"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Сера — неметалл, образующий несколько аллотропных модификаций и соединения со степенями окисления −2, +4 и +6. При реакции с металлами она даёт сульфиды, а с водородом — сероводород H₂S, бесцветный токсичный газ со слабокислотными и восстановительными свойствами. В параграфе важно разобраться в строении серы, переходах между её формами, способах получения и распознавания сероводорода, а также в составе и свойствах растворимых и нерастворимых сульфидов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия серы — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ с разным строением. Ромбическая сера состоит из молекул S8 и устойчива при обычной температуре, моноклинная также содержит S8, но имеет другую кристаллическую решётку. Пластическая сера образуется при быстром охлаждении расплава и содержит длинные цепи атомов.
Сероводород — летучее токсичное соединение водорода с серой H2S. Его молекула угловая, а сам газ бесцветен, тяжелее воздуха и имеет запах тухлых яиц. В воде H2S проявляет слабокислотные свойства, поэтому может образовывать гидросульфиды и сульфиды.
Сульфиды — бинарные соединения серы с металлами и некоторыми другими элементами. В типичных сульфидах сера имеет степень окисления −2, потому что входит в состав соединения как более электроотрицательная частица. Это позволяет по формуле вещества определить степень окисления металла, используя условие электронейтральности.
Сульфид-ион — ион S2−, характерный для растворимых сульфидов. Он входит в состав солей, например Na2S и K2S, и при взаимодействии с водой частично связывает ионы водорода. Сульфид-ион обнаруживают по образованию окрашенных нерастворимых сульфидов металлов или по выделению H2S с кислотами.
Различия между аллотропными формами серы определяются не составом, а строением частиц и их расположением в веществе. При нагревании ромбическая сера около 95,6 °C превращается в моноклинную, поскольку при более высокой температуре устойчивее другая кристаллическая решётка. При дальнейшем нагревании сера плавится, а быстрое охлаждение расплава приводит к пластической форме с цепочечными частицами. При медленном охлаждении пластическая и моноклинная сера постепенно переходят в более устойчивую ромбическую.
У атома серы шесть электронов на внешнем уровне, поэтому он может принимать два электрона или образовывать несколько ковалентных связей. В соединениях с металлами и водородом сера принимает электроны и имеет степень окисления −2: Fe + S → FeS и H2 + S → H2S. При взаимодействии с кислородом она отдаёт электроны: S + O2 → SO2, где её степень окисления равна +4. При дальнейшем окислении SO2 может образоваться SO3, в котором сера имеет степень окисления +6.
С металлами сера обычно реагирует при нагревании, потому что для разрушения исходных связей требуется энергия. В реакции Fe + S → FeS железо окисляется от 0 до +2, а сера восстанавливается от 0 до −2, поэтому железо является восстановителем, а сера — окислителем. С водородом образуется молекулярный газ H2S, в котором связь между атомами полярна. Так объясняется отличие сульфидов-ионных или атомных соединений от летучего молекулярного сероводорода.
В лаборатории H2S получают действием разбавленной кислоты на сульфид металла, например FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑. Газ растворяется в воде, но не полностью, и его раствор имеет слабокислую реакцию. Сероводород токсичен, поэтому опыт проводят в вытяжном шкафу, используя герметичный прибор и не проверяя запах прямым вдыханием. Для распознавания применяют бумагу с солью свинца: образуется чёрный PbS.
Сероводород проявляет восстановительные свойства, потому что сера в нём находится в низшей степени окисления −2 и может окисляться. При недостатке кислорода образуется сера: 2H2S + O2 → 2S + 2H2O, а при избытке кислорода — SO2: 2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O. В воде идут ступенчатые равновесия H2S ⇄ H+ + HS− и HS− ⇄ H+ + S2−. Поэтому щёлочи превращают H2S сначала в гидросульфиды, а при избытке щёлочи — в сульфиды.
