesti: 4,28 g / cm ³

Folyékony állapotban (olvadáspont): 3,99 g / cm ³

A fúziós hő

Szürke: 6,69 kJ / mol

A párolgás hője

95,48 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

25,363 J / (mol K)

Oxidációs számok

A szelén kötődhet vegyületeiben, a következő számok vagy oxidációs állapotok megjelenésével: -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6. Ezek közül a legfontosabbak a -2 (Se ^2-), +4 (Se ⁴⁺) és +6 (Se ⁶⁺).

Például a SeO _2- ben a szelén oxidációs száma +4; vagyis feltételezzük, hogy létezik a Se ⁴⁺ kation (Se ⁴⁺ O ₂ ^2-). Hasonlóan a SeO _3-hoz, a szelén oxidációs száma +6 (Se ⁶⁺ O ₃ ²).

A hidrogén-szelenidben (H ₂ Se) a szelén oxidációs száma -2; vagyis ismét feltételezzük, hogy a Se ^2- (H ₂ ⁺ Se ^2-) ion vagy anion létezik. Ennek oka az, hogy a szelén elektronegatívabb, mint a hidrogén.

elektronegativitás

2,55 a Pauling skálán.

Ionizációs energia

-Első: 941 kJ / mol.

-Második: 2 045 kJ / mol.

- Harmadik: 2 973,7 kJ / mol.

Mágneses sorrend

Diamágnesesek.

Keménység

2,0 a Mohs skálán.

Izotóp

Öt természetes és stabil szelén izotóp van, amelyeket az alábbiakban mutatunk be azok megfelelő előfordulási arányával:

- ⁷⁴ Se (0,86%)

- ⁷⁶ Se (9,23%)

- ⁷⁷ Se (7,6%)

- ⁷⁸ Se (23,69%)

- ⁸⁰ Se (49,8%)

allotrópia

Palack fekete szelénnel, vékony szürke szelénréteggel bevonva. Forrás: W. Oelen

A kémiai reakciók során előállított szelén tégla-vörös amorf por, amely gyorsan megolvadva üvegszerű fekete formát eredményez, hasonlóan a rózsafüzér gyöngyökhez (felső kép). A fekete szelén törékeny és fényes szilárd anyag.

A fekete szelén enyhén oldódik a szén-szulfidban is. Ha ezt az oldatot 180 ° C-ra melegítik, akkor a stabil és sűrű allotrop szürke szelén kicsapódik.

A szürke szelén ellenáll az oxidációnak és inert a nem oxidáló savak hatására. Ennek a szelénnek a fő tulajdonsága a fényvezető képessége. Világítás esetén elektromos vezetőképessége 10-15-szeresére növekszik.

Reakcióképesség

A szelén vegyületeiben a -2, +4 és +6 oxidációs állapotokban létezik. Ez egyértelmű hajlam a savak képződésére a magasabb oxidációs állapotokban. Azokat a vegyületeket, amelyek szelén oxidációs állapotú -2, szelénideknek (Se ^2-) nevezzük.

Reakció hidrogénnel

A szelén hidrogénnel reagál, hidrogén-szelenidet (H ₂ Se) képezve, színtelen, gyúlékony és szagtalan gáz.

Reakció oxigénnel

A szelén ég, kék lángot kibocsátva és szelén-dioxidot képezve:

Se ₈ (s) + 8 O ₂ => 8 SeO ₂ (s)

A szelén-oxid szilárd, fehér, polimer anyag. Hidratációs termel szelénessavat (H ₂ SeO ₃). A szelén szelén-trioxidot (SeO ₃) is képez, hasonlóan a kénhez (SO ₃).

