"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Сера — неметалл VI группы, который образует разные простые вещества и соединения со степенями окисления −2, +4 и +6. Она встречается в природе и используется для производства серной кислоты, удобрений и других веществ. Чтобы разобраться в теме, нужно связать строение атома серы с её реакциями, различать сероводород и оксиды, а также понимать превращения SO₂ → SO₃ → H₂SO₄.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сера — химический элемент VI группы, или 16-й группы, третьего периода периодической системы; её символ — S. На внешнем уровне атома серы шесть электронов, поэтому в соединениях она может принимать электроны или участвовать в образовании связей с разным распределением электронов. Часто встречаются степени окисления −2, +4 и +6, и по ним удобно понимать состав соединений.
Аллотропия серы — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, отличающихся строением и свойствами. Ромбическая и моноклинная сера состоят из молекул S₈, но их кристаллы устроены по-разному; пластическая сера имеет цепочечное строение. Понятие помогает не путать разные формы серы с разными элементами.
Сероводород — летучее соединение серы с водородом H₂S, бесцветный газ с характерным запахом тухлых яиц. Он очень токсичен и в водном растворе проявляет слабые кислотные свойства. Формула и свойства позволяют отличить его от других соединений серы.
Серная кислота — сильная двухосновная кислота H₂SO₄, то есть кислота, способная отдавать два иона водорода H⁺. Она реагирует с основаниями и основными оксидами, а концентрированная кислота обладает также сильными обезвоживающими свойствами. Это одно из важнейших соединений серы: его широко применяют в промышленности, а получение связано с превращениями оксидов серы.
Сера расположена в VI группе, а значит, её атом имеет шесть электронов на внешнем уровне. Для заполнения внешнего уровня ему не хватает двух электронов, поэтому в H₂S сера получает степень окисления −2. При взаимодействии с кислородом, который сильнее притягивает общие электроны, сера может иметь положительные степени окисления +4 и +6; конкретное значение зависит от состава вещества.
Аллотропные формы возникают потому, что атомы одного элемента могут соединяться и располагаться в пространстве по-разному. Ромбическая сера устойчива при обычной температуре, а при нагревании примерно выше 96 °C постепенно переходит в моноклинную. При дальнейшем нагревании сера плавится, а при быстром охлаждении расплава длинные цепи атомов могут сохраниться в пластической форме; со временем она становится хрупкой и переходит в более устойчивые формы.
С металлами сера образует сульфиды: например, при нагревании железа с серой получается FeS, где сера имеет степень окисления −2. При реакции с водородом образуется H₂S, в котором она также имеет −2. В кислороде сера горит с образованием SO₂, где её степень окисления +4; значит, результат зависит от реагента и условий реакции.
H₂S проявляет восстановительные свойства, потому что сера в нём имеет низшую из распространённых степеней окисления −2 и может отдавать электроны, окисляясь. В SO₂ сера имеет промежуточную степень окисления +4, поэтому может как окислиться до +6, так и восстановиться до более низкой степени. Например, при взаимодействии с кислородом SO₂ превращается в SO₃, а в реакции с сильным окислителем сам может выступать восстановителем; в подходящих реакциях он способен проявлять и окислительные свойства.
При сжигании серы образуется SO₂, затем его окисляют кислородом до SO₃, а далее получают серную кислоту. В промышленности для окисления используют катализатор и контролируют температуру, поскольку превращение SO₂ в SO₃ обратимо. Чистый SO₃ не просто смешивают с водой в производственных условиях: поглощение проводят предусмотренным технологией способом. Серная кислота опасна и вызывает ожоги, поэтому при разбавлении её медленно вливают в воду, перемешивая, но никогда не льют воду в кислоту.
| Вещество | Формула | Степень окисления серы | Основные свойства | Характерная реакция или применение |
|---|---|---|---|---|
| Ромбическая сера | S₈ | 0 | Жёлтое твёрдое хрупкое вещество, устойчивое при обычной температуре | S + O₂ → SO₂; сырьё для получения серной кислоты |
| Сероводород | H₂S | −2 | Токсичный газ, слабая кислота в водном растворе, восстановитель | FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑ |
| Оксид серы(IV) | SO₂ | +4 | Кислотный оксид; может проявлять окислительные и восстановительные свойства | 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ |
| Оксид серы(VI) | SO₃ | +6 | Кислотный оксид, реагирует с водой | SO₃ + H₂O → H₂SO₄ |
| Серная кислота | H₂SO₄ | +6 | Сильная двухосновная кислота, концентрированная форма опасна | Используется в производстве удобрений и других веществ |
Сначала смотрите на формулу, чтобы определить степень окисления серы, затем сравнивайте физические и химические свойства веществ. Таблица также показывает последовательность превращений от SO₂ к серной кислоте. Стрелка вверх в уравнении обозначает выделение газа.
Составим уравнения и определим степень окисления серы в продуктах. При нагревании железо соединяется с серой, а при горении серы в кислороде обычно образуется оксид серы(IV). Сравнение продуктов показывает, что один и тот же элемент даёт соединения с разными степенями окисления.
Ответ: Fe + S → FeS, степень окисления серы −2; S + O₂ → SO₂, степень окисления серы +4.
Найдём объём H₂S, который образуется из 17,6 г FeS при избытке соляной кислоты. В качестве исходных данных здесь выбрана масса 17,6 г; кислоты достаточно, чтобы прореагировал весь сульфид. При нормальных условиях примем молярный объём газа Vₘ = 22,4 л/моль.
Ответ: образуется 4,48 л сероводорода при нормальных условиях. В реальных условиях сероводород нельзя получать и проверять по запаху: это токсичный газ.
Определим массу H₂SO₄, которую можно получить из 32 г серы, если выход продукта равен 80%. Выход показывает, какую часть от теоретически возможного количества составляет фактический продукт. Сначала проследим цепочку превращений, а затем учтём выход.
Ответ: при выходе 80% получится 78,4 г серной кислоты. Если в условии дана другая масса серы или другой выход, в расчёт подставляют эти значения, сохраняя соотношение 1:1 между S и H₂SO₄.
Считать аллотропные модификации разными элементами — неверно: это разные простые вещества одного элемента. Ошибку допускают, потому что формы серы имеют разный вид и свойства. Проверьте, что химический символ во всех случаях один и тот же — S.
Путать H₂S и H₂SO₄ из-за общей серы в составе легко, если смотреть только на название элемента. Но первая формула обозначает газообразный сероводород, а вторая — серную кислоту с совсем другими свойствами. Чтобы проверить себя, сравните формулы и физическое состояние вещества.
Приписывать сере только одну степень окисления нельзя: она зависит от конкретного соединения. Часто запоминают значение −2 из H₂S и переносят его на все вещества серы. Рассчитайте степень окисления по формуле: в SO₂ она +4, а в SO₃ и H₂SO₄ — +6.
Считать SO₂ только восстановителем — неточно, потому что в нём сера находится в промежуточной степени окисления +4. Она может повыситься до +6 или понизиться, если условия реакции этому способствуют. Перед выводом о роли SO₂ сравните степени окисления серы в исходном веществе и продукте.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и периодической системе: они помогают объяснить свойства серы и её степени окисления. Также понадобятся понятия валентности и умение составлять формулы веществ. Если эти основы знакомы, проще предсказывать состав сульфидов и оксидов.
В реакциях серы важно уметь составлять уравнения и расставлять коэффициенты, а в задачах — находить количество вещества по массе и использовать молярный объём газа. Эти навыки связывают качественные свойства веществ с количественными расчётами. Они пригодятся при решении задач на выход продукта и цепочки превращений.
Тема подготавливает к изучению кислот и окислительно-восстановительных реакций, а получение H₂SO₄ показывает связь химии с промышленностью. Оксиды серы могут влиять на окружающую среду и участвовать в образовании кислотных осадков. Поэтому свойства серы важны не только для лабораторных уравнений, но и для понимания производства и охраны природы.
Почему у серы есть несколько аллотропных модификаций?
Атомы серы могут соединяться друг с другом и образовывать структуры разного строения. Поэтому один и тот же элемент существует в виде ромбической, моноклинной и пластической серы, свойства которых различаются.
Чем сероводород отличается от серной кислоты?
Сероводород H₂S — токсичный газ со слабокислотными свойствами, а серная кислота H₂SO₄ — жидкость и сильная двухосновная кислота. В сероводороде сера имеет степень окисления −2, а в серной кислоте — +6.
Почему сероводород нельзя определять по запаху?
Сероводород ядовит, а при высокой концентрации он быстро притупляет обоняние. Поэтому запах не предупреждает об опасности надёжно, и специально вдыхать газ нельзя.
Какие степени окисления сера проявляет в своих соединениях?
Для школьного курса особенно важны степени окисления −2, +4 и +6. Например, сера имеет −2 в H₂S, +4 в SO₂ и +6 в SO₃ и H₂SO₄.
Как из серы получают серную кислоту?
Сначала серу сжигают в кислороде и получают SO₂. Затем его окисляют до SO₃, который соединяют с водой, получая H₂SO₄; промышленное производство требует соблюдения специальных условий.
§ 26. Сера и её соединения