| Вещество или класс | Формула и строение | Характерные свойства | Характерные реакции или распознавание |
|---|---|---|---|
| Сера | S8; молекулы кольцевого строения, у пластической формы — цепи | Жёлтое твёрдое вещество; имеет ромбическую, моноклинную и пластическую модификации | Fe + S → FeS; S + O2 → SO2 |
| Сероводород | H2S; угловые полярные молекулы | Бесцветный токсичный газ, тяжелее воздуха; слабая двухосновная кислота и восстановитель | FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S; почернение PbS |
| Растворимые сульфиды | Соли с ионом S2−, например Na2S и K2S | Растворяются с образованием ионов; гидролизуются водой и реагируют с кислотами | S2− + 2H+ → H2S; Cu2+ + S2− → CuS↓ |
| Нерастворимые сульфиды | Соединения металлов с S2−, например CuS, PbS, FeS | Выпадают в осадок; часто имеют характерную окраску | CuS — чёрный осадок, CdS — жёлтый; окраска помогает распознаванию ионов металлов |
Сначала по формуле определяют, к какому классу относится вещество и какие частицы в нём присутствуют. Затем используют растворимость и цвет осадка, чтобы выбрать подходящую качественную реакцию. При работе с сульфидами учитывают возможность выделения токсичного H2S при добавлении кислоты.
Условие: вычислить массу серы для получения 6,4 г SO2 при полном сгорании. Реакция имеет вид S + O2 → SO2, поэтому количества вещества серы и диоксида серы относятся как 1:1.
Ответ: 3,2 г серы.
Условие: определить объём H2S при н. у. из 8,8 г FeS и избытка HCl. Уравнение FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S показывает соотношение 1:1 между FeS и H2S.
Ответ: 2,24 л сероводорода.
Условие: найти объём кислорода для сжигания 6,8 г H2S с образованием SO2 и воды. Составляем уравнение 2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O, поэтому на 2 моль H2S требуется 3 моль O2.
Ответ: 6,72 л кислорода.
Нельзя считать ромбическую и моноклинную серу разными элементами. Это формы одного и того же элемента, отличающиеся строением и устойчивостью; проверьте себя по одинаковому символу S и разным условиям существования.
Неверно приравнивать H2S к сильной кислоте. У сероводорода ионизация в воде неполная, поэтому это слабая двухосновная кислота; признак проверки — знак обратимого равновесия ⇄.
Сероводород нельзя путать с сульфидом. H2S — молекулярный газ, а сульфиды — широкий класс бинарных соединений, многие из которых являются твёрдыми солями; сверяйте состав и агрегатное состояние.
Не все сульфиды растворимы в воде. Растворимость зависит от катиона и состава соли, поэтому перед записью реакции обмена проверяют, образуется ли осадок; нерастворимый сульфид обозначают стрелкой вниз.
Для понимания темы нужны строение атома, химическая связь, степени окисления и окислительно-восстановительные реакции. Реакции H2S и сульфидов применяются при изучении качественного анализа и химического равновесия. Токсичность сероводорода связывает химию с правилами лабораторной безопасности и природными процессами, например разложением органических остатков.
Чем отличаются ромбическая и моноклинная сера?
Это две аллотропные модификации одного элемента, поэтому их химическая природа одинакова, но различаются строение кристаллов и устойчивость. Ромбическая сера устойчива при обычной температуре, а моноклинная образуется при нагревании выше 95,6 °C.
Почему сероводород называют слабой кислотой?
В воде H₂S лишь частично распадается на ионы H⁺ и HS⁻, а затем в небольшой степени — на H⁺ и S²⁻. Поэтому раствор проводит ток слабее растворов сильных кислот, например соляной.
Как в лаборатории получают сероводород?
Газ получают действием разбавленной соляной кислоты на сульфид железа(II): FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Реакцию проводят в закрытом приборе с отводом газа и вытяжкой.
Как распознать сероводород и почему его нельзя нюхать?
Сероводород можно обнаружить по почернению бумаги с раствором соли свинца или по образованию чёрного PbS. У газа резкий запах тухлых яиц, но специально вдыхать его нельзя: H₂S токсичен и при больших концентрациях быстро парализует обоняние.
Какие степени окисления имеет сера в сероводороде и сульфидах?
В H₂S и типичных сульфидах сера имеет степень окисления −2, поскольку водород и металлы менее электроотрицательны или рассматриваются как положительная часть соединения. В простом веществе сера имеет степень окисления 0.
§ 39. Сера. Сероводород и сульфиды