Reakció halogénekkel

A szelén fluortartalommal reagálva szelén-hexafluoridot képez:

Se ₈ (s) + 24 F ₂ (g) => 8 SeF ₆ (l)

A szelén klórral és brómmal reagál, így diszilenium-dikloridot és dibromidot képezve:

Se ₈ (s) + 4 Cl ₂ => 4 Se ₂ Cl ₂

Se ₈ (s) + 4 Br ₂ => 4 Se ₂ Br ₂

Szelén is képeznek SEF ₄ és SeCl ₄.

Másrészt a szelén olyan vegyületeket képez, amelyekben a szelénatom kapcsolódik az egyik halogénatommal, a másik pedig az oxigénatommal. Fontos példa a szelén-oxi-klorid (SeO ₂ Cl ₂), a szelén +6 oxidációs állapotban, rendkívül erős oldószer.

Reakció fémekkel

A szelén reagál fémekkel, aluminium, kadmium és nátrium szelenideket képezve. Az alábbi kémiai egyenlet megfelel az alumínium-szelenid képződésének:

3 Se ₈ + 16 Al => 8 Al ₂ Se ₃

Szelenitek

A szelén szelénként ismert sókat alkot; például: ezüst szelenit (Ag ₂ SeO ₃) és a nátrium-szelenitet (Na ₂ SeO ₃). Ezt a nevet irodalmi összefüggésben használták a Hold lakóira: a szelenitákra utalni.

savak

A szelénben a legfontosabb sav a szelénsav (H ₂ SeO ₄). Olyan erős, mint a kénsav, és könnyebben redukálható.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

- Szelén és kapcsolatai

A szelénnek hat vegyérték elektron van, ezért a 16. csoportba tartozik, ugyanúgy, mint az oxigén és a kén. Ez a hat elektron a 4s és 4p pályákon helyezkedik el, elektronikus konfigurációjuk szerint:

3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁴

Ezért - a kénhez hasonlóan - két kovalens kötést kell kialakítania, hogy befejezze valencia oktetét; bár rendelkezésre áll 4d körüli pályáin, hogy több mint két atommal kössön. Így három szelénatom összekapcsolódik, és két kovalens kötést képez: Se-Se-Se.

A legnagyobb atomtömegű szelén természetesen hajlamos kovalens kötések által szabályozott struktúrák kialakulására; ahelyett, hogy elrendezve, mint kétatomos molekulák Se ₂, Se = Se, analóg O ₂, O = O.

- Gyűrűk vagy láncok

A szelénatomok által elfogadott molekuláris struktúrák közül általánosságban kettőt lehet említeni: gyűrűket vagy láncokat. Vegye figyelembe, hogy a Se ₃ hipotetikus esetben a szélsõséges Se-atomoknak még mindig elektronokra van szükségük; ezért ezeket egymás után egymáshoz más atomokkal kell kötni, amíg a lánc gyűrűvé nem záródik be.

A leggyakoribb gyűrűk a szelén nyolc tagú gyűrűi vagy atomjai: Se ₈ (szelenit korona). Miért nyolc? Mivel minél kisebb a gyűrű, annál több stresszt fog szenvedni; vagyis kötésük szöge eltér az sp ³ hibridizációja által meghatározott természetes értékektől (hasonlóan ahhoz, ami a cikloalkánokkal történik).

Mivel nyolc atom van, a Se-Se atomok közötti elválasztás elegendő ahhoz, hogy kötésük "nyugodt" és ne "hajlott" legyen; bár összeköttetéseinek szöge 105,7º és nem 109,5º. Másrészt lehetnek kisebb gyűrűk: Se ₆ és Se ₇.

A szelén gyűrűs egységei, amelyeket a gömbök és rudak modellje képvisel. Forrás: Benjah-bmm27.

A Se ₈ gyűrűs egységeket a fenti ábra mutatja. Vegye figyelembe a kénkoronákhoz való hasonlóságot; csak ők nagyobbok és nehezebbek.

A gyűrűk mellett a szelénatomok spirális láncokban is elrendezhetők (gondoljunk spirális lépcsőkre):

Spirális szelén láncok. Forrás: Anyagtudós az angol Wikipedia-ban

A végén lehet terminális kettős kötések (-Se = Se) vagy Se ₈ gyűrűk.

- Allotropes

Figyelembe véve, hogy lehetnek spirális gyűrűk vagy szelénláncok, és méretük is változhat az atomok számától függően, nyilvánvaló, hogy ennek az elemnek egynél több alotrópja van; vagyis tiszta szelén szilárd anyagok, de eltérő molekuláris szerkezettel.

Piros szelén

A szelén legszembetűnőbb allotrópjai között van a vörös, amely amorf porként, vagy monoklinikus és polimorf kristályként jelenhet meg (lásd a Se ₈ gyűrűk képét).

Amorf vörös szelénben a struktúrák rendezetlenek, nincs látható mintázat; míg a lencsében a gyűrűk monoklinikus struktúrát alkotnak. A vörös kristályos szelén polimorf, három fázisú: α, β és γ, amelyek sűrűségükben különböznek egymástól.

Fekete szelén

A fekete szelén szerkezete gyűrűkből is áll; de nem nyolc taggal, hanem még sokkal többel, és ezer atom gyűrűkig terjedhetnek (Se ₁₀₀₀). Akkor azt mondják, hogy szerkezete összetett és polimer gyűrűkből áll; néhány nagyobb vagy kisebb, mint mások.

Mivel léteznek különböző méretű polimer gyűrűk, nehéz elvárni, hogy ezek létrehozzák a szerkezeti rendet; tehát a fekete szelén is amorf, ám a fentebb említett vöröses porral ellentétben üveges textúrájú, bár törékeny.

Szürke szelén

És végül: a szelén legegyszerűbb allotrópjai közül a szürke, amely a többiek felett kiemelkedik, mivel normál körülmények között a legstabilabb, és fémes megjelenésű is.

Kristályai lehetnek hatszögletűek vagy trigonálisok, amelyeket a londoni diszperziós erők hoznak létre a polimer spirális láncok között (felső kép). A kötések szöge 130,1º, ami pozitív eltérést mutat a tetraéder környezetétől (109,5º szögekkel).

Ezért ad a szelén spirális láncoknak azt a benyomást, hogy "nyitottak" legyenek. Kísérletezés céljából ebben a struktúrában a szénatomok egymással szemben vannak, tehát elméletileg nagyobb irányban kell átfedniük a pályájukat a vezetési sávok létrehozásához.

A molekuláris rezgések növekedésével járó hő károsítja ezeket a sávokat, amikor a láncok rendezetlenné válnak; míg a foton energiája közvetlenül érinti az elektronokat, izgatva őket és elősegítve tranzakcióikat. Ebből a szempontból "könnyű" elképzelni a szürke szelén fényvezető képességét.

Hol található és gyártás

Noha széles körben elterjedt, a szelén ritka elem. Natív állapotában található kénnel és ásványokkal, mint például az eukairit (CuAgSe), a claustalite (PbSe), a naumanit (Ag ₂ Se) és a crookesite.

A szelént szennyeződésként találják meg, amely a fém kéntartalmú ásványainak kis részében helyettesíti a ként; például réz, ólom, ezüst stb.

Vannak olyan talajok, ahol a szelén létezik a szelén oldódó formájában. Ezeket az esővíz a folyókba és onnan az óceánba továbbítja.

Egyes növények képesek felszívni és koncentrálni a szelént. Például egy csésze brazil dió 544 µg szelént tartalmaz, ez az összeg a napi ajánlott szelénmennyiség 777% -ának felel meg.

Az élőlényekben a szelén megtalálható néhány aminosavban, például: szelenometionin, selenocisztein és metilselenocisztein. A szelenocisztein és a szelenit hidrogén-szeleniddé redukálódnak.

