§ 26. Сера и её соединения

Определения и обозначения

Сера — химический элемент 16-й группы, 3-го периода периодической системы, с символом S. На внешнем уровне её атома шесть электронов, а в соединениях сера может иметь степени окисления −2, +4 и +6. Эти значения помогают определять состав веществ и понимать, как сера взаимодействует с другими элементами.

Аллотропия серы — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ с разным строением и свойствами. Известны ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Это понятие объясняет, почему образец серы может менять форму и свойства, не превращаясь в другой химический элемент.

Сероводород — соединение серы с водородом формулы H₂S. Это токсичный газ, который нельзя пробовать распознавать по запаху; в водном растворе он проявляет свойства слабой кислоты. Формула и свойства H₂S важны для записи реакций с участием серы и распознавания сульфидов.

Серная кислота — сильная двухосновная кислота H₂SO₄, содержащая два атома водорода, способных замещаться металлом. Она реагирует с основаниями и основными оксидами с образованием солей, а концентрированная кислота едкая и опасная. Понимание её состава помогает отличать кислоту от оксида SO₃, который может образовать её при реакции с водой.

Как это устроено

У атома серы 16 электронов, распределённых по трём энергетическим уровням; на внешнем находятся шесть. Поэтому сере не хватает двух электронов до завершения внешнего уровня, и в простых соединениях с металлами или водородом она часто имеет степень окисления −2. В соединениях с кислородом электронная плотность смещается к кислороду, поэтому сера может иметь положительные степени окисления +4 и +6. Так строение атома помогает объяснить разнообразие соединений серы.

В обычных условиях атомы серы чаще соединены в кольца S₈, но расположение таких частиц в твёрдом веществе может быть разным. Так возникают кристаллические ромбическая и моноклинная формы, а при резком охлаждении расплавленной серы образуется пластическая сера с длинными цепями атомов. При нагревании ромбическая сера примерно при 96 °C переходит в моноклинную, потому что при более высокой температуре эта кристаллическая форма становится устойчивее. При охлаждении моноклинная сера постепенно снова превращается в ромбическую.

Сера соединяется с металлами с образованием сульфидов, например Fe + S → FeS; при этом металл отдаёт электроны, а сера принимает их. При нагревании с водородом образуется сероводород: H₂ + S → H₂S. В кислороде сера горит с образованием главным образом SO₂: S + O₂ → SO₂. В этих реакциях сера меняет степень окисления: от 0 в простом веществе до −2 в сульфиде или H₂S и до +4 в SO₂.

Оксид SO₂ содержит серу со степенью окисления +4, а SO₃ — со степенью +6. При избытке кислорода и подходящих условиях SO₂ окисляется: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Эти оксиды называют кислотными, потому что при взаимодействии с водой они образуют кислоты: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃, SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Связь оксида с соответствующей кислотой позволяет предсказать продукт реакции по формуле оксида.

H₂S в водном растворе — слабая кислота, а SO₂ — кислотный оксид, который растворяется в воде с образованием сернистой кислоты; это разные вещества, хотя оба содержат серу. Серная кислота H₂SO₄ — сильная кислота, и её раствор меняет окраску индикаторов и реагирует с основаниями. Реакции помогают различать соединения: например, SO₂ обесцвечивает подкисленный раствор перманганата калия, а сульфат-ионы дают белый осадок BaSO₄ при добавлении растворимой соли бария. Для распознавания важно учитывать не только наличие серы, но и формулу вещества и условия опыта.

Сера и важнейшие соединения серы

Используй таблицу, чтобы сравнить формулы и степени окисления: число в названии оксида указывает степень окисления серы. Затем сопоставляй свойства с характерной реакцией и проверяй, не перепутаны ли оксид, кислота и газ. Условия реакции тоже имеют значение, особенно для горения сероводорода.

Разбор задач

1. Сера реагирует с кислородом

Условие. Составьте уравнение реакции серы с кислородом и укажите степень окисления серы в продукте. Сера горит в кислороде, обычно образуя оксид серы(IV). Нужно записать формулы реагентов и продукта, затем проверить атомы и определить степень окисления.

1. Записываем формулы: S и O₂ — реагенты, SO₂ — продукт.
2. Проверяем число атомов: слева один атом S и два атома O, справа также один S и два O, поэтому коэффициенты равны 1.
3. В SO₂ кислород имеет степень окисления −2. Два атома кислорода дают суммарно −4, значит сера имеет +4, чтобы сумма степеней окисления была равна нулю.

