§ 34. Сера. Сероводород и сульфиды

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, отличающихся строением и свойствами. У серы такими формами являются ромбическая и моноклинная сера. Термин помогает не считать эти вещества разными элементами.

Сероводород — газ состава H₂S, состоящий из водорода и серы. Он бесцветный, горючий, растворяется в воде и очень токсичен; его запах напоминает запах тухлых яиц. Формула H₂S нужна для понимания состава газа и расчёта уравнений реакций.

Сульфиды — бинарные соединения серы с металлами и некоторыми другими элементами. Примеры формул: FeS, CuS, Na₂S, ZnS. По формуле сульфида можно определить соотношение атомов и предсказать, образуется ли осадок в растворе.

Сульфид-ион — отрицательно заряженная частица S²⁻. В составе сульфидов она соединяется с положительно заряженными ионами металлов, а в растворе может образовывать малорастворимые осадки. Поэтому сульфид-ион используют для распознавания H₂S и растворимых сульфидов.

Как это устроено

Свободная сера встречается в природе, особенно в районах вулканической деятельности, а также входит в состав минералов и руд: пирита FeS₂, галенита PbS, цинковой обманки ZnS. Такое разнообразие связано со способностью атомов серы соединяться с металлами и неметаллами. В живых организмах сера входит в состав некоторых белков.

Сера находится в 16-й группе и 3-м периоде Периодической системы, поэтому на внешнем уровне у неё шесть электронов. Ей не хватает двух электронов до устойчивой оболочки, что объясняет степень окисления −2, например в H₂S и FeS. При отдаче электронов сера проявляет положительные степени окисления +4 и +6, как в SO₂ и H₂SO₄.

Аллотропные формы возникают потому, что одинаковые атомы могут по-разному располагаться в кристаллической решётке. Молекулы серы обычно имеют состав S₈, но их расположение в кристалле различается. Ромбическая сера устойчива при обычной температуре, моноклинная — примерно от 95,6 °C до температуры плавления около 119 °C.

С металлами сера реагирует при нагревании, потому что для разрушения исходных связей требуется энергия: Fe + S → FeS. В этой реакции железо изменяет степень окисления с 0 до +2, а сера — с 0 до −2, поэтому железо окисляется, а сера восстанавливается. С водородом при нагревании образуется H₂S: H₂ + S → H₂S; с кислородом сера окисляется до +4: S + O₂ → SO₂.

Сероводород в лаборатории получают действием кислоты на сульфид, например FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Газ растворяется в воде, поэтому его нельзя безопасно собирать над водой; кроме того, он немного тяжелее воздуха. При горении в избытке кислорода образуются SO₂ и вода: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O. Как восстановитель H₂S может восстанавливать, например, диоксид серы: 2H₂S + SO₂ → 3S + 2H₂O.

Сера, сероводород и сульфиды: состав и характерные свойства

В таблице сначала находят формулу и состав вещества, затем связывают их с физическими свойствами. Последний столбец помогает распознавать вещества по уравнению реакции или наблюдаемому признаку.

Особенно полезно сравнивать H₂S с сульфидами: сероводород является газом, а сульфиды — его соединениями с металлами или другими элементами. Растворимые сульфиды служат источником сульфид-ионов в качественных реакциях.

Разбор задач

Задача 1

Условие: Запишите уравнение реакции серы с железом и назовите образовавшееся вещество. Нужно определить состав продукта по зарядам и проверить число атомов в обеих частях уравнения.

1. Железо в данном соединении имеет степень окисления +2, а сера — −2, поэтому индексы взаимно сокращаются.
2. Формула продукта — FeS, его название — сульфид железа(II).
3. Записываем реакцию и проверяем коэффициенты: Fe + S → FeS; атомов каждого элемента поровну.

Ответ: Fe + S → FeS; образуется сульфид железа(II).

Задача 2

Условие: Получите сероводород из сульфида железа(II) и соляной кислоты. При реакции кислота вытесняет слабую летучую кислоту — сероводород — из её соли.

1. Записываем исходные вещества: FeS и HCl, а среди продуктов ожидаем FeCl₂ и H₂S↑.
2. В FeCl₂ нужны два атома хлора, поэтому перед HCl ставим коэффициент 2.
3. Проверяем водород и получаем уравнение: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑.

Ответ: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑.

Задача 3

Условие: Через раствор сульфата меди(II) пропустили сероводород. Нужно определить продукт реакции и признак её протекания.

1. Сульфид-ион из H₂S соединяется с ионом Cu²⁺, образуя малорастворимый CuS.
2. Оставшиеся ионы H⁺ и SO₄²⁻ образуют серную кислоту.
3. Записываем и проверяем уравнение: H₂S + CuSO₄ → CuS↓ + H₂SO₄.

Ответ: выпадает чёрный осадок CuS; H₂S + CuSO₄ → CuS↓ + H₂SO₄.

Типичные ошибки

Ромбическую и моноклинную серу иногда принимают за разные элементы. Ошибка возникает из-за различий в цвете, форме кристаллов и устойчивости, но состав обеих форм связан с одним элементом S. Проверка проста: это аллотропные видоизменения серы, а не разные химические элементы.

Сероводород путают с серной кислотой или сульфидами. H₂S — газ, H₂SO₄ — кислота, а FeS и CuS — сульфиды металлов. Проверяйте себя по формуле и агрегатному состоянию вещества.

Сероводород иногда предлагают собирать над водой, как газ, плохо растворимый в воде. Но H₂S растворяется в воде, поэтому часть газа потеряется, а раствор станет опасным. Правильный способ — вытеснение воздуха с соблюдением мер безопасности.

Нельзя проверять наличие H₂S по запаху. Ядовитый газ опасен, а при длительном воздействии он снижает чувствительность обоняния. Используйте реакцию с солью металла: образование характерного осадка безопаснее и надёжнее при выполнении опыта в лаборатории.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и положении элементов в Периодической системе. Они помогают объяснить валентность, степени окисления серы и состав формул.

Также понадобятся правила составления уравнений, сведения о кислотах, солях и классах неорганических веществ. Реакции сульфидов показывают, как обменные реакции приводят к образованию газа или осадка.

Тема подготавливает к изучению окислительно-восстановительных процессов и качественных реакций на ионы. Она связана и с круговоротом серы в природе, где переходят друг в друга простое вещество и соединения серы.

Что запомнить

• Сера — неметалл и образует несколько аллотропных видоизменений.
• При обычных условиях наиболее устойчива ромбическая сера.
• Сера реагирует с металлами с образованием сульфидов.
• Сероводород имеет формулу H₂S и является ядовитым газом.
• Сероводород можно получить действием кислоты на некоторые сульфиды.
• При горении сероводорода образуются вода и оксид серы(IV).
• Образование осадка сульфида металла может служить признаком присутствия сульфид-ионов.