Réz elektrolízise

Nincs szelén bányászata. Ennek nagy részét a réz elektrolízis finomításának melléktermékeként nyerik, amelyet az anódnál felhalmozódó iszapban találnak.

Az első lépés a szelén-dioxid előállítása. Ehhez az anódos iszapot nátrium-karbonáttal kezelik, hogy megkapja oxidációját. Ezután vizet adunk a szelén-oxidhoz és megsavanyítjuk, hogy szelénsavat kapjunk.

Végül a szelens savat kén-dioxiddal kezelik, hogy redukálja és elemi szelént kapjon.

Egy másik módszer szerint a kénsav előállítása során keletkező iszap és iszap keverékében szennyezett vörös szelént kapunk, amely kénsavban oldódik.

Ezután szelektív sav és szelénsav képződik. Ezt a szelénsavat ugyanúgy kezelik, mint az előző módszert.

Klór is alkalmazható, amely a fém-szelenidekre hat, és illékony klórozott szelénvegyületeket képez; mint például: Se ₂ Cl ₂, SeCl ₄, SeCl ₂ és SeOCl ₂.

Ezek a vegyületek egy vízben végzett eljárás során szelénsavvá alakulnak, amelyet kén-dioxiddal kezelnek a szelén felszabadításához.

Biológiai szerepe

Hiány

A szelén nélkülözhetetlen nyomelem a növényeknek és az állatoknak, amelyek hiánya az emberekben olyan súlyos rendellenességeket okozott, mint például Keshan-kór; egy olyan betegség, amelyet a szívizom károsodása jellemez.

Ezenkívül a szelénhiány a férfiak meddőségével jár, és szerepet játszhat a Kashin-Beck-betegségben, amely egy típusú osteoarthritis. Szérén hiányt figyeltek meg a rheumatoid arthritisben is.

Enzim kofaktor

A szelén antioxidáns hatású enzimek alkotóeleme, például a glutation-peroxidáz és a tioredoxin-reduktáz, amelyek az anyagok reakcióképes oxigénnel történő eltávolításában működnek.

Ezenkívül a szelén a pajzsmirigyhormon deiodinázok kofaktora. Ezek az enzimek fontos szerepet játszanak a pajzsmirigyhormonok működésének szabályozásában.

A szelén alkalmazásáról beszámoltak Hasimoto-kór, egy autoimmun betegség kezelésében, amely pajzsmirigy-sejtek elleni antitestek képződésével jár.

A szelént arra is felhasználták, hogy csökkentsék a higany toxikus hatásait, mivel néhány hatása a szelénfüggő antioxidáns enzimekre gyakorolható.

Fehérjék és aminosavak

Az embernek kb. 25 szelenoproteinje van, amelyek antioxidáns hatást fejtenek ki az oxidatív stressz elleni védekezésre, amelyet a reaktív oxigén (ROS) és a reaktív nitrogén (NOS) felesleg vált ki.

A szelenometiocin és a selenocisztein aminosavakat kimutatták emberekben. A szelenometionint étrend-kiegészítőként alkalmazzák a szelénhiányos állapotok kezelésére.

kockázatok

A szelén magas koncentrációja a testben sok káros hatással lehet az egészségre, kezdve a törékeny hajjal és a törékeny körmökkel, a bőrkiütésekkel, hővel, a bőr ödéma és súlyos fájdalmakkal.

Ha a szelént szemmel érintkezik, akkor égési sérülést, irritációt és könnyeződést tapasztalhat az emberek. Eközben a hosszú szeléntartalmú füsttel való érintkezés tüdőödémát, fokhagyma légzést és hörghurutot okozhat.

Ezenkívül a személy tüdőgyulladást, émelygést, hidegrázást, lázot, torokfájást, hasmenést és hepatomegáliát tapasztalhat.

A szelén kölcsönhatásba léphet más gyógyszerekkel és étrend-kiegészítőkkel, például antacidákkal, daganatellenes szerekkel, kortikoszteroidokkal, niacinnal és fogamzásgátló tablettákkal.

