§ 17. Характеристика кислорода и серы

Определения и обозначения

Кислород и сера — химические элементы 16-й группы главной подгруппы. Кислород имеет порядковый номер 8 и находится во 2-м периоде, а сера имеет номер 16 и расположена в 3-м периоде. Номер группы показывает сходство внешнего электронного строения, а номер периода — число электронных слоёв атома.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Для кислорода это O₂ и озон O₃, а для серы — ромбическая, моноклинная и пластическая сера. Понятие помогает отличать разные формы одного элемента от соединений, в которых присутствуют атомы разных элементов.

Кислород как простое вещество состоит из двухатомных молекул O₂. Озон состоит из трёх атомов кислорода в молекуле O₃, поэтому он имеет другие свойства и большую химическую активность. Формулы O₂ и O₃ показывают разные простые вещества одного химического элемента.

Ромбическая сера устойчива при обычной температуре и ниже 95,6 °C, моноклинная — примерно от 95,6 до 119 °C, то есть до плавления. Пластическая сера получается при быстром охлаждении расплавленной серы и является неустойчивой аморфной формой. Эти разновидности отличаются расположением частиц, формой кристаллов и устойчивостью.

Как это устроено

На внешнем уровне атомы кислорода и серы имеют по шесть электронов: у кислорода 2s²2p⁴, у серы 3s²3p⁴. Для завершения внешнего слоя им не хватает двух электронов, поэтому атомы способны принимать электроны или образовывать общие электронные пары. Сходство строения объясняет принадлежность к одной группе, но разные размеры атомов и число электронных слоёв влияют на физические свойства: кислород — газ, а сера — твёрдое вещество.

В простых веществах кислород и сера имеют степень окисления 0. В соединениях с металлами они обычно принимают электроны и получают степень окисления −2: образуются оксиды металлов и сульфиды. С водородом кислород образует воду H₂O, а сера — сероводород H₂S; в этих соединениях кислород и сера также имеют степень окисления −2.

Кислород образует две аллотропные формы, потому что его атомы объединяются в молекулы разного состава: O₂ и O₃. У серы возможны разные способы размещения атомов и молекул в твёрдом веществе, поэтому её формы отличаются кристаллическим строением. Ромбическая сера наиболее устойчива при комнатной температуре, моноклинная устойчивее в более тёплом интервале, а пластическая постепенно переходит в устойчивую форму.

В природе кислород встречается свободным газом в атмосфере и растворённым в воде, а также связанным в оксидах, воде и органических веществах. Сера может находиться в самородном виде, особенно в районах вулканической деятельности, и входить в состав сульфидов и сульфатов. Такое распространение связано с высокой способностью обоих элементов образовывать соединения с металлами и другими элементами.

Кислород — бесцветный газ, немного растворимый в воде и поддерживающий горение, но сам не являющийся горючим веществом. Озон — голубой газ с резким запахом, он растворяется лучше кислорода и сильнее окисляет вещества. Сера — жёлтое твёрдое вещество, практически не растворяющееся в воде; при нагревании она реагирует с металлами, водородом и кислородом.

Сравнительная характеристика кислорода и серы

Сначала по таблице удобно сравнить положение элементов и строение их атомов, а затем перейти к свойствам простых веществ. Степени окисления помогают предсказать состав соединений и проверить расстановку коэффициентов в реакциях. Не следует ожидать одинаковых физических свойств только потому, что элементы находятся в одной группе.

Разбор задач

Задача 1. Положение элементов и степени окисления

Укажите положение кислорода и серы в Периодической системе, число электронов на внешнем уровне и возможные степени окисления. Нужно использовать порядковые номера элементов и строение внешнего слоя. Затем свяжем эти сведения с типичными и менее распространёнными степенями окисления.

1. Кислород имеет номер 8, находится во 2-м периоде и 16-й группе; его электронная формула внешнего слоя 2s²2p⁴.
2. Сера имеет номер 16, находится в 3-м периоде и 16-й группе; её внешний слой записывается как 3s²3p⁴.
3. У обоих атомов по шесть внешних электронов. Для кислорода характерны −2 и 0, а в соединении OF₂ возможна +2; для серы характерны −2, 0, +4 и +6.

