§ 31. Сера — аналог кислорода

Определения и обозначения

Сера — химический элемент 16-й группы, простое вещество которого проявляет сходство с кислородом и отличается от него рядом свойств. При обычных условиях простое вещество серы — жёлтое твёрдое тело, тогда как кислород — газ. Такое определение помогает не смешивать свойства атома элемента и свойства образованного им вещества.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. У серы такие формы отличаются расположением частиц и тем, как частицы связаны между собой. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