§ 19. Сероводорол. Сульфиды

Определения и обозначения

Сероводород — вещество состава H₂S, состоящее из водорода и серы. При обычных условиях это бесцветный ядовитый газ с запахом тухлых яиц, растворимый в воде. Его свойства важно знать для понимания реакций серы и для безопасной работы с веществом. По запаху газ не определяют: это опасно.

Сульфиды — сложные вещества, в состав которых входит сульфид-ион S²⁻, обычно вместе с катионами металла. Например, формула сульфида натрия — Na₂S, а сульфида железа(II) — FeS. По формуле можно понять, как атомы соединены и какие вещества могут получиться в реакции. Многие сульфиды металлов не растворяются в воде.

Сульфид-ион — отрицательно заряженная частица S²⁻, образованная атомом серы, принявшим два электрона. Заряд −2 помогает правильно составлять формулы сульфидов: суммарный заряд вещества должен быть равен нулю. Например, для иона Na⁺ нужны два иона натрия на один S²⁻, поэтому получается Na₂S. Символ S²⁻ не следует путать с S⁻ или S₂⁻.

Сероводородная кислота — слабый электролит, образующийся при растворении H₂S в воде. Электролит — вещество, раствор которого содержит ионы и проводит электрический ток; слабый электролит распадается на ионы лишь частично. Кислотные свойства раствора объясняют реакции H₂S со щелочами и некоторыми солями. Сама молекула H₂S не содержит кислорода, поэтому это не серная и не сернистая кислота.

Как это устроено

В молекуле H₂S атом серы связан с двумя атомами водорода, поэтому валентность серы здесь равна II. Водород в соединениях обычно имеет степень окисления +1, а молекула в целом нейтральна. Значит, на два атома водорода приходится суммарный заряд +2, а на серу — −2. Степень окисления показывает условный заряд атома, если считать связи ионными.

В лаборатории сероводород получают действием кислоты на сульфид металла. Кислота вытесняет слабую сероводородную кислоту из её соли, и H₂S выделяется в виде газа. Например, FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Коэффициент 2 перед HCl нужен, чтобы уравнять количество водорода и хлора с обеих сторон.

В воде часть молекул H₂S отдаёт ионы водорода, поэтому раствор проявляет кислотные свойства. Процесс идёт не полностью, из-за чего сероводородную кислоту считают слабой. При реакции со щёлочью ионы водорода соединяются с гидроксид-ионами, образуя воду, а оставшиеся частицы дают соль. Например: H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O; при недостатке щёлочи может образоваться NaHS.

Сероводород реагирует и с солями некоторых металлов, если среди продуктов возникает труднорастворимый сульфид. Например, ионы меди(II) соединяются с сульфид-ионами, а чёрный CuS выпадает в осадок. Удаление ионов из раствора в виде осадка способствует протеканию реакции. Так кислотные свойства H₂S сочетаются с образованием нерастворимых веществ.

Сероводород — восстановитель, потому что сера в нём может отдавать электроны и повышать степень окисления от −2. При избытке кислорода она окисляется до SO₂: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O. При недостатке кислорода образуется простое вещество — сера: 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O. Какой продукт получится, зависит от количества кислорода и условий реакции.

Сероводород и сульфиды: состав, свойства и получение

Сравнивайте вещества по одной строке: так проще увидеть различия в составе, свойствах и способах получения. Например, растворимость сульфидов зависит от конкретного металла, поэтому её проверяют по таблице растворимости. Качественная реакция помогает обнаружить сульфид-ионы по образованию осадка.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение получения сероводорода из сульфида железа(II) и соляной кислоты. Нужно определить продукты обмена: железо соединяется с хлором, а водород — с серой. Затем проверяем число атомов и ставим коэффициенты.

1. Составляем формулы продуктов: FeCl₂ и H₂S.
2. Записываем схему FeS + HCl → FeCl₂ + H₂S.
3. В правой части два атома хлора и два атома водорода, поэтому перед HCl ставим коэффициент 2.

