§ 27. Соединения серы

Определения и обозначения

Сероводород — соединение водорода с серой состава H₂S, его название отражает состав вещества. Это бесцветный ядовитый газ с неприятным запахом, однако проверять запахом неизвестное вещество нельзя. Сероводород опасен даже при вдыхании небольших количеств.

Сульфиды — бинарные соединения серы с металлами, например Na₂S и FeS; бинарными называют вещества из двух химических элементов. Некоторые сульфиды можно распознать по характерной окраске осадка или по выделению H₂S при реакции с кислотой. Такие признаки помогают отличать вещества, но сами опыты с токсичным газом требуют лабораторной вытяжки и соблюдения правил безопасности.

Оксид серы(IV) имеет формулу SO₂, а оксид серы(VI) — SO₃. Римские цифры указывают степень окисления серы: соответственно +4 и +6. По формуле можно понять, сколько атомов кислорода связано с серой, а по степени окисления — сравнивать состав и химические свойства оксидов.

Сернистая кислота H₂SO₃ соответствует оксиду SO₂, а серная кислота H₂SO₄ — оксиду SO₃. Соответствие видно по реакциям оксидов с водой: SO₂ + H₂O → H₂SO₃, SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Эта связь помогает предсказывать продукты реакций кислотных оксидов.

Как это устроено

Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении и помогает правильно составлять формулы. В нейтральной молекуле сумма степеней окисления равна нулю: например, в H₂S два атома водорода дают суммарно +2, значит, у серы −2. В SO₂ кислород имеет −2, поэтому сера — +4, а в H₂SO₄ расчёт даёт +6. Чем выше степень окисления серы, тем меньше возможностей отдать электроны и тем иные окислительно-восстановительные свойства.

Сероводород образуется, например, при взаимодействии некоторых сульфидов с кислотами: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. В H₂S сера имеет низкую степень окисления −2 и может отдавать электроны, переходя в более высокую степень; поэтому сероводород проявляет восстановительные свойства. В таких реакциях окислителем становится вещество, которое принимает электроны. Газ токсичен, поэтому получение и изучение его свойств допустимы только при специальных мерах защиты.

SO₂ — кислотный оксид, потому что с водой он образует кислоту: SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃. При реакции с щёлочью кислый оксид нейтрализуется: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O. Образуется сульфит натрия, соль сернистой кислоты. Соотношение реагентов влияет на состав продукта: при избытке SO₂ возможно образование NaHSO₃.

При окислении SO₂ кислородом сера меняет степень окисления с +4 на +6: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. Реакция обратимая, а в промышленности её ускоряют катализатором и проводят при подходящих условиях. Полученный SO₃ — кислотный оксид, соответствующий серной кислоте. С водой он реагирует с образованием H₂SO₄: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

Тип вещества подсказывает ожидаемые реакции. Сульфид металла может вступить в реакцию обмена с кислотой, если образуется газ H₂S; кислотный оксид реагирует с водой или основанием; кислота взаимодействует с основаниями и основными оксидами. Однако для точного ответа нужно учитывать растворимость веществ и возможность образования газа, осадка или воды. Такая проверка помогает не записывать реакцию только по внешнему сходству формул.

Основные соединения серы и их свойства

Сравнивайте вещества сначала по классу и степени окисления серы, затем по характерным реакциям. Строка о воде показывает, какую кислоту образует каждый кислотный оксид, а строка о качественных признаках помогает отличать вещества безопасными лабораторными способами. Таблица не заменяет уравнения реакций: условия и соотношение реагентов тоже могут влиять на продукты.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы сульфида алюминия, сульфида натрия и сульфида железа(III), используя степени окисления элементов. Нужно подобрать индексы так, чтобы суммарный заряд каждого вещества был равен нулю. У серы в сульфидах степень окисления обычно −2; алюминий имеет +3, натрий +1, железо(III) +3.

1. Для алюминия и серы наименьшее общее кратное чисел 3 и 2 равно 6. Поэтому берём два атома Al (+6) и три атома S (−6): Al₂S₃.
2. У натрия заряд +1, у серы −2. Два атома Na уравновешивают один атом S: Na₂S.
3. В сульфиде железа(III) Fe имеет +3, а S — −2. Для суммы ноль нужны два атома Fe и три атома S: Fe₂S₃.
4. Проверяем электронейтральность: 2·(+3) + 3·(−2) = 0; 2·(+1) + (−2) = 0. Значит, индексы выбраны правильно.

