§ 26. Сера

Определения и обозначения

Сера — химический элемент и простое вещество с символом S. Её атомный номер равен 16, поэтому в ядре 16 протонов, а в нейтральном атоме 16 электронов; элемент находится в 3-м периоде и 16-й группе. Эти сведения помогают определить строение атома и предсказать свойства серы.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Такие формы называют аллотропными модификациями. Понятие нужно, чтобы не принимать разные виды серы за разные элементы.

Ромбическая сера — наиболее устойчивая при обычных условиях аллотропная модификация серы. Она состоит из молекул S₈, расположенных в ромбической кристаллической решётке. Именно её обычно получают и хранят при комнатной температуре.

Моноклинная сера — аллотропная модификация, устойчивая при нагревании выше температуры перехода. Её молекулы также имеют состав S₈, но кристаллы устроены иначе. Поэтому меняются форма кристаллов и устойчивость вещества.

Как это устроено

Сера находится в 16-й группе и 3-м периоде, поэтому её атом имеет три энергетических уровня и шесть электронов на внешнем уровне. До завершения внешнего уровня ему не хватает двух электронов, что объясняет степень окисления −2 в сульфидах и H₂S. При взаимодействии с более электроотрицательными элементами сера может отдавать электроны и проявлять степени окисления +4 и +6.

Атомы серы объединяются в кольцевые молекулы S₈, потому что связи S—S достаточно устойчивы. В такой молекуле восемь атомов образуют замкнутый неплоский цикл, а отдельные молекулы удерживаются в кристалле межмолекулярными силами. Разное расположение молекул и разная форма кристаллов приводят к аллотропии.

Ромбическая сера устойчивее моноклинной при комнатной температуре, потому что её кристаллическая решётка энергетически выгоднее в этих условиях. При нагревании примерно до 95,6 °C ромбическая форма переходит в моноклинную, образующую игольчатые кристаллы. Если расплавленную серу быстро охладить, возникают длинные цепи атомов и пластическая сера — тёмная, эластичная и неустойчивая форма.

Сера при обычных условиях является жёлтым твёрдым веществом. Она хрупкая, в воде практически не растворяется, но растворяется в некоторых органических растворителях, например в сероуглероде. Электрический ток сера почти не проводит, поскольку в ней нет свободных носителей заряда.

Сера может как принимать, так и отдавать электроны, поэтому проявляет двойственные окислительно-восстановительные свойства. В реакции с металлами и водородом она принимает электроны и является окислителем: S⁰ превращается в S⁻². В реакции с кислородом сера отдаёт электроны, повышая степень окисления от 0 до +4, поэтому становится восстановителем.

Аллотропные модификации серы

Сначала определяйте температуру и способ получения, а затем сравнивайте устойчивость формы. При комнатной температуре правильный ответ обычно связан с ромбической серой. Пластическую серу нельзя считать постоянной формой: со временем она возвращается к более устойчивому состоянию.

Разбор задач

Задача 1

Определим свойства серы в реакциях S + O₂ → SO₂ и Fe + S → FeS. Степень окисления простого вещества равна 0, поэтому сравним её с состоянием серы в каждом продукте. Изменение степени окисления покажет, отдаёт сера электроны или принимает их.

1. В SO₂ кислород имеет степень окисления −2, значит сера имеет +4: S⁰ → S⁺⁴.
2. Сера отдала электроны, поэтому в первой реакции она является восстановителем.
3. В FeS железо обычно имеет +2, значит сера имеет −2: S⁰ → S⁻².
4. Сера приняла электроны, поэтому во второй реакции она является окислителем.

Ответ: в реакции с кислородом сера — восстановитель, а в реакции с железом — окислитель.

Задача 2

Составим уравнения реакций серы с алюминием, водородом и кислородом. Сначала определим формулы бинарных соединений по типичным степеням окисления, затем уравняем число атомов. В школьных уравнениях простое вещество серу записывают как S, хотя её молекулярная форма — S₈.

1. Алюминий имеет степень окисления +3, сера −2, поэтому формула продукта Al₂S₃: 2Al + 3S → Al₂S₃, сульфид алюминия.
2. Водород имеет +1, сера −2, поэтому образуется H₂S: H₂ + S → H₂S, сероводород.
3. При горении серы в кислороде образуется SO₂: S + O₂ → SO₂, диоксид серы.

Ответ: получены сульфид алюминия Al₂S₃, сероводород H₂S и диоксид серы SO₂.

Задача 3

При сжигании 6,4 г серы образуется SO₂ по уравнению S + O₂ → SO₂. Найдём количество вещества серы, а затем используем соотношение 1:1 между S и SO₂. Для газа при нормальных условиях применим молярный объём 22,4 л/моль.

1. М(S) = 32 г/моль.
2. n(S) = m/M = 6,4/32 = 0,2 моль.
3. По уравнению реакции n(SO₂) = 0,2 моль.
4. V(SO₂) = n · Vₘ = 0,2 · 22,4 = 4,48 л.

Ответ: количество вещества SO₂ равно 0,2 моль, объём газа при нормальных условиях — 4,48 л.

Типичные ошибки

Ромбическую и моноклинную серу иногда считают разными элементами, хотя это формы одного S. Ошибка возникает из-за различий во внешнем виде и свойствах. Проверка: одинаковый символ и атомный номер означают один химический элемент, а разные структуры — аллотропию.

Формулу простого вещества серы записывают только как S, забывая о молекулярной форме S₈. Причина в том, что в уравнениях реакций используют условную запись атомного состава для удобного баланса. Проверяйте контекст: строение вещества — S₈, а уравнение обычно уравнивается записью S.

Серу путают в роли окислителя и восстановителя. В реакции с металлом она принимает электроны, а с кислородом отдаёт их. Проверка проста: если степень окисления повышается, сера восстановитель, если понижается — окислитель.

При горении серы вместо SO₂ иногда записывают SO₃. Непосредственный продукт горения — диоксид серы SO₂, тогда как SO₃ получают при дальнейшем окислении SO₂. Проверяйте число атомов кислорода и название продукта: «диоксид» означает два атома кислорода.

Связь с другими темами

Для понимания серы нужны знания о строении атома, периодическом законе, валентности, степенях окисления и составлении уравнений реакций. Тема продолжает изучение кислорода, водорода, оксидов и окислительно-восстановительных процессов. Позже эти сведения помогут разобраться в серной кислоте, сульфидах, производстве серной кислоты и экологическом воздействии SO₂.

Что запомнить

• Сера — неметалл с символом S и атомным номером 16.
• На внешнем энергетическом уровне атом серы имеет шесть электронов.
• Наиболее распространённые степени окисления серы: −2, +4 и +6.
• Основная молекулярная форма серы в простом веществе — S₈.
• При обычных условиях устойчива ромбическая сера.
• Сера реагирует с металлами, водородом и кислородом.
• При горении серы образуется диоксид серы SO₂ с резким запахом.