Ответ: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Стрелка вверх указывает на выделение газа. Уравнение показывает лабораторный способ получения H₂S, но проводить такую реакцию можно только с соблюдением строгих мер безопасности.

Задача 2. Составьте уравнения горения H₂S при избытке и недостатке кислорода. При избытке кислорода сера окисляется до SO₂, а при недостатке — до простого вещества S. В обоих случаях водород переходит в воду.

1. Для избытка O₂ записываем H₂S + O₂ → SO₂ + H₂O и уравниваем атомы: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O.
2. Для недостатка O₂ записываем H₂S + O₂ → S + H₂O и уравниваем: 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O.
3. Проверяем с обеих сторон число атомов водорода, серы и кислорода.

Ответ: при избытке кислорода 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O; при недостатке 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O. Изменение количества кислорода меняет продукт окисления серы. Уравнивание подтверждает, что число атомов каждого элемента сохраняется.

Задача 3. Через раствор Na₂S пропустили избыток H₂S, а затем добавили раствор CuSO₄. Требуется определить, что происходит на каждом этапе и какие наблюдения возможны. Сначала H₂S проявляет кислотные свойства, затем ионы меди дают нерастворимый сульфид.

1. При избытке H₂S сульфид натрия переходит в гидросульфид: Na₂S + H₂S → 2NaHS. Заметного осадка на этом этапе нет.
2. При добавлении CuSO₄ ионы меди(II) образуют CuS, который не растворяется в воде. Уравнение: 2NaHS + CuSO₄ → CuS↓ + Na₂SO₄ + H₂S.
3. По таблице растворимости проверяем, что CuS выпадает в осадок, а растворимые вещества остаются в растворе.

Ответ: сначала образуется NaHS, затем появляется чёрный осадок CuS. Наблюдать реакцию следует только в безопасных условиях: выделение и наличие сероводорода нельзя проверять по запаху. Ионное превращение осадка можно записать так: Cu²⁺ + S²⁻ → CuS↓.

Типичные ошибки

• Путают H₂S с серной H₂SO₄ или сернистой H₂SO₃ кислотой. Это происходит из-за общего слова «сера» в названиях, но состав и свойства веществ различны: H₂S не содержит кислорода. Проверьте формулу и не называйте газ кислотой без уточнения, что речь о его водном растворе.

• Записывают сульфид-ион как S⁻ или S₂⁻ вместо S²⁻. Так бывает, если не учитывают, что атом серы принимает два электрона, завершая внешний электронный слой. Сверьте заряд иона и проверьте, чтобы суммарный заряд формулы сульфида был равен нулю.

• Считают, что при любом горении H₂S образуется только SO₂. Такой вывод не учитывает количество кислорода: при его недостатке сера может выделиться в виде простого вещества. Проверяйте условие задачи и затем уравнивайте атомы в выбранном уравнении.

• Пытаются определить H₂S по запаху. Характерный запах не делает такую проверку безопасной: газ ядовит и способен притуплять обоняние. Не нюхайте вещества и не проводите реакции с сероводородом без установленного оборудования и инструктажа.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о степенях окисления и составлении формул бинарных соединений: они помогают определить заряд серы и формулу сульфида. При изучении реакций обмена и таблицы растворимости можно предсказать, образуется ли осадок. Сероводород также связывает тему с окислительно-восстановительными реакциями и качественным анализом веществ. Сульфидные минералы служат рудами, из которых получают металлы, поэтому тема связана с их добычей и промышленной переработкой.

Что запомнить

• Сероводород имеет формулу H₂S и является ядовитым газом с запахом тухлых яиц.
• В водном растворе H₂S проявляет свойства слабой двухосновной кислоты.
• Сера в H₂S и сульфидах имеет степень окисления −2.
• Сероводород получают действием кислот на сульфиды металлов.
• H₂S — восстановитель; при окислении образуются S или SO₂.
• Сульфиды многих тяжёлых металлов нерастворимы и образуют характерные осадки.
• Работать с сероводородом можно только при соблюдении строгих мер безопасности.