"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Оксид серы(VI) SO₃ — кислотный оксид, из которого получают серную кислоту H₂SO₄. Эта кислота нужна в химическом производстве и помогает изучать свойства кислот, металлов и солей. Разбавленный раствор реагирует с активными металлами с выделением водорода, а концентрированный может окислять металлы и обугливать органические вещества. Поэтому при решении задач важно учитывать не только формулу кислоты, но и её концентрацию.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид серы(VI) SO₃ — кислотный оксид, в котором сера имеет степень окисления +6. Число VI в названии указывает именно на степень окисления, а не на количество атомов серы. SO₃ связан с серной кислотой: при взаимодействии с водой он образует H₂SO₄. Это соответствие помогает определить формулу кислоты по формуле оксида.
Серная кислота H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота. Двухосновной её называют потому, что в молекуле есть два атома водорода, способных замещаться металлом. Поэтому при полной нейтрализации образуются соли, в которых оба атома водорода замещены. Это свойство нужно учитывать при составлении формул сульфатов.
Олеум — раствор оксида серы(VI) в серной кислоте. Он образуется, когда концентрированная H₂SO₄ поглощает SO₃. В олеуме содержится больше оксида, чем может быть связано в обычной серной кислоте. Его используют, чтобы удобнее хранить и перевозить SO₃ и затем получать кислоту нужной концентрации.
Концентрированная серная кислота — раствор с высокой массовой долей H₂SO₄. Это не отдельное химическое соединение, а раствор, свойства которого зависят от соотношения кислоты и воды. Поэтому он может вести себя иначе, чем разбавленная кислота, особенно в реакциях с металлами. Различие концентраций необходимо отмечать в условии и уравнении реакции.
SO₃ получают окислением диоксида серы кислородом: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Двойная стрелка показывает, что реакция обратима, поэтому нельзя просто повысить температуру без ограничений: при нагревании равновесие смещается в сторону исходных веществ. В производстве подбирают условия, обеспечивающие хорошую скорость и выход продукта, и используют катализатор, например оксид ванадия(V). Контроль условий нужен, чтобы получить больше SO₃ за приемлемое время.
SO₃ называют кислотным оксидом, потому что при добавлении воды образуется соответствующая кислота: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Реакция идёт с большим выделением теплоты, поэтому напрямую смешивать вещества следует осторожно. С основными оксидами SO₃ образует соли серной кислоты, например SO₃ + CaO → CaSO₄. Образование кислоты и солей — признаки кислотного оксида.
Чистая серная кислота — бесцветная вязкая жидкость; она хорошо смешивается с водой и поглощает влагу. При смешивании выделяется много теплоты, а вода легче кислоты и может быстро нагреться у поверхности. Если налить воду в кислоту, смесь способна вскипеть и разбрызгать едкую жидкость. Поэтому кислоту медленно добавляют в воду, перемешивая, а не наоборот.
Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот. С металлами, стоящими в ряду активности до водорода, она образует соль и водород: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑; металл после водорода, например медь, так не реагирует. С основаниями и основными оксидами кислота даёт соль и воду: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O; H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O. С солями реакция обмена идёт, если появляется осадок, газ или слабый электролит, например H₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2HCl.
Концентрированная H₂SO₄ отличается тем, что выступает окислителем: она может принимать электроны у металла, поэтому обычное правило «кислота плюс металл — соль и водород» здесь не подходит. Например, при нагревании с медью образуются сульфат меди, диоксид серы и вода: Cu + 2H₂SO₄ → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Кроме того, концентрированная кислота отнимает воду у многих органических веществ, из-за чего они темнеют и обугливаются. Эти свойства требуют особой осторожности при работе с ней.
| Признак | SO₃ | Разбавленная H₂SO₄ | Концентрированная H₂SO₄ |
|---|---|---|---|
| Класс вещества | Кислотный оксид | Раствор сильной двухосновной кислоты | Раствор сильной двухосновной кислоты |
| Физические свойства | Бесцветное летучее вещество; при обычных условиях может быть жидким или твёрдым | Бесцветный водный раствор | Бесцветная вязкая жидкость, поглощает влагу |
| Взаимодействие с водой | Образует H₂SO₄ | Уже содержит воду; разбавление сопровождается нагреванием | Смешивается с водой с сильным выделением теплоты |
| Взаимодействие с металлами | Не является обычным реагентом для этого типа реакции | С металлами до водорода образует соль и H₂ | Может окислять металлы; продукт восстановления часто SO₂ |
| Взаимодействие с основаниями и основными оксидами | Образует сульфаты | Образует соль и воду | Образует соль и воду |
| Характерное свойство или применение | Используется для получения серной кислоты | Проявляет общие свойства кислот | Окисляет вещества, обугливает органические материалы |
Сначала определите, о каком веществе и какой концентрации идёт речь, затем найдите нужную строку. Сравнение особенно важно для реакций с металлами: разбавленный и концентрированный растворы могут давать разные продукты. Таблица помогает выбрать правило, но конкретное уравнение всё равно нужно уравнять.
