§ 20. Кислородсодержащие соединения серы (VI)

Определения и обозначения

Серная кислота — сильная двухосновная кислота с формулой H₂SO₄. Она состоит из двух атомов водорода, одного атома серы и четырёх атомов кислорода. Двухосновной её называют потому, что молекула может отдать два атома водорода, а значит, образовать два типа солей.

Сульфат — средняя соль серной кислоты, содержащая сульфат-ион SO₄²⁻. В такой соли оба атома водорода кислоты замещены катионами металла. Это понятие помогает отличить средние соли от кислых солей и правильно составлять формулы веществ.

Гидросульфат — кислая соль серной кислоты с гидросульфат-ионом HSO₄⁻. В его составе сохраняется один атом водорода, поэтому замена исходных атомов водорода металлом произошла не полностью. По наличию водорода в ионе можно узнать, что перед нами кислая соль.

Сульфат-ион — многоатомный ион SO₄²⁻, состоящий из атома серы и четырёх атомов кислорода и имеющий заряд −2. Он входит в состав сульфатов и остаётся целым при записи формул ионных реакций. По этому иону распознают соли серной кислоты, например с помощью ионов бария.

Как это устроено

Формула H₂SO₄ показывает, что серная кислота содержит водород, серу и кислород, поэтому её относят к кислородсодержащим кислотам. Степень окисления серы здесь равна +6: два атома водорода имеют степень окисления +1, кислород — −2, а сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю. Четыре атома кислорода дают суммарно −8, два атома водорода — +2, поэтому на серу приходится +6. Это объясняет обозначение серы (VI) в названии темы.

Два атома водорода в H₂SO₄ могут отщепляться по одному, и поэтому кислота двухосновная. После первого отщепления образуется гидросульфат-ион: H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄⁻. После второго отщепления оставшийся ион превращается в сульфат-ион: HSO₄⁻ → H⁺ + SO₄²⁻. Последовательность важна: заряд меняется от −1 к −2, а число атомов водорода в кислотном остатке уменьшается.

Если оба атома водорода заменить металлом, возникает средняя соль — сульфат; если заменить только один, получается кислая соль — гидросульфат. Например, при соотношении NaOH и H₂SO₄ 1:1 образуются NaHSO₄ и вода, а при достаточном количестве щёлочи, соотношении 2:1, — Na₂SO₄ и две молекулы воды. Следовательно, продукты зависят от количества реагирующей щёлочи, а не только от формул исходных веществ.

Серная кислота — бесцветная вязкая жидкость, которая смешивается с водой с большим выделением теплоты. При неосторожном разбавлении смесь может нагреться и разбрызгаться, поэтому кислоту медленно вливают в воду при перемешивании, но не воду в кислоту. Работать нужно в защитных очках и перчатках, избегая попадания кислоты на кожу и одежду; при попадании следует сразу промыть место большим количеством воды.

Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот: реагирует с активными металлами с образованием соли и водорода, а с основаниями — соли и воды. Концентрированная кислота действует иначе, поскольку является сильным окислителем: она может окислять металл, а сама при этом восстанавливаться, поэтому водород обычно не выделяется. При реакции с медью, например, образуются сульфат меди, диоксид серы и вода: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Значит, перед записью реакции важно уточнить, разбавленная кислота или концентрированная.

Серная кислота, сульфаты и гидросульфаты

Сначала сравни формулы и заряды ионов: SO₄²⁻ относится к сульфатам, а HSO₄⁻ — к гидросульфатам. Затем проверь, заменены ли металлом оба атома водорода кислоты или только один. Для распознавания сульфат-иона используй реакцию с Ba²⁺, а не просто цвет осадка.

Разбор задач

Задача 1. Составить формулы сульфата алюминия и гидросульфата натрия, используя заряды ионов. Нужно учесть, что алюминий образует ион Al³⁺, натрий — Na⁺, а заряды кислотных остатков различаются. Формула вещества должна быть электрически нейтральной: суммарный положительный заряд равен суммарному отрицательному. Индексы выбираем так, чтобы это условие выполнялось.

1. Для сульфата алюминия соединяем Al³⁺ и SO₄²⁻. Наименьшее общее число зарядов — 6: нужны два иона Al³⁺ и три иона SO₄²⁻.
2. Записываем формулу Al₂(SO₄)₃; скобки показывают, что индекс 3 относится ко всему сульфат-иону.
3. Для гидросульфата натрия соединяем Na⁺ и HSO₄⁻. Заряды +1 и −1 уравновешиваются в отношении один к одному.

Ответ: Al₂(SO₄)₃ и NaHSO₄. Не заменяй HSO₄⁻ на SO₄²⁻: тогда получится другой ион и изменится заряд.

