"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Кислородные соединения серы — это прежде всего диоксид SO₂ и триоксид SO₃, а также соответствующие им кислоты. В SO₂ сера имеет степень окисления +4, в SO₃ — +6; оба оксида относятся к кислотным. При растворении SO₂ в воде возникает неустойчивая сернистая кислота, а SO₃ с водой образует серную кислоту. Эти превращения лежат в основе промышленного производства H₂SO₄ и помогают понять свойства сульфитов, сульфатов и кислот-окислителей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диоксид серы, или SO₂, — соединение одного атома серы с двумя атомами кислорода; степень окисления серы в нём +4. Это кислотный оксид: он реагирует с основаниями и основными оксидами, образуя соли. Такое определение помогает отличать сам оксид от кислоты, которая получается при его взаимодействии с водой.
Сернистая кислота, H₂SO₃, формально соответствует SO₂ и образуется при растворении этого газа в воде. Она неустойчива и существует только в водном растворе: часть молекул распадается обратно на SO₂ и H₂O. Её формула нужна, чтобы описывать образование сульфитов и гидросульфитов и не принимать кислоту за устойчивое чистое вещество.
Триоксид серы, или SO₃, состоит из одного атома серы и трёх атомов кислорода; степень окисления серы равна +6. Это также кислотный оксид, но ему соответствует более высокая степень окисления серы, чем SO₂. По формуле можно предсказать, что при присоединении воды образуется серная кислота.
Серная кислота, H₂SO₄, — сильная двухосновная кислота: её молекула содержит два атома водорода, способных замещаться металлами. Она связана с SO₃ реакцией присоединения воды. Это важное вещество в химической промышленности, а различие свойств разбавленного и концентрированного растворов помогает объяснить их неодинаковое поведение в реакциях.
При горении сера соединяется с кислородом воздуха: S + O₂ → SO₂. В простом веществе степень окисления серы равна 0, а в SO₂ она становится +4, поскольку каждый атом кислорода имеет степень окисления −2. Сера отдаёт четыре электрона и окисляется, а кислород принимает электроны и восстанавливается. Поэтому образование SO₂ — окислительно-восстановительная реакция.
SO₂ проявляет свойства кислотного оксида, потому что при взаимодействии с водой образует кислоту, а при реакции с основаниями — соль. Например, с щёлочью возможны два результата: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O или SO₂ + NaOH → NaHSO₃. С основным оксидом образуется соль, например SO₂ + CaO → CaSO₃. Состав продукта зависит от соотношения реагентов, поэтому при записи реакции важно учитывать их количество.
Образование сернистой кислоты обратимо: SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃. Двойная стрелка показывает, что реакция идёт в обоих направлениях, а кислота неустойчива и может снова распадаться на оксид и воду. При нейтрализации H₂SO₃ основаниями образуются сульфиты, например Na₂SO₃, или гидросульфиты, например NaHSO₃. Какой тип соли получится, зависит от соотношения кислоты и основания.
Для получения серной кислоты диоксид серы сначала окисляют до триоксида: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. Это обратимая реакция: повышение температуры ускоряет её, но слишком высокая температура уменьшает равновесный выход SO₃. Поэтому в промышленности подбирают компромиссную температуру около 400–450 °C и применяют катализатор, обычно V₂O₅. Катализатор ускоряет достижение равновесия, не смещая его сам по себе.
Триоксид серы реагирует с водой с образованием серной кислоты: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. H₂SO₄ проявляет общие свойства кислот: реагирует с основаниями и основными оксидами, а с некоторыми металлами — с образованием солей. Разбавленная кислота обычно вытесняет водород из металлов, стоящих до него в ряду активности. Концентрированная кислота может окислять металлы, поэтому водород при такой реакции обычно не выделяется; продукты зависят от условий.
Сравнивайте оксиды по степени окисления серы и по тому, с какой кислотой и солью они связаны. Уравнения показывают типичные реакции; в случае SO₂ состав продукта с основанием определяется соотношением реагентов. Таблица помогает проследить путь от оксида к кислоте и соответствующим солям.
| Характеристика | Диоксид серы SO₂ | Триоксид серы SO₃ |
|---|---|---|
| Степень окисления серы | +4 | +6 |
| Кислотный оксид или нет | Да, кислотный оксид | Да, кислотный оксид |
| Получение | Горение серы: S + O₂ → SO₂ | Окисление: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ |
| Взаимодействие с водой | SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃ | SO₃ + H₂O → H₂SO₄ |
| Взаимодействие с основаниями | С NaOH образует Na₂SO₃ или NaHSO₃ | С NaOH образует Na₂SO₄ или NaHSO₄ |
| Соответствующая кислота и соли | H₂SO₃; сульфиты и гидросульфиты | H₂SO₄; сульфаты и гидросульфаты |
Условие. Определите степени окисления серы в SO₂ и SO₃ и укажите, где она выше. Ищем неизвестное значение по сумме степеней окисления атомов в нейтральной молекуле. У кислорода в этих оксидах степень окисления −2.
