"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Кислородные соединения серы — это оксид серы(IV) SO₂, оксид серы(VI) SO₃ и соответствующие им кислоты. Оба оксида являются кислотными: с водой они образуют кислоты, а с основаниями и основными оксидами — соли. SO₂ окисляется до SO₃, из которого получают серную кислоту. Нужно различать степени окисления серы, свойства разбавленной и концентрированной H₂SO₄, а также роль этих веществ в промышленности и загрязнении атмосферы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид серы(IV), SO₂ — кислотный оксид, в котором сера имеет степень окисления +4. Это означает, что атом серы условно отдал четыре электрона при образовании соединения. Формула нужна, чтобы отличать это вещество от SO₃ и правильно предсказывать его реакции.
Оксид серы(VI), SO₃ — кислотный оксид, в котором сера имеет степень окисления +6. Сера здесь находится в более высокой степени окисления, чем в SO₂. Поэтому SO₃ связан с дальнейшим окислением серы и образованием серной кислоты.
Сернистая кислота, H₂SO₃ — слабая неустойчивая кислота, существующая только в водном растворе. Она образуется при растворении SO₂ в воде и легко распадается обратно на оксид и воду. Знание её неустойчивости помогает не считать H₂SO₃ обычным выделяемым чистым веществом.
Серная кислота, H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, образующаяся при взаимодействии SO₃ с водой. Двухосновной её называют потому, что она может отдать два иона водорода. Это важнейший продукт переработки соединений серы и одно из основных веществ химической промышленности.
В SO₂ сера имеет степень окисления +4, а в SO₃ — +6, потому что в молекуле SO₃ на один атом серы приходится больше атомов кислорода. При переходе от +4 к +6 сера отдаёт ещё два электрона, то есть окисляется. Поэтому формулы оксидов отражают не случайное соотношение атомов, а разные ступени окисления одного элемента.
SO₂ и SO₃ называют кислотными оксидами, поскольку их химическое поведение связано с кислотами. С водой они дают кислоты, с основаниями образуют соли и воду, а с основными оксидами — соли без выделения воды. Например, SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O и SO₂ + CaO → CaSO₃.
При растворении SO₂ его молекулы присоединяют воду, поэтому возникает H₂SO₃: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Равновесная стрелка показывает, что процесс обратим, а кислота легко разлагается на исходные вещества. Для SO₃ гидратация энергетически более выгодна, поэтому записывают SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
Окисление SO₂ кислородом приводит к SO₃: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Реакция обратима и без ускорения идёт недостаточно быстро, поэтому в промышленности применяют катализатор и подходящую температуру. Полученный SO₃ используют для производства H₂SO₄, поэтому эта стадия является центральной в контактном способе получения серной кислоты.
Разбавленная серная кислота проявляет обычные свойства сильной кислоты: реагирует с основаниями, основными оксидами и некоторыми металлами. Концентрированная H₂SO₄ дополнительно окисляет вещества и отнимает воду из многих соединений, вызывая их обугливание. Поэтому одинаковая формула кислоты не означает одинаковый результат реакции: состав раствора и концентрация меняют её свойства.
В таблице удобно сначала сравнить степени окисления и физическое состояние веществ, а затем проследить связь между их реакциями и получением. Формулы с водой показывают, какая кислота соответствует каждому оксиду. Последний столбец помогает связать свойства веществ с их практическим применением и экологическим значением.
| Вещество и формула | Степень окисления серы | Физические свойства | Химические свойства | Получение | Применение и значение |
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид серы(IV), SO2 | +4 | Бесцветный газ с резким удушливым запахом. | Кислотный оксид; с водой образует H2SO3, с основаниями — сульфиты; окисляется до SO3. | Сжигание серы: S + O2 → SO2. | Промежуточное вещество для получения H2SO4; загрязнитель атмосферы. |
| Сернистая кислота, H2SO3 | +4 | Существует только в водном растворе; чистое вещество неустойчиво. | Слабая кислота; распадается на SO2 и H2O, образует соли. | Растворение SO2 в воде: SO2 + H2O ⇄ H2SO3. | Существует в растворах; её соли применяют в химических процессах. |
| Оксид серы(VI), SO3 | +6 | Бесцветное летучее вещество; реагирует с влагой воздуха. | Кислотный оксид; с водой образует H2SO4, с основаниями и основными оксидами — сульфаты. | Окисление SO2: 2SO2 + O2 ⇄ 2SO3. | Основной промежуточный продукт производства серной кислоты. |
| Серная кислота, H2SO4 | +6 | Бесцветная тяжёлая маслянистая жидкость; смешивается с водой с выделением тепла. | Сильная двухосновная кислота; концентрированная кислота также окисляет и отнимает воду. | Получают через стадии образования SO2, SO3 и их превращения в кислоту. | Производство удобрений, красителей, взрывчатых веществ и других продуктов. |
Условие: запишите уравнения реакций SO₂ с водой, раствором NaOH и оксидом CaO. Нужно определить продукты по общим свойствам кислотного оксида. В реакции с щёлочью предполагаем, что NaOH взят в достаточном количестве для образования средней соли.
