"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Кислородсодержащие соединения серы(IV) — это вещества, в которых сера имеет степень окисления +4. К ним относятся оксид SO₂, сернистая кислота H₂SO₃, сульфиты и гидросульфиты. Сернистый газ получают сжиганием серы и обжигом руд; он важен для промышленности, но загрязняет воздух. Чтобы разобраться в теме, нужно понять, как SO₂ превращается в кислоту и соли и почему соединения серы(IV) часто выступают восстановителями.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид серы(IV) — соединение серы с кислородом состава SO₂, в котором один атом серы связан с двумя атомами кислорода. Поскольку кислород обычно имеет степень окисления −2, сера в SO₂ имеет степень окисления +4. SO₂ относят к кислотным оксидам: этот класс веществ образует кислоты с водой и соли при взаимодействии с основаниями.
Сернистая кислота имеет формулу H₂SO₃. Она существует главным образом в водном растворе, а не как устойчивое чистое вещество. Кислота нестойкая: может разлагаться на воду и SO₂. Это объясняет, почему реакции с её участием часто записывают как реакции раствора сернистого газа.
Сульфиты — соли сернистой кислоты, содержащие ион SO₃²⁻. Например, Na₂SO₃ называется сульфитом натрия, а CaSO₃ — сульфитом кальция. Название и формула помогают увидеть, что в соли нет атома водорода в кислотном остатке, то есть это средняя соль.
Кислородсодержащие соединения серы(IV) — это SO₂, H₂SO₃ и соли сернистой кислоты: сульфиты и гидросульфиты. В каждом из них сера сохраняет степень окисления +4. Это обозначение позволяет сравнивать вещества и предсказывать окислительно-восстановительные реакции, в которых сера может перейти в степень окисления +6.
В нейтральном веществе сумма степеней окисления всех атомов равна нулю. В SO₂ два атома кислорода дают суммарно −4, значит, на серу приходится +4: x + 2 · (−2) = 0. Оксид относят к кислотным не только по составу, а по химическому поведению: он образует кислоту с водой и соли при реакциях с основаниями и основными оксидами. Поэтому SO₂ — солеобразующий кислотный оксид.
Сернистый газ получают при сжигании серы в кислороде: S + O₂ → SO₂. Его также получают при обжиге сульфидных руд на воздухе; например, для пирита реакция записывается так: 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂. При обжиге кислород воздуха окисляет серу в руде, и сернистый газ выделяется как продукт. Оба способа используют для получения SO₂, но выбросы от обжига требуют очистки.
Когда SO₂ растворяется в воде, часть его молекул взаимодействует с водой и образует H₂SO₃: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Обратимая стрелка показывает, что процесс может идти в обе стороны. Сернистая кислота нестойка, поэтому легко разлагается обратно: H₂SO₃ ⇄ SO₂ + H₂O. Этим объясняется её существование преимущественно в растворе, а не в виде устойчивого чистого вещества.
SO₂ и H₂SO₃ реагируют со щёлочами и основными оксидами, образуя соли. При достаточном количестве щёлочи получается средняя соль: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O; с основным оксидом примером служит SO₂ + CaO → CaSO₃. Если щёлочи недостаточно, образуется кислая соль — гидросульфит: SO₂ + NaOH → NaHSO₃. Значит, продукт определяется соотношением реагентов, а не одним только названием исходного оксида.
В соединениях серы(IV) сера может отдавать электроны и повышать степень окисления с +4 до +6, поэтому такие вещества часто проявляют восстановительные свойства. Например, SO₂ обесцвечивает раствор хлора, окисляясь до серной кислоты: SO₂ + Cl₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HCl. Сера меняет степень окисления с +4 на +6, а хлор — с 0 на −1, то есть восстанавливается. Способность SO₂ связывать окислители используют, в частности, при отбеливании некоторых материалов и в химических процессах; применяют его с учётом токсичности газа.
| Вещество | Формула | Класс соединений | Получение | Химические свойства | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Оксид серы(IV) | SO₂ | Кислотный оксид | Сжигание серы; обжиг сульфидов | Образует H₂SO₃ с водой, соли с основаниями; проявляет восстановительные свойства | Получение серной кислоты, отбеливание, химическое производство |
| Сернистая кислота | H₂SO₃ | Нестойкая кислота | Растворение SO₂ в воде | Образует сульфиты и гидросульфиты; разлагается на SO₂ и воду | Растворы применяют в химических процессах |
| Сульфиты | Например, Na₂SO₃ | Средние соли | Полная нейтрализация кислоты или SO₂ щёлочью | Взаимодействуют с кислотами; могут окисляться до сульфатов | Консервация и химическая промышленность |
| Гидросульфиты | Например, NaHSO₃ | Кислые соли | Неполная нейтрализация кислоты или SO₂ щёлочью | Реагируют с основаниями с образованием сульфитов | Используются в пищевой и химической промышленности |
Сначала найдите формулу и класс вещества, затем сопоставьте способ получения с его свойствами. В строках с солями примеры формул не означают, что существует только одно такое вещество. По таблице удобно сравнивать, как изменение состава влияет на класс и реакции соединения.
