§ 35. Кислородсодержащие соединения серы

Определения и обозначения

Оксид серы(IV) SO₂ — соединение серы и кислорода, в котором сера имеет степень окисления +4. Это кислотный оксид: с водой он образует H₂SO₃, а с основаниями — соли. Формула показывает, что на один атом серы приходятся два атома кислорода.

Оксид серы(VI) SO₃ содержит серу со степенью окисления +6. Это кислотный оксид, соответствующий серной кислоте H₂SO₄. Поэтому SO₃ важен как промежуточное вещество при промышленном производстве серной кислоты.

Сернистая кислота H₂SO₃ образуется при растворении SO₂ в воде. Она нестойка и существует главным образом в водном растворе, постепенно разлагаясь на SO₂ и H₂O. Её соли называют сульфитами, например Na₂SO₃.

Серная кислота H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, способная отщеплять два иона водорода. Она образует сульфаты, реагирует с основаниями, основными оксидами и карбонатами, а концентрированная кислота ещё и окисляет некоторые вещества. H₂SO₄ широко применяют для получения удобрений, красителей, лекарств и других продуктов.

Как это устроено

Степень окисления показывает условный заряд атома в соединении. В оксидах кислород обычно имеет степень окисления −2, поэтому для SO₂ сумма степеней окисления равна 0: x + 2 · (−2) = 0, откуда x = +4. В SO₃ получается x + 3 · (−2) = 0, поэтому сера имеет степень окисления +6; различие в числе атомов кислорода определяет разные свойства соединений.

SO₂ получают горением серы: S + O₂ → SO₂. В промышленности его также получают обжигом сульфидов, например 2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂. Оксид называют кислотным, потому что он реагирует с водой с образованием кислоты, а с основаниями и основными оксидами — с образованием солей.

При дальнейшем окислении SO₂ превращается в SO₃: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃. В промышленном процессе реакцию проводят с катализатором, чтобы увеличить её скорость. В молекуле SO₃ сера уже имеет высшую для рассматриваемых соединений степень окисления +6, поэтому при соединении с водой образуется соответствующая кислота: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

H₂SO₃ неустойчива, потому что легко распадается на исходные вещества: H₂SO₃ → SO₂ + H₂O. Поэтому при удалении воды из раствора сернистая кислота не выделяется как обычное устойчивое вещество. При замене атомов водорода в ней атомами металла образуются сульфиты, например 2NaOH + SO₂ → Na₂SO₃ + H₂O.

Разбавленная H₂SO₄ проявляет свойства сильной кислоты: нейтрализует основания, реагирует с основными оксидами и карбонатами, а с активными металлами выделяет водород. Концентрированная кислота отличается тем, что отнимает воду и может окислять металлы и неметаллы, поэтому водород при таких реакциях обычно не выделяется. Концентрация меняет механизм реакции и продукты, а не сам состав H₂SO₄.

Сравнение кислородсодержащих соединений серы

Таблицу удобно читать по вертикали, если нужно сравнить одно свойство всех веществ. По горизонтали можно проследить путь от оксида к соответствующей кислоте и солям. Особое внимание обращайте на степень окисления серы и на различия между разбавленной и концентрированной H₂SO₄.

Разбор задач

Задача 1. Формулы оксидов серы

Составьте формулы оксидов, в которых сера имеет степени окисления +4 и +6. Затем назовите полученные вещества. Кислород в оксидах имеет степень окисления −2.

1. Для степени окисления серы +4 подбираем два атома кислорода: +4 + 2 · (−2) = 0. Получаем SO₂.
2. Для степени окисления +6 нужны три атома кислорода: +6 + 3 · (−2) = 0. Получаем SO₃.
3. По степени окисления называем соединения: оксид серы(IV) и оксид серы(VI).

Ответ: SO₂ — оксид серы(IV), SO₃ — оксид серы(VI). Индексы в формулах показывают, сколько атомов кислорода уравновешивают положительную степень окисления серы.

Задача 2. Объём SO₂ при горении серы

Сожгите 16 г серы в избытке кислорода и рассчитайте объём образовавшегося SO₂ при н. у. Молярная масса серы равна 32 г/моль, а молярный объём газа при н. у. — 22,4 л/моль. Сначала нужно связать массу серы с количеством вещества, а затем использовать уравнение реакции.

1. Записываем уравнение: S + O₂ → SO₂. Соотношение веществ S : SO₂ равно 1 : 1.
2. Находим количество серы: n(S) = m / M = 16 / 32 = 0,5 моль. Значит, образуется 0,5 моль SO₂.
3. Вычисляем объём газа: V(SO₂) = n · Vₘ = 0,5 · 22,4 = 11,2 л.

Ответ: образуется 11,2 л SO₂. Избыток кислорода не влияет на расчёт, потому что всё ограничивающее количество серы вступает в реакцию.

Задача 3. Цепочка превращений

Осуществите превращения S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → Na₂SO₄. Нужно записать отдельное уравнение для каждого перехода. Для последнего шага выберем реакцию серной кислоты с гидроксидом натрия.

1. S + O₂ → SO₂ — сера горит в кислороде.
2. 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ — SO₂ окисляется кислородом.
3. SO₃ + H₂O → H₂SO₄ — кислотный оксид соединяется с водой.
4. H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O — происходит нейтрализация кислоты основанием.

Ответ: цепочка строится через горение, окисление, взаимодействие кислотного оксида с водой и реакцию нейтрализации. Коэффициенты в каждом уравнении проверяют по числу атомов каждого элемента.

Типичные ошибки

Путают SO₂ и SO₃. Ошибка возникает из-за похожих формул и названий. Проверяйте индекс кислорода и степень окисления серы: +4 соответствует SO₂, а +6 — SO₃.

Считают H₂SO₃ устойчивым веществом. Так делают, потому что формулу кислоты записывают по аналогии с другими кислотами. Помните обратимое разложение H₂SO₃ → SO₂ + H₂O и связывайте эту кислоту прежде всего с водным раствором SO₂.

Называют SO₂ несолеобразующим оксидом. Такой вывод появляется при ошибочном запоминании вместо анализа реакций. Если оксид с водой даёт кислоту, а с основанием или основным оксидом — соль, это кислотный оксид.

Переносят свойства разбавленной H₂SO₄ на концентрированную. Причина ошибки — представление, что концентрация меняет только количество воды. Сверяйте условие реакции: концентрированная кислота может быть окислителем и водоотнимающим веществом, поэтому продукты отличаются.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны степени окисления, составление формул и уравнивание реакций. Также пригодятся свойства кислотных оксидов, кислот, оснований, основных оксидов и карбонатов.

Знания о соединениях серы объясняют процессы химической промышленности и окислительно-восстановительные реакции. Они помогают понять образование кислотных дождей, загрязнение атмосферы и круговорот серы в природе.

Что запомнить

• Сера образует кислородсодержащие соединения преимущественно со степенями окисления +4 и +6.
• SO₂ — кислотный оксид, соответствующий сернистой кислоте H₂SO₃.
• SO₃ — кислотный оксид, соответствующий серной кислоте H₂SO₄.
• H₂SO₃ неустойчива и существует главным образом в водном растворе.
• H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота.
• Разбавленная и концентрированная серная кислота обладают различными свойствами.
• Соли сернистой кислоты называются сульфитами, а соли серной кислоты — сульфатами.