§ 18. Сероводород. Сульфиды

Определения и обозначения

Сероводород — вещество состава H₂S, молекула которого образована двумя атомами водорода и одним атомом серы. При обычных условиях это бесцветный токсичный газ. Формула помогает отличать отдельную молекулу H₂S от ионов, которые возникают при растворении вещества в воде. Сероводород встречается в природных газах и некоторых природных водах.

Сульфиды — бинарные соединения серы с металлами, а также с некоторыми другими элементами. Бинарными называют вещества, в составе которых два химических элемента; примеры сульфидов металлов — Na₂S, FeS, Al₂S₃. По зарядам частиц можно составить формулу и проверить, что суммарный заряд соединения равен нулю. Сульфиды важны также потому, что часть из них образует характерные осадки.

Сероводородная кислота — водный раствор H₂S. Её относят к слабым кислотам, поскольку в воде лишь небольшая часть молекул распадается на ионы. Кислота двухосновная: она может отдавать два иона водорода, причём процесс идёт в две ступени. Поэтому при взаимодействии с основаниями могут образоваться гидросульфиды или сульфиды.

Сульфид-ион — отрицательно заряженная частица S²⁻. Он входит в состав растворимых сульфидов, например Na₂S, и может участвовать в реакциях обмена. Если к раствору сульфида добавить подходящие катионы металла, иногда возникает малорастворимый осадок. Это свойство используют для обнаружения сульфид-ионов.

Как это устроено

Сера и водород соединяются в определённом соотношении: на один атом серы приходятся два атома водорода, поэтому формула вещества — H₂S. В молекуле атом серы связан с каждым атомом водорода, а связи удерживают атомы вместе. При обычных условиях сероводород остаётся газом, потому что между его молекулами действуют сравнительно слабые силы притяжения. Поэтому для перехода в жидкость его нужно охладить или сжать.

При растворении H₂S в воде часть молекул передаёт воде ионы водорода, образуя гидросульфид-ионы HS⁻. На следующей ступени HS⁻ может отдать ещё один ион водорода, и возникает S²⁻. Обе ступени обратимы и идут не полностью, поэтому сероводородная кислота слабая. Если кислоты недостаточно для полной нейтрализации, образуются гидросульфиды, а при полной нейтрализации — сульфиды.

В H₂S сера может отдавать электроны другим веществам, то есть выступать восстановителем. При окислении серы в молекуле меняется её степень окисления, а вещество-окислитель принимает электроны. Продукт реакции с кислородом зависит от его количества: при недостатке O₂ обычно образуются сера и вода, 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O. При избытке кислорода сера окисляется дальше, и образуются сернистый газ и вода: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O.

В лаборатории сероводород получают действием кислоты на сульфид металла. Например, соляная кислота вытесняет слабую летучую кислоту H₂S из сульфида железа(II): FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Газ ядовит, поэтому нельзя проводить такой опыт вне оборудованной лаборатории, вдыхать газ или проверять его запах. Необходимы вытяжной шкаф, защита и точное соблюдение указаний учителя.

Растворимый сульфид в воде даёт подвижные ионы, в том числе S²⁻, которые могут встретиться с катионами из добавленного раствора. Если образующееся соединение нерастворимо, оно выпадает в осадок; например, Pb²⁺ и S²⁻ дают PbS. Отсутствие осадка само по себе не доказывает, что сульфид-ионов нет: нужно выбрать подходящий реагент и учитывать растворимость продуктов. Для записи реакции сначала устанавливают формулы веществ, а затем сокращают одинаковые ионы по обе стороны уравнения.

Сероводород и сульфиды: состав и характерные свойства

Пользуйся таблицей, чтобы сначала различить молекулярное вещество H₂S и соли-сульфиды, а затем сравнить их поведение. При решении задач о реакциях проверяй растворимость веществ и учитывай условия окисления сероводорода. Цвет осадка может подсказать, что образовалось, но формулу продукта всё равно нужно подтвердить уравнением.

Разбор задач

Задача 1. Запишите формулу сульфида алюминия, используя заряды ионов Al³⁺ и S²⁻. Формула соли должна быть электронейтральной: положительный и отрицательный заряды в ней взаимно компенсируются. Поэтому недостаточно просто поставить символы рядом — нужно подобрать индексы. Проверим результат подсчётом суммарного заряда.