Ответ: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃; SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O; SO₂ + CaO → CaSO₃. Проверка показывает, что число атомов каждого элемента совпадает в левой и правой частях.
Условие: осуществите превращения S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ и расставьте коэффициенты. Сначала нужно выбрать реагенты для каждой стрелки, а затем проверить баланс атомов. Вторая стадия является окислительно-восстановительной: кислород выступает окислителем.
Ответ: S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Коэффициент 2 во второй реакции нужен, чтобы одновременно уравнять атомы серы и кислорода.
Условие: из 16 г серы получают 98%-ную серную кислоту, если общий выход SO₂ и последующих реакций равен 80%. Найдём сначала теоретическое количество кислоты, затем учтём выход и массовую долю раствора. Молярные массы: M(S) = 32 г/моль, M(H₂SO₄) = 98 г/моль.
Ответ: можно получить 40 г 98%-ного раствора серной кислоты. Проверка: 98% от 40 г составляет 39,2 г чистой H₂SO₄, что совпадает с массой после учёта выхода.
Считают SO₂ и SO₃ основными оксидами, потому что видят в формулах кислород и не анализируют реакции. Но они взаимодействуют с основаниями и образуют кислоты с водой, поэтому являются кислотными. Проверка: найдите типичные продукты реакции оксида с NaOH или CaO.
Записывают H₂SO₃ как устойчивое чистое вещество, забывая о её неустойчивости. Сернистая кислота существует главным образом в растворе и распадается на SO₂ и воду. Проверить себя можно по обратимой записи SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃.
Путают степени окисления серы в SO₂ и SO₃, потому что не считают заряд кислорода. В SO₂ сера имеет +4, а в SO₃ — +6, поэтому второй оксид связан с окислением первого. Для проверки используйте условие: сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю.
Уравнивают реакцию с кислородом как SO₂ + O₂ → SO₃, хотя число атомов серы уже различается. Правильная запись — 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. После расстановки коэффициентов пересчитайте атомы каждого элемента с обеих сторон.
Для понимания темы нужны правила определения степеней окисления, сведения о составе и свойствах оксидов, кислот и оснований. Также понадобятся навыки составления и уравнивания химических реакций. Эти знания позволяют предсказывать продукты реакций, а не запоминать каждое уравнение отдельно.
Тема связана с изучением серной кислоты, окислительно-восстановительных реакций и промышленного производства веществ. Она помогает понять, как получают H₂SO₄ и почему условия производства влияют на выход продукта. Оксиды серы важны и для экологии: они участвуют в загрязнении атмосферы и образовании кислотных осадков.
Почему SO₂ считают кислотным оксидом?
SO₂ реагирует с водой с образованием сернистой кислоты, а с основаниями и основными оксидами образует соли. Такие свойства характерны для кислотных оксидов.
Почему сернистую кислоту нельзя выделить в чистом виде?
H₂SO₃ неустойчива и существует главным образом в водном растворе. При попытке выделить её она распадается на SO₂ и H₂O.
Чем отличаются SO₂ и SO₃ по степени окисления серы?
В SO₂ сера имеет степень окисления +4, а в SO₃ — +6. Поэтому SO₂ может окисляться кислородом до SO₃.
Почему реакция SO₂ с кислородом требует специальных условий?
Окисление SO₂ кислородом протекает обратимо и не очень быстро. Для промышленного процесса используют катализатор, повышенную температуру и избыток воздуха.
Чем разбавленная серная кислота отличается от концентрированной?
Разбавленная H₂SO₄ проявляет обычные свойства сильной кислоты и взаимодействует с активными металлами с выделением водорода. Концентрированная кислота является сильным окислителем и водоотнимающим веществом, поэтому её реакции часто идут иначе.
§ 15. Кислородные соединения серы