Задача 2. Записать уравнения взаимодействия разбавленной серной кислоты с магнием и гидроксидом натрия, назвать продукты. Сначала определяем тип каждой реакции. Магний — активный металл, поэтому разбавленная кислота образует соль и водород; гидроксид натрия — основание, поэтому с кислотой он даёт соль и воду. При нейтрализации учитываем соотношение реагентов: на полную замену двух атомов водорода нужны две формульные единицы NaOH.

1. Составляем продукты реакции магния: катион Mg²⁺ соединяется с SO₄²⁻, образуя MgSO₄, также выделяется H₂.
2. Проверяем баланс атомов и записываем: Mg + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂↑.
3. При избытке NaOH полная нейтрализация даёт Na₂SO₄ и воду. Уравнение: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.

Ответ: образуются сульфат магния и водород, а также сульфат натрия и вода. Если взять по одному молю NaOH на моль H₂SO₄, вместо среднего сульфата может образоваться кислый NaHSO₄.

Задача 3. К раствору, содержащему сульфат-ион, добавили раствор хлорида бария. Записать сокращённое ионное уравнение и объяснить наблюдение. В растворе BaCl₂ есть ионы Ba²⁺, которые соединяются с SO₄²⁻. Поскольку заряды равны по величине и противоположны, их соотношение в осадке составляет 1:1. Ионы, не участвующие в образовании осадка, в сокращённое уравнение не включают.

1. Записываем только ионы, которые образуют малорастворимое вещество: Ba²⁺ и SO₄²⁻.
2. Составляем сокращённое ионное уравнение: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
3. Стрелка вниз означает выпадение осадка. BaSO₄ — белое вещество, нерастворимое в воде и кислотах.

Ответ: наблюдается белый осадок сульфата бария. Именно образование устойчивого BaSO₄ используют как признак сульфат-иона; нельзя считать доказательством любой белый осадок без проверки.

Типичные ошибки

Путать сульфат SO₄²⁻ и гидросульфат HSO₄⁻ — значит забыть, что в последнем сохраняется атом водорода и заряд равен −1, а не −2. Ошибку допускают, потому что названия похожи и оба иона содержат серу и кислород. Проверяй состав остатка и его заряд перед составлением формулы. Если в соли остался H, это кислая соль, а не обычный сульфат.

Неверно считать, что любая реакция серной кислоты с металлом даёт водород. Такое правило подходит для многих реакций металлов с разбавленной кислотой, но концентрированная H₂SO₄ может выступать окислителем и давать другие продукты. Ошибку предотвращает уточнение концентрации кислоты до записи уравнения. Проверь продукты и баланс: если кислота концентрированная, не предполагай автоматически выделение H₂.

BaSO₄ не является растворимым осадком: это белое вещество, нерастворимое в воде и кислотах. Также не любой белый осадок доказывает наличие сульфат-иона, потому что белые осадки могут образовывать и другие вещества. Ошибку допускают, ориентируясь только на цвет. Проверяй, использован ли реагент с Ba²⁺ и соответствует ли наблюдение образованию BaSO₄.

Опасно вливать воду в концентрированную кислоту: выделяющаяся теплота может вызвать резкий нагрев и разбрызгивание. Такой порядок иногда выбирают по привычке, но он делает контакт с едкой жидкостью особенно рискованным. Безопасный порядок — медленно добавлять кислоту в воду при перемешивании. Перед работой проверь, что надета защита и ёмкость стоит устойчиво.

Связь с другими темами

Для изучения серной кислоты нужны знания о формулах кислот и солей, зарядах ионов и правилах составления формул. Например, заряд Al³⁺ и заряд SO₄²⁻ помогают вывести формулу Al₂(SO₄)₃. Если заряды не уравнены, формула не будет соответствовать нейтральному веществу.

Сульфаты и качественная реакция на SO₄²⁻ применяются при распознавании веществ и решении задач на ионный обмен. Образование BaSO₄ показывает, что в растворе взаимодействуют именно барий-ионы и сульфат-ионы. Это позволяет записывать сокращённые ионные уравнения, не включая посторонние ионы.

Окислительные свойства концентрированной серной кислоты связаны с окислительно-восстановительными реакциями. В таких процессах одна частица отдаёт электроны, а другая принимает их, поэтому продукты отличаются от обычной реакции кислоты с металлом. Различение разбавленной и концентрированной кислоты помогает верно определить, какое вещество окисляется.

Что запомнить

• Формула серной кислоты — H₂SO₄; сера в ней имеет степень окисления +6.
• Серная кислота двухосновная.
• Сульфат-ион — SO₄²⁻, гидросульфат-ион — HSO₄⁻.
• При взаимодействии сульфат-иона с Ba²⁺ образуется белый осадок BaSO₄.
• Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот.
• Концентрированная серная кислота — сильный окислитель и требует осторожного обращения.
• При разбавлении кислоту медленно приливают в воду.