§ 26. Халькогены. Сера

Определения и обозначения

Халькогены — элементы 16-й группы, сходство которых связано с конфигурацией внешнего электронного слоя ns²np⁴. На внешнем уровне у их атомов шесть электронов, поэтому для завершения оболочки не хватает двух. Это помогает объяснить типичные степени окисления −2, а также положительные степени окисления у более тяжёлых халькогенов.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, один и тот же элемент может образовывать разные кристаллические структуры или молекулы. Это понятие нужно, чтобы не путать изменение формы простого вещества с появлением нового химического элемента.

Аллотропные модификации серы — ромбическая, моноклинная и пластическая сера, отличающиеся строением и устойчивостью. Первые две являются кристаллическими, а пластическая имеет аморфное строение. Различия в расположении частиц определяют внешний вид и поведение вещества при нагревании.

Пластическая сера — аморфная эластичная модификация серы, образующаяся при быстром охлаждении расплава. При таком охлаждении частицы не успевают выстроиться в упорядоченную кристаллическую структуру. Эта форма неустойчива и постепенно превращается в более устойчивую ромбическую серу.

Как это устроено

Кислород, сера и другие халькогены занимают одну группу, потому что у их атомов одинаковое число электронов внешнего уровня — шесть. В обычных реакциях атому часто выгодно принять два электрона, поэтому для кислорода и серы типична степень окисления −2. У серы возможны также 0, +4 и +6: она может не только принимать, но и отдавать или условно обобществлять электроны, особенно в соединениях с кислородом и фтором.

Сера образует несколько модификаций, поскольку её атомы способны соединяться друг с другом и формировать разные структуры. При обычных условиях часто встречаются циклические молекулы S₈, но их упаковка в кристалле может различаться; именно поэтому ромбическая и моноклинная сера имеют неодинаковую форму кристаллов и устойчивость. Пластическая сера возникает, когда расплав быстро охлаждают: частицы не успевают организоваться в кристаллы, и вещество получается тёмным, мягким и эластичным.

Ромбическая сера наиболее устойчива при комнатной температуре, потому что в этих условиях её кристаллическое состояние энергетически выгоднее. При нагревании примерно выше 95,6 °C устойчивой становится моноклинная форма, и ромбическая сера постепенно переходит в неё. Моноклинная сера при дальнейшем нагревании плавится примерно при 119 °C; при охлаждении она снова превращается в ромбическую.

У атома серы шесть внешних электронов, поэтому направление изменения её степени окисления зависит от партнёра по реакции. С металлом железом сера принимает электроны: Fe⁰ + S⁰ → Fe²⁺S²⁻, значит, она окислитель. В кислороде сера отдаёт электроны кислороду: S⁰ + O₂⁰ → S⁺⁴O₂⁻², поэтому здесь она восстановитель; с водородом обычно образуется H₂S, где сера имеет степень окисления −2.

Сера — жёлтое твёрдое вещество, которое плохо проводит электрический ток и не растворяется в воде, но растворяется в некоторых органических растворителях. Горение серы даёт диоксид серы SO₂, а взаимодействие с металлами позволяет получать сульфиды; эти реакции связаны с использованием серы в химическом производстве и вулканизации резины. Соединения серы требуют отдельной оценки безопасности: в частности, выбросы SO₂ опасны для здоровья и могут приводить к кислотным осадкам.

Аллотропные модификации серы и их свойства

Сравнивайте модификации по условиям, при которых каждая из них устойчива: это позволяет предсказать направление перехода при нагревании и охлаждении. Если расплав быстро охладить, получится пластическая сера, а медленное охлаждение способствует образованию кристаллов. При переходах состав остаётся тем же — меняются строение и свойства простого вещества.

Разбор задач

Задача 1. По положению серы в периодической системе определите число валентных электронов, возможные степени окисления и типичное простое вещество. Используйте номер группы и электронную конфигурацию внешнего уровня. Затем свяжите строение атома с химическим поведением элемента.

1. Сера находится в 16-й группе, поэтому на внешнем уровне у неё шесть электронов.
2. Конфигурация внешнего уровня — 3s²3p⁴; часто встречаются степени окисления −2, 0, +4 и +6. Это не означает, что валентность всегда равна одному из этих чисел: валентность и степень окисления обозначают разные характеристики.
3. Типичное простое вещество — жёлтая твёрдая сера, чаще всего состоящая из молекул S₈.