Задача 1. Составить уравнение реакции оксида серы(VI) с водой и определить её тип. Поскольку SO₃ — кислотный оксид, продуктом будет соответствующая кислота H₂SO₄. Проверим, совпадает ли количество атомов каждого элемента слева и справа.
Задача 2. Записать реакцию разбавленной серной кислоты с цинком и назвать продукты. Цинк стоит в ряду активности до водорода, значит, он может вытеснить водород из разбавленной кислоты. Остаток кислоты образует с металлом соль — сульфат цинка.
Задача 3. Составить уравнение реакции концентрированной серной кислоты с медью и определить окислитель. Медь не вытесняет водород из кислоты, но концентрированная H₂SO₄ способна окислять металлы. Поэтому среди продуктов ожидаем SO₂, а не H₂.
Ошибка — считать свойства разбавленной и концентрированной серной кислоты одинаковыми. Так бывает, если запомнить только общие свойства кислот и не учесть роль воды в растворе. Перед составлением реакции проверьте, указана ли концентрация; для концентрированной кислоты отдельно подумайте об окислительных свойствах.
При реакции меди с серной кислотой иногда записывают выделение водорода по общему правилу для металлов. Но медь стоит после водорода в ряду активности, а концентрированная кислота окисляет её с образованием SO₂. Проверьте одновременно ряд активности и концентрацию: если реагируют Cu и концентрированная H₂SO₄, водород в продуктах не записывают.
Формулы SO₂ и SO₃ путают из-за похожих названий. Однако у серы в SO₂ степень окисления +4, а в SO₃ — +6; римская цифра в названии помогает различить соединения. Чтобы проверить себя, рассчитайте степень окисления серы, считая кислород двухвалентным.
Опасно вливать воду в концентрированную кислоту: из-за сильного нагревания смесь может разбрызгаться. Порядок действий иногда путают, полагая, что достаточно просто смешать вещества. Запомните проверку: медленно добавляйте кислоту в воду и перемешивайте; при работе используйте средства защиты.
Для изучения SO₃ и H₂SO₄ нужны знания о степенях окисления и классах неорганических веществ: они помогают распознавать кислотный оксид и составлять формулы. Ряд активности металлов позволяет предсказать, выделится ли водород при реакции с разбавленной кислотой. При разборе концентрированной кислоты пригодятся представления об окислительно-восстановительных реакциях, а для реакций солей — правила обмена. Эти знания применяются при изучении серы и её соединений, сульфатов, производства серной кислоты и расчётов по уравнениям.
Почему оксид серы(VI) называют кислотным оксидом?
При взаимодействии с водой SO₃ образует серную кислоту H₂SO₄. С основными оксидами он образует соли — сульфаты, что также характерно для кислотных оксидов.
Как получить серную кислоту из оксида серы(VI)?
SO₃ взаимодействует с водой, образуя H₂SO₄: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. На практике оксид поглощают концентрированной серной кислотой, получая олеум, который затем используют для приготовления кислоты нужной концентрации.
Почему серную кислоту нельзя разбавлять, вливая воду в кислоту?
При смешивании выделяется много теплоты, и вода может быстро закипеть. Брызги горячей кислоты опасны, поэтому кислоту медленно вливают в воду, помешивая.
Чем реакции концентрированной серной кислоты отличаются от реакций разбавленной?
Разбавленная кислота проявляет обычные свойства кислот: например, реагирует с некоторыми металлами с выделением водорода. Концентрированная кислота — окислитель: при реакции с медью обычно образуются сульфат меди, SO₂ и вода, а не водород.
Почему медь реагирует с концентрированной серной кислотой, но не вытесняет из неё водород?
Медь стоит в ряду активности после водорода и не вытесняет его из разбавленных кислот. С концентрированной серной кислотой она реагирует иначе: кислота окисляет медь, а сама восстанавливается до SO₂.
§ 21. Оксид серы(VI). Серная кислота