Ответ: кислород — элемент № 8 второго периода, сера — элемент № 16 третьего периода. Оба имеют по шесть внешних электронов, но набор степеней окисления серы шире.

Задача 2. Аллотропные формы

Сравните кислород и озон, а также ромбическую и моноклинную серу. Нужно определить, являются ли пары формами одного элемента или соединениями. Для этого сравним состав частиц и условия существования веществ.

1. O₂ и O₃ состоят только из атомов кислорода, поэтому это простые вещества одного элемента; различается число атомов в молекуле.
2. Ромбическая и моноклинная сера состоят только из серы, но имеют разное строение кристаллов и устойчивы при разных температурах.
3. Следовательно, обе пары являются примерами аллотропии, а не соединениями разных элементов.

Ответ: кислород и озон — аллотропные формы кислорода, ромбическая и моноклинная сера — аллотропные формы серы. Озон активнее O₂, а ромбическая сера устойчивее при обычной температуре.

Задача 3. Уравнения реакций

Составьте уравнения реакций кислорода и серы с водородом и металлом, расставьте коэффициенты и определите степени окисления. Выберем магний для реакции с кислородом и железо для реакции с серой. После записи формул проверим сохранение числа атомов и изменение степеней окисления.

1. С водородом: 2H₂ + O₂ → 2H₂O и H₂ + S → H₂S. В воде H имеет +1, O −2; в сероводороде H имеет +1, S −2.
2. С металлами: 2Mg + O₂ → 2MgO и Fe + S → FeS. В MgO магний имеет +2, кислород −2; в FeS железо имеет +2, сера −2.
3. Коэффициенты проверяем подсчётом атомов каждого элемента слева и справа: их количество должно совпадать.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; H₂ + S → H₂S; 2Mg + O₂ → 2MgO; Fe + S → FeS. В этих реакциях кислород и сера восстанавливаются до степени окисления −2.

Типичные ошибки

Ошибка: смешивать кислород как элемент и кислород как простое вещество O₂. Её допускают, потому что одно слово используют для двух связанных понятий. Проверка простая: элемент обозначают символом O, а вещество записывают формулой O₂.

Ошибка: считать озон соединением кислорода с другим элементом. На самом деле в O₃ присутствуют только атомы кислорода, поэтому озон — простое вещество и аллотропная форма кислорода. Проверьте формулу: если атомы только одного вида, это не соединение.

Ошибка: считать ромбическую и моноклинную серу разными химическими элементами. Различие их кристаллического строения означает аллотропию, а не изменение состава атомов. Чтобы проверить себя, сравните химический символ: в обеих формах это S.

Ошибка: переносить свойства кислорода на серу из-за общей группы. Сходство внешнего электронного слоя объясняет общие реакции, но не делает вещества одинаковыми по цвету, агрегатному состоянию и растворимости. Сопоставляйте отдельно строение атома и физические свойства простого вещества.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и связи положения элемента в Периодической системе с его свойствами. Эти сведения объясняют, почему кислород и сера имеют по шесть внешних электронов. Они также помогают предсказывать способность атомов принимать электроны и образовывать связи.

Тема опирается на понятия химического элемента, простого вещества, валентности и степени окисления. Различение этих терминов необходимо при записи формул O₂, O₃, H₂O и H₂S. Степени окисления позволяют анализировать состав веществ и окислительно-восстановительные процессы.

Знания о кислороде и сере пригодятся при изучении оксидов, кислот, сульфидов и горения. На их основе легче составлять уравнения реакций металлов и неметаллов. Позже эти представления используются при разборе окислительно-восстановительных реакций.

Что запомнить

• Кислород и сера находятся в 16-й группе и имеют по шесть электронов на внешнем уровне.
• Кислород образует простые вещества O₂ и O₃.
• Сера имеет несколько аллотропных форм, в том числе ромбическую и моноклинную.
• Кислород распространён в природе и в свободном, и в связанном состоянии.
• Сера встречается в природе как в самородном виде, так и в составе соединений.
• Сходное строение внешнего электронного слоя обусловливает некоторые общие химические свойства кислорода и серы.