Ответ: шесть валентных электронов; возможные степени окисления −2, 0, +4, +6; простое вещество — сера S₈.

Задача 2. Составьте и уравняйте реакции серы с железом и кислородом, затем определите, где сера окислитель, а где восстановитель. Сначала запишите схемы реакций, а после уравнивания проследите изменение степени окисления серы. Электронный баланс помогает проверить, что число отданных и принятых электронов совпадает.

1. С железом: Fe + S → FeS. Уравнение уже уравнено; степени окисления меняются так: Fe⁰ → Fe²⁺, S⁰ → S²⁻.
2. Сера принимает два электрона, поэтому в реакции с железом она окислитель; железо отдаёт электроны и является восстановителем.
3. С кислородом: S + O₂ → SO₂. Уравнение также уравнено; S⁰ → S⁺⁴, а O⁰ → O⁻².
4. Сера отдаёт электроны кислороду, поэтому в этой реакции она восстановитель, а кислород — окислитель.

Ответ: Fe + S → FeS, сера — окислитель; S + O₂ → SO₂, сера — восстановитель.

Задача 3. Найдите массу серы и объём кислорода для получения 16 г SO₂, а затем определите количество вещества продукта. Предполагается, что реакция идёт полностью, а газовый объём рассматривается при н. у. Уравнение реакции — S + O₂ → SO₂, поэтому количества веществ всех трёх веществ соотносятся как 1 : 1 : 1.

1. Молярная масса SO₂ равна 64 г/моль. Количество продукта: n(SO₂) = 16 г / 64 г/моль = 0,25 моль.
2. По коэффициентам уравнения n(S) = 0,25 моль и n(O₂) = 0,25 моль. Молярная масса серы равна 32 г/моль, поэтому m(S) = 0,25 × 32 = 8 г.
3. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Значит, V(O₂) = 0,25 × 22,4 = 5,6 л.

Ответ: потребуется 8 г серы и 5,6 л кислорода; количество вещества полученного SO₂ — 0,25 моль.

Типичные ошибки

Считать, что у серы всегда одна степень окисления, — значит смешивать её со значением валентности. Ошибка возникает из-за того, что в простом примере с металлом сера часто имеет степень окисления −2. Проверяйте себя по формуле конкретного вещества и правилу электронейтральности: в SO₂ сера имеет +4, а в H₂S — −2.

Называть ромбическую и моноклинную серу разными химическими элементами неверно: это аллотропные модификации одного элемента. Их строение различается, но химический состав остаётся серой. Чтобы проверить ответ, спросите себя, изменились ли атомы элемента на атомы другого элемента или только их расположение.

Сера не всегда окислитель, хотя в реакциях с металлами и водородом часто принимает электроны. С кислородом она повышает степень окисления от 0 до +4 и становится восстановителем. Проверка проста: сравните степень окисления серы до реакции и после неё — повышение означает отдачу электронов, понижение означает их принятие.

Переход ромбической серы в моноклинную — физическое превращение, а не химическая реакция. Путаница возникает потому, что вещество заметно меняет форму и устойчивость при нагревании. Убедитесь, что формула и состав не изменились: если серой осталась сера, произошло аллотропное превращение, а не образование нового соединения.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств халькогенов нужны знания о строении атома, периодическом законе и электронных конфигурациях: они помогают понять число внешних электронов и типичные степени окисления. При составлении уравнений реакций применяются правила определения степеней окисления и электронный баланс. Эти знания понадобятся дальше при изучении сероводорода, оксидов и кислот серы, получения серной кислоты в промышленности и влияния выбросов SO₂ на окружающую среду.

Что запомнить

• Халькогены находятся в 16-й группе периодической системы.
• Для атомов халькогенов характерна внешняя конфигурация ns²np⁴.
• Сера существует в нескольких аллотропных модификациях.
• Ромбическая сера наиболее устойчива при комнатной температуре.
• Сера может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.
• При горении сера образует диоксид серы.
• Физические превращения аллотропных модификаций не изменяют химический элемент.