Ответ: Al₂S₃, Na₂S, Fe₂S₃. Задача 2. Запишите реакции SO₂ с водой, раствором NaOH и кислородом и определите их тип. Сначала учитываем, что SO₂ — кислотный оксид, затем подбираем продукты и проверяем число атомов в левой и правой частях.

1. С водой кислотный оксид образует соответствующую кислоту: SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃. Это реакция соединения; стрелка в обе стороны показывает обратимость.
2. С щёлочью образуются соль и вода: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O. Это реакция обмена и нейтрализации кислотного оксида основанием.
3. С кислородом SO₂ окисляется до SO₃: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. Это реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция: степень окисления серы повышается с +4 до +6.

Ответ: уравнения показывают образование кислоты, сульфита и оксида SO₃ соответственно. Задача 3. Найдите объём SO₂ при н. у., необходимый для получения 9,8 г H₂SO₄. Считаем, что превращения идут по цепочке 2SO₂ + O₂ → 2SO₃, затем SO₃ + H₂O → H₂SO₄, а выход продукта равен 100%.

1. Находим количество кислоты: M(H₂SO₄) = 98 г/моль, n = m/M = 9,8/98 = 0,1 моль.
2. По уравнению SO₃ + H₂O → H₂SO₄ соотношение SO₃ и H₂SO₄ равно 1:1. По уравнению 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ соотношение SO₂ и SO₃ тоже 1:1. Значит, нужно 0,1 моль SO₂.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Поэтому V(SO₂) = n·22,4 = 0,1·22,4 = 2,24 л.

Ответ: для получения 9,8 г H₂SO₄ теоретически требуется 2,24 л SO₂ при н. у. Если выход реакции меньше 100%, исходного газа понадобится больше.

Типичные ошибки

Путают SO₂ и SO₃, потому что обе формулы относятся к оксидам серы. Но в SO₂ степень окисления серы +4, а в SO₃ — +6; поэтому у них разные соответствующие кислоты. Проверяйте число атомов кислорода и рассчитывайте степень окисления по формуле.

Называют сульфид кислотой или солью кислорода, хотя сульфид — соединение серы с металлом без кислорода. Путаница возникает из-за сходства названий «сульфид» и «сульфат». Чтобы проверить себя, посмотрите на состав: в сульфате есть группа SO₄, а в сульфиде кислорода нет.

Записывают, что SO₂ с водой образует H₂SO₄. Вероятно, вспоминают конечный продукт промышленного получения серной кислоты и пропускают промежуточную стадию. Проверяйте соответствие: SO₂ даёт H₂SO₃, а H₂SO₄ образуется из SO₃ при его взаимодействии с водой.

Забывают, что H₂S и SO₂ токсичны, и считают допустимым определять вещество по запаху. Это опасно: обоняние не позволяет оценить концентрацию газа и может быстро притупиться. Не нюхайте вещества и не проводите опыты с токсичными газами вне специально оборудованной лаборатории.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно уметь находить степени окисления, составлять формулы бинарных соединений и различать классы неорганических веществ. Эти навыки позволяют понять, почему формулы сульфидов содержат разные индексы и как устроены оксиды серы. Также пригодятся знания о кислотных оксидах и уравнениях реакций соединения, обмена и окисления.

Соединения серы встречаются при изучении окислительно-восстановительных реакций и промышленного производства серной кислоты. Серная кислота используется при получении удобрений, поэтому тема связана и с химией сельского хозяйства. Токсичность SO₂ и его попадание в атмосферу помогают объяснить экологические проблемы, связанные с загрязнением воздуха.

Что запомнить

• Сера образует соединения с разными степенями окисления, поэтому их свойства различаются.
• H₂S — токсичный газ с неприятным запахом; его нельзя вдыхать.
• Сульфиды — соединения серы с металлами.
• SO₂ — кислотный оксид, соответствующий сернистой кислоте.
• SO₃ — кислотный оксид, соответствующий серной кислоте.
• Серная кислота H₂SO₄ — важнейшая промышленная кислота.
• При работе с соединениями серы необходимо соблюдать правила обращения с токсичными веществами.