Ответ: в SO₂ сера имеет степень окисления +4, в SO₃ — +6; выше она в SO₃. Проверка: в каждом соединении сумма значений для всех атомов равна нулю.
Условие. Запишите уравнения взаимодействия SO₂ с водой и раствором NaOH, назовите вещества. С водой оксид образует соответствующую кислоту, а с щёлочью — соль. Для щёлочи примем соотношение один моль NaOH на один моль SO₂, поэтому получится кислая соль.
Ответ: образуются сернистая кислота H₂SO₃ и, при соотношении 1:1, гидросульфит натрия NaHSO₃; избыток NaOH приводит к сульфиту натрия Na₂SO₃.
Условие. Составьте уравнения S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ и расставьте коэффициенты. Сначала определяем, какие превращения являются окислительно-восстановительными, а затем записываем реакции кислотных оксидов. Такой порядок связывает изменение степени окисления с образованием кислоты.
Ответ: S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄.
Называть SO₂ и SO₃ кислотами — ошибка: это оксиды, а кислотами являются H₂SO₃ и H₂SO₄. Путаница возникает из-за сходства названий оксида и соответствующей кислоты. Проверьте формулу: у кислоты есть атомы водорода, а оксид состоит только из кислорода и другого элемента.
Записывать H₂SO₃ как устойчивое чистое вещество некорректно: сернистая кислота неустойчива и существует в водном растворе. Её формулу часто воспринимают по аналогии с формулами других кислот, не учитывая обратимость реакции. Проверка проста: для растворения SO₂ используйте запись SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃, а не утверждение о получении устойчивого вещества.
Степени окисления серы в оксидах нельзя менять местами: в SO₂ она равна +4, в SO₃ — +6. Ошибку допускают, если считают только число атомов кислорода или не проверяют сумму степеней окисления. Для самопроверки умножьте −2 на число атомов кислорода: сера должна компенсировать полученную сумму до нуля.
Разбавленная и концентрированная H₂SO₄ не всегда одинаково реагируют с металлами. Причина ошибки — перенос обычного правила для кислот на концентрированную серную кислоту, которая может быть окислителем. Проверяйте концентрацию и продукты: с разбавленной кислотой часто выделяется H₂, а при действии концентрированной обычно образуются продукты восстановления серы, не водород.
Для изучения темы нужны правила определения степеней окисления, понимание окислительно-восстановительных реакций и умение составлять уравнения. Без этих навыков трудно объяснить переход серы от степени окисления 0 к +4 и затем к +6. Электронный баланс помогает проверить коэффициенты в таких реакциях.
Тема опирается на свойства кислотных оксидов, кислот и солей, а также на классификацию соединений. Эти знания позволяют предсказывать продукты реакций SO₂ и SO₃ с водой, основаниями и основными оксидами. По составу соли можно определить, связана ли она с сернистой или серной кислотой.
Изученные превращения понадобятся при разборе производства серной кислоты и свойств сульфатов. Представление о кислотах-окислителях помогает сравнивать действие разбавленной и концентрированной H₂SO₄ на металлы. Эти закономерности связывают промышленную химию с реакциями, которые можно объяснить на уровне частиц и степеней окисления.
Почему SO₂ называют кислотным оксидом?
SO₂ реагирует с водой с образованием сернистой кислоты, а с основаниями и основными оксидами — сульфитов или гидросульфитов. Такие реакции характерны для кислотных оксидов.
Существует ли сернистая кислота в чистом виде?
Нет, H₂SO₃ неустойчива и существует только в водном растворе. Она находится в равновесии с SO₂ и водой, поэтому при изменении условий может разлагаться.
Чем отличаются SO₂ и SO₃ по степени окисления серы?
В SO₂ степень окисления серы равна +4, а в SO₃ — +6. Поэтому в SO₃ сера находится в более высокой степени окисления.
Почему SO₂ сначала превращают в SO₃ при производстве серной кислоты?
SO₃ непосредственно реагирует с водой с образованием H₂SO₄, тогда как SO₂ образует неустойчивую H₂SO₃. Превращение SO₂ в SO₃ — ключевой этап промышленного получения серной кислоты.
Чем взаимодействие металлов с разбавленной и концентрированной серной кислотой может различаться?
Разбавленная H₂SO₄ обычно реагирует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с выделением H₂. Концентрированная кислота часто выступает окислителем: водород при этом обычно не выделяется, а продукты восстановления серы зависят от условий и металла.
§ 40. Кислородные соединения серы