Найдём объём газа, образующегося при сжигании 6,4 г серы при нормальных условиях. Сначала составим уравнение: S + O₂ → SO₂. По коэффициентам видно, что 1 моль серы даёт 1 моль SO₂. Для перевода количества газа в объём при нормальных условиях используем молярный объём 22,4 л/моль.
Ответ: при сжигании 6,4 г серы образуется 4,48 л SO₂ при нормальных условиях. Проверка: отношение количества серы к количеству газа соответствует коэффициентам уравнения 1:1. Если в задаче изменится масса серы, сначала нужно пересчитать количество вещества, а затем применить то же соотношение.
Рассмотрим два случая для реакции SO₂ с раствором NaOH. Если вещества взяты в соотношении 1:1, одному молю SO₂ соответствует один моль NaOH, и нейтрализация неполная. Если соотношение равно 1:2, щёлочи достаточно для образования средней соли. Уравнения нужно подбирать так, чтобы число атомов каждого элемента совпадало слева и справа.
Ответ: при отношении 1:1 получается NaHSO₃, а при 1:2 — Na₂SO₃ и вода. Ключ к выбору продукта — количество щёлочи на один моль SO₂. При избытке SO₂ и недостатке щёлочи также возможно образование кислой соли.
При пропускании хлора через раствор SO₂ составим уравнение с учётом воды: SO₂ + Cl₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HCl. В исходном SO₂ сера имеет степень окисления +4, а в H₂SO₄ — +6. Хлор в молекуле Cl₂ имеет степень окисления 0, а в HCl — −1.
Ответ: образуются H₂SO₄ и HCl; реакция является окислительно-восстановительной. SO₂ окисляется, поэтому выступает восстановителем, а Cl₂ восстанавливается и является окислителем. Обесцвечивание раствора связано с расходованием окрашенного хлора в реакции.
Формулу сернистой кислоты иногда записывают как H₂SO₄, путая её с серной кислотой. Ошибка возникает из-за похожих названий, но в формулах различаются и состав, и степень окисления серы: в H₂SO₃ она равна +4, а в H₂SO₄ — +6. Проверяйте число атомов кислорода и вычисляйте степень окисления по формуле.
SO₂ ошибочно считают несолеобразующим оксидом, если запомнить только его формулу. На самом деле он реагирует с водой, основаниями и основными оксидами, образуя кислоту и соли. Проверка простая: вспомните типичные реакции кислотных оксидов и убедитесь, что SO₂ им соответствует.
При взаимодействии SO₂ со щёлочью не всегда получается средняя соль. Если не учитывать соотношение веществ, легко записать Na₂SO₃ даже при недостатке NaOH. Сверьте количество щёлочи: один моль NaOH на моль SO₂ соответствует образованию NaHSO₃, два — Na₂SO₃.
Восстановительные свойства соединений серы(IV) путают с окислительными, потому что не отслеживают изменение степеней окисления. Если степень окисления серы повышается с +4 до +6, соединение отдаёт электроны и выступает восстановителем. Проверяйте обе части реакции: кто отдаёт электроны, тот окисляется, а кто принимает — восстанавливается.
Для этой темы нужны умения определять степени окисления, различать кислотные оксиды, кислоты и соли, а также составлять уравнения реакций. С соединениями серы(VI) её связывает переход серы из +4 в +6: сравнивайте пары SO₂ и SO₃, H₂SO₃ и H₂SO₄. Эти знания пригодятся при изучении загрязнения воздуха SO₂, кислотных дождей, очистки промышленных газов и окислительно-восстановительных процессов.
Почему SO2 называют кислотным оксидом?
SO₂ при взаимодействии с водой образует сернистую кислоту, а с основаниями и основными оксидами — соли. Это характерные свойства кислотных оксидов.
Существует ли сернистая кислота в чистом виде?
Обычно нет: H₂SO₃ существует главным образом в водном растворе. Она нестойкая и распадается на SO₂ и воду.
Чем сульфит отличается от гидросульфита?
В сульфите кислотный остаток SO₃²⁻, а в гидросульфите — HSO₃⁻, содержащий атом водорода. Гидросульфит может образоваться, если щёлочи недостаточно для полной нейтрализации.
Как определить, какая соль образуется при взаимодействии SO2 со щёлочью?
Нужно сравнить количества SO₂ и щёлочи. При соотношении 1:1 обычно получается гидросульфит, а при 1:2 — средняя соль, сульфит.
Почему SO2 обесцвечивает некоторые растворы и при этом сам окисляется?
SO₂ может отдавать электроны, поэтому выступает восстановителем. При этом сера меняет степень окисления с +4 на +6, а окислитель, например хлор, принимает электроны.
§ 19. Кислородсодержащие соединения серы (IV)