A szelént a bőrrák kialakulásának fokozott kockázatával társítják. A Nemzeti Rákkutató Intézet tanulmánya megállapította, hogy a magas szeléntartalmú férfiak kétszer annyira valószínűleg szenvednek agresszív prosztatarákban.

Egy tanulmány szerint a napi 200 μg szelén bevitel 50% -kal növeli a II. Típusú cukorbetegség kialakulásának esélyét.

Alkalmazások

kozmetikum

A szelén-szulfidot seborrhea, zsíros vagy korpásodás kezelésére használják.

Az orvosok

Alternatív gyógyszerként használják Hasimoto-kór, a pajzsmirigy autoimmun betegsége kezelésére.

A szelén csökkenti a higany toxicitását, egyik mérgező hatása a deoxidáló enzimekre gyakorolódik, amelyek szelént használnak kofaktorként.

Mangán elektrolízis

A szelén-oxid felhasználása a mangán elektrolízisében jelentősen csökkenti a technika költségeit, mivel csökkenti az áramfogyasztást.

Pigment

A szelént pigmentekként használják festékekben, műanyagokban, kerámiákban és üvegben. Az alkalmazott szeléntől függően az üveg színe mélyvöröstől világossárgaig változik.

Fényérzékeny

Mivel a szürke szelén megváltoztatja elektromos vezetőképességét a sugárzó fény intenzitása függvényében, a szelént használták fénymásolókban, fotocellákban, fotométerekben és napelemekben.

A szelén fénymásolókban való használata volt a szelén egyik fő alkalmazása; de a szerves fényvezetők megjelenése csökkentette felhasználásukat.

Crystals

A szelént a szemüveg elszíneződéséhez használják, olyan vas jelenléte miatt, amely zöld vagy sárga színű. Ezenkívül lehetővé teszi az üveg vörös színű elszíneződését, attól függően, hogy mit kíván használni.

Vulkanizáló

A szelén-dietil-ditio-karbonátot vulkanizálószerként használják a gumi termékekhez.

ötvözetek

A szelént a sárgarézben bizmutdal kombinálva használják az ólom pótlására; Nagyon mérgező elem, amelynek az egészségügyi szervezetek ajánlásai miatt csökken a felhasználása.

A szelént kis koncentrációban adják az acélhoz és a rézötvözetekhez, hogy javítsák ezeknek a fémeknek a használhatóságát.

egyenirányítók

A szelén egyenirányítókat 1933-ban kezdték használni, egészen az 1970-es évekig, amikor az alacsony költség és kiváló minőség miatt helyettesítették szilíciummal.

Irodalom

1. Ausztrál Királyi Kémiai Intézet. (2011). Szelén.. Helyreállítva: raci.org.au
2. Wikipedia. (2019). Szelén. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Sato Kentaro. (Sf). A fő csoport elemeinek új alotípusai.. Helyreállítva: tcichemicals.com
4. Dr. Dough Stewart. (2019). A szelén elem tényei. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
5. Robert C. Brasted. (2019. augusztus 28.). Szelén. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
6. Marques Miguel. (Sf). Szelén. Helyreállítva: nautilus.fis.uc.pt
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2019. július 03.). Szelén tények. Helyreállítva: gondolat.com
8. Lenntech BV (2019). Periódusos rendszer: szelén. Helyreállítva: lenntech.com
9. Tinggi U. (2008). Szelén: antioxidáns szerepe az emberi egészségben. Környezeti egészség és megelőző orvoslás, 13. (2), 102–108. doi: 10.1007 / s12199-007-0019-4
10. Étrend-kiegészítők Iroda. (2019. július 9.). Szelén: Tájékoztató az egészségügyi szakemberek számára. Országos Egészségügyi Intézet. Helyreállítva: ods.od.nih.gov