Ответ. S + O₂ → SO₂; степень окисления серы в продукте +4. Сера окисляется: её степень окисления повышается с 0 до +4.

2. Сероводород реагирует с кислородом при его недостатке

Условие. Составьте уравнение реакции H₂S с кислородом при недостатке кислорода и укажите возможные продукты. При ограниченном количестве O₂ сероводород может окислиться до свободной серы, а при большем количестве кислорода окисление может продолжиться до SO₂. Поэтому условие задачи нельзя игнорировать: оно влияет на продукт.

1. Для недостатка кислорода выбираем продукты S и H₂O: H₂S + O₂ → S + H₂O.
2. Уравниваем водород: ставим 2 перед H₂S и 2 перед H₂O. Теперь слева два атома серы, поэтому ставим 2 перед S.
3. В правой части два атома кислорода, значит слева достаточно одной молекулы O₂. Получаем 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O.
4. Если кислорода достаточно для дальнейшего окисления, возможна реакция 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O. Здесь продуктом серы становится оксид серы(IV).

Ответ. При недостатке кислорода: 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O. При дальнейшем окислении и достаточном количестве кислорода возможно образование SO₂ по уравнению 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O.

3. Превращение S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄

Условие. Предложите последовательность превращений серы в серную кислоту и уравняйте реакции. Здесь нужно сначала получить кислотный оксид SO₂, затем окислить его до SO₃, а после соединить SO₃ с водой. В первых двух этапах меняется степень окисления серы, а на последнем образуется кислота.

1. Сжигаем серу в кислороде: S + O₂ → SO₂. Атомы уже уравнены; степень окисления S меняется с 0 на +4.
2. Окисляем SO₂ кислородом: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Проверка показывает, что с обеих сторон по два атома S и шесть атомов O; сера переходит от +4 к +6.
3. Добавляем воду к оксиду серы(VI): SO₃ + H₂O → H₂SO₄. В формуле продукта четыре атома O и два атома H, как и суммарно в реагентах, поэтому коэффициенты равны 1.
4. Проверяем всю цепочку: для каждого этапа указан нужный реагент, а число атомов каждого элемента сохраняется. В промышленности окисление SO₂ проводят при специальных условиях.

Ответ. S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Это окисление серы, затем окисление SO₂ и взаимодействие кислотного оксида с водой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что сера всегда имеет степень окисления −2. Это значение подходит, например, для H₂S и многих сульфидов, но не для соединений с кислородом. Ошибку допускают, перенося свойство одного вещества на все соединения элемента. Проверь себя по формуле: в SO₂ сера имеет +4, а в SO₃ — +6, если кислород принять за −2.

Ошибка: путать SO₂ и SO₃. В формулах различается число атомов кислорода, а степень окисления серы составляет соответственно +4 и +6. Эти оксиды не взаимозаменяемы и при реакции с водой дают разные кислоты. Для проверки рассчитай сумму степеней окисления в нейтральной молекуле.

Ошибка: называть SO₂ кислотой. Иногда вещество принимают за кислоту, потому что оно образует её при растворении в воде. Но SO₂ — кислотный оксид, а образующаяся из него сернистая кислота имеет формулу H₂SO₃. Проверяй класс вещества по формуле и отличай исходный оксид от продукта его реакции с водой.

Ошибка: считать серную кислоту безопасной из-за того, что она жидкая. Внешний вид не говорит о безопасности: концентрированная H₂SO₄ едкая и вызывает тяжёлые повреждения. Такое заблуждение возникает, когда опасность связывают только с газами или твёрдыми веществами. Проверяй правила работы с реактивами и не трогай кислоту; при разбавлении кислоту добавляют в воду, а не наоборот.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодическом законе, валентности и степенях окисления: они помогают объяснять формулы соединений серы. Сера образует кислотные оксиды, кислоты и соли, поэтому тема связана с основными классами неорганических веществ. Изменение степеней окисления в реакциях показывает связь с окислительно-восстановительными процессами. Эти знания пригодятся при изучении производства серной кислоты, реакций металлов и экологических последствий выбросов SO₂.

Что запомнить

• Сера — неметалл 16-й группы, способный проявлять степени окисления −2, +4 и +6.
• Ромбическая, моноклинная и пластическая сера — аллотропные формы одного элемента.
• При горении серы в кислороде обычно образуется SO₂.
• SO₂ и SO₃ — кислотные оксиды серы.
• Сероводород H₂S — токсичный газ и слабая кислота.
• Серная кислота H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота.