§ 27. Соединения серы

Определения и обозначения

Оксид серы(IV) — бинарное соединение серы и кислорода с формулой SO₂; степень окисления серы в нём равна +4. Это бесцветный газ с резким запахом, растворимый в воде и проявляющий свойства кислотного оксида. Формула помогает отличать его от оксида с большей степенью окисления и правильно предсказывать реакции.

Оксид серы(VI) — соединение серы с кислородом SO₃, в котором сера имеет степень окисления +6. Это кислотный оксид, образующий серную кислоту при взаимодействии с водой. Знание степени окисления позволяет установить, какая кислота соответствует оксиду.

Сернистая кислота имеет формулу H₂SO₃ и образуется при растворении SO₂ в воде: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Степень окисления серы в ней +4, как и в SO₂. Кислота неустойчива и существует в растворе в равновесии с исходными веществами, поэтому её формула нужна прежде всего для записи реакций.

Серная кислота — H₂SO₄, сильная двухосновная кислота со степенью окисления серы +6. Чистая кислота — бесцветная вязкая жидкость; при смешивании с водой выделяется много теплоты. Её свойства и способность образовывать сульфаты важны для химических расчётов и промышленности.

Как это устроено

Кислород в обычных оксидах имеет степень окисления −2, поэтому в SO₂ на два атома кислорода приходится суммарно −4, а сера имеет +4. В SO₃ три атома кислорода дают −6, значит, сера имеет +6. Изменение степени окисления отражается и на формулах кислот: SO₂ соотносится с H₂SO₃, а SO₃ — с H₂SO₄.

SO₂ и SO₃ называют кислотными оксидами не просто из-за наличия кислорода: их химические реакции соответствуют поведению кислот. При присоединении воды возникают кислоты, а при взаимодействии с основаниями и основными оксидами — соли. У SO₂ степень окисления серы остаётся +4 в H₂SO₃, у SO₃ остаётся +6 в H₂SO₄, поэтому в этих реакциях не происходит изменения степени окисления.

Сернистая кислота неустойчива, потому что может распадаться на воду и газообразный SO₂: H₂SO₃ ⇄ SO₂↑ + H₂O. В растворе устанавливается равновесие: часть растворённого газа связана в виде кислоты, а часть присутствует как SO₂. Если газ удаляется из раствора, равновесие смещается и образуется новая порция SO₂; этим объясняется, почему чистую H₂SO₃ нельзя сохранить.

Серная кислота устойчивее сернистой и значительно сильнее как кислота: в водном растворе она хорошо отдаёт ионы водорода. Обе кислоты содержат два атома водорода, которые могут замещаться металлом, поэтому их называют двухосновными. Но свойства серной кислоты зависят от концентрации: разбавленный раствор проявляет обычные свойства кислоты, а концентрированная жидкость дополнительно отнимает воду и окисляет некоторые вещества.

Разбавленная H₂SO₄ реагирует с активными металлами с выделением водорода, с основными оксидами и основаниями — с образованием соли и воды. С солями реакция идёт, если появляется осадок, газ или слабый электролит; например, с BaCl₂ образуется осадок BaSO₄. Концентрированная кислота окисляет многие металлы, поэтому вместо H₂ могут образоваться, например, SO₂, вода и соль; конкретный результат зависит от металла и условий.

Основные соединения серы и их свойства

В таблице собраны формулы, получение и наиболее показательные свойства соединений. Знак ⇄ указывает на обратимость реакции, а стрелка вниз — на выпадение осадка. Сопоставляйте степень окисления серы с формулой кислоты, чтобы не путать сернистые соединения с серными.

Разбор задач

Задача 1. Определите степень окисления серы в SO₂, SO₃, H₂SO₃ и H₂SO₄ и распределите вещества по классам. Решение:

1. В оксидах кислород имеет −2. Для SO₂ сумма степеней окисления равна нулю: x + 2 · (−2) = 0, поэтому x = +4. Для SO₃ получаем x + 3 · (−2) = 0, значит, x = +6.
2. В кислотах водород имеет +1, кислород −2. Для H₂SO₃: 2 · (+1) + x + 3 · (−2) = 0, откуда x = +4. Для H₂SO₄: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0, откуда x = +6.
3. SO₂ и SO₃ — кислотные оксиды, H₂SO₃ и H₂SO₄ — кислоты. Проверка: в каждом нейтральном веществе сумма степеней окисления равна нулю.

Ответ: значения серы соответственно +4, +6, +4 и +6; первые два вещества — оксиды, последние два — кислоты.

Задача 2. Запишите превращения S → SO₂ → H₂SO₃ и S → SO₃ → H₂SO₄, укажите типы реакций. Решение:

1. При горении серы в кислороде образуется SO₂: S + O₂ → SO₂. Это реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция, так как сера меняет степень окисления с 0 на +4.
2. При растворении SO₂ в воде устанавливается равновесие: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Это реакция соединения; степень окисления серы не меняется.
3. Для второй цепочки сначала окисляем SO₂: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃. Затем записываем гидратацию: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. В первом уравнении сера переходит от +4 к +6, а во втором степень окисления сохраняется.

Ответ: уравнения цепочки — S + O₂ → SO₂; SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃; 2SO₂ + O₂ → 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Задача 3. Найдите массу H₂SO₄ для нейтрализации 0,20 моль NaOH и массу образующейся соли. Решение:

1. Записываем уравнение: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Коэффициенты показывают, что на 2 моль NaOH расходуется 1 моль кислоты и образуется 1 моль Na₂SO₄.
2. Находим количество кислоты: n(H₂SO₄) = 0,20 / 2 = 0,10 моль. Молярная масса H₂SO₄ равна 98 г/моль, поэтому m = 0,10 · 98 = 9,8 г.
3. По уравнению n(Na₂SO₄) = 0,10 моль. Молярная масса Na₂SO₄ равна 142 г/моль, значит, масса соли составляет 0,10 · 142 = 14,2 г.

Ответ: требуется 9,8 г H₂SO₄, образуется 14,2 г Na₂SO₄. Проверяйте, что количество вещества кислоты вычислено с учётом коэффициента 2 перед NaOH.

Типичные ошибки

Формулы H₂SO₃ и H₂SO₄ путают из-за похожих названий. Суффикс «-истая» относится к сернистой кислоте, а «-ная» — к серной; также помогает проверка степени окисления: +4 или +6. Перед записью реакции сверьте формулу кислоты с исходным оксидом.

Иногда SO₂ с водой ошибочно превращают в H₂SO₄. Но при таком взаимодействии степень окисления серы не меняется, поэтому продуктом будет H₂SO₃; для образования SO₃ и H₂SO₄ требуется окисление серы до +6. Проверить себя можно, сравнив формулы и степень окисления до и после реакции.

Неверно считать, что любая реакция серной кислоты с металлом выделяет водород. Это характерно для разбавленной кислоты и активных металлов, тогда как концентрированная кислота выступает окислителем. Уточняйте концентрацию и положение металла в ряду активности, прежде чем выбирать продукты.

При составлении уравнений нейтрализации забывают, что H₂SO₄ — двухосновная кислота: для полной нейтрализации одному её молю нужны два моля щёлочи с одной группой OH. В реакциях с солями также нельзя игнорировать растворимость продуктов: осадок BaSO₄ образуется при наличии сульфат-иона и растворимых ионов бария. Проверьте число атомов и заряд ионов, а затем убедитесь, что образование осадка делает реакцию возможной.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в соединениях серы, нужно уметь находить степени окисления, различать оксиды и кислоты, составлять формулы и уравнивать реакции. Эта тема продолжает изучение серы и сульфидов и помогает понять свойства солей и окислительно-восстановительные превращения. Она также связана с промышленным получением серной кислоты. Знание её реакций пригодится при расчётах и при изучении электролитической диссоциации.

Что запомнить

• SO₂ — кислотный оксид серы(IV), а SO₃ — кислотный оксид серы(VI).
• SO₂ с водой образует H₂SO₃, а SO₃ с водой — H₂SO₄.
• Сернистая кислота неустойчива и легко разлагается на SO₂ и воду.
• Серная кислота — сильная двухосновная кислота.
• Разбавленная серная кислота реагирует с активными металлами с выделением водорода.
• Концентрированная серная кислота обладает водоотнимающими и окислительными свойствами.
• Сульфат-ионы обнаруживают растворимыми солями бария по белому осадку BaSO₄.