1. Записываем заряды частиц: Al³⁺ и S²⁻.
2. Наименьшее общее число, которое делится и на 3, и на 2, — 6. Берём два иона Al³⁺ с общим зарядом +6 и три иона S²⁻ с общим зарядом −6.
3. Индексы ставим после символов элементов; единицу не пишем. Получаем Al₂S₃.

Ответ: Al₂S₃. Проверка: 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0, значит формула электронейтральна.

Задача 2. Составьте уравнение получения сероводорода действием соляной кислоты на сульфид железа(II). Это реакция обмена: катион железа соединяется с хлорид-ионами, а водород с серой образует H₂S. Стрелка вверх показывает выделение газа. После записи формул нужно проверить число атомов каждого элемента.

1. Определяем формулы реагентов: FeS и HCl.
2. Записываем продукты обмена: FeCl₂ и H₂S. Формула FeCl₂ нужна потому, что заряд Fe²⁺ компенсируют два иона Cl⁻.
3. Уравниваем хлор и водород, поставив коэффициент 2 перед HCl.

Получаем FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Проверка: с каждой стороны по одному атому Fe и S, два атома H и два атома Cl.

Задача 3. К раствору сульфида натрия добавили раствор нитрата свинца(II). Нужно составить молекулярное и сокращённое ионное уравнения и указать наблюдаемый признак. Сначала определим, какая пара ионов образует нерастворимое соединение: Pb²⁺ с S²⁻ даёт PbS. Ионы натрия и нитрат-ионы остаются в растворе, поэтому в сокращённом уравнении их не будет.

1. Записываем формулы реагентов и продуктов: Na₂S + Pb(NO₃)₂ → PbS + NaNO₃.
2. Уравниваем натрий и нитрат-группы: Na₂S + Pb(NO₃)₂ → PbS↓ + 2NaNO₃.
3. Расписываем растворимые соли на ионы и сокращаем Na⁺ и NO₃⁻ по обе стороны.

Молекулярное уравнение: Na₂S + Pb(NO₃)₂ → PbS↓ + 2NaNO₃. Сокращённое ионное уравнение: Pb²⁺ + S²⁻ → PbS↓. Ответ: выпадает чёрный осадок сульфида свинца(II).

Типичные ошибки

Ошибка — называть сероводородную кислоту сильной. Её могут путать с распространёнными сильными кислотами или считать, что любое растворённое вещество полностью распадается на ионы. Проверка: вспомни, что H₂S диссоциирует только частично, поэтому это слабая двухосновная кислота.

Ошибка — считать нерастворимым любой сульфид. Так бывает, если ученик обобщает свойства знакомых осадков на все соли. Проверяй конкретное соединение по таблице растворимости: сульфид натрия растворим, а сульфид свинца(II) — нет.

Ошибка — путать формулы H₂S и S²⁻. В первой записана нейтральная молекула сероводорода, а во второй — ион с зарядом −2; различие можно проверить по индексам и заряду. Перед составлением уравнения уточни, обозначена ли молекула, растворённое вещество или частица в ионном виде.

Ошибка — ожидать при горении H₂S один и тот же продукт при любом количестве кислорода. Продукты меняются в зависимости от условий окисления: недостаток кислорода способствует образованию серы, избыток — SO₂. Проверяй себя, записывая реагенты и затем балансируя атомы в каждом возможном уравнении.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать реакции сероводорода и сульфидов, нужны знания о составе кислот, их взаимодействии с солями и правилах составления формул. Подбор индексов в Al₂S₃ опирается на умение учитывать заряды ионов. Окисление H₂S связывает тему с окислительно-восстановительными реакциями: при них меняются степени окисления и происходит передача электронов. Осадки сульфидов помогают применять таблицу растворимости и изучать качественные реакции на ионы.

Что запомнить

• Формула сероводорода — H₂S.
• Сероводород — токсичный газ; его нельзя пробовать на запах.
• В воде H₂S образует слабую сероводородную кислоту.
• Сероводород может проявлять восстановительные свойства.
• При реакции сульфида металла с кислотой часто выделяется H₂S.
• Многие нерастворимые сульфиды образуют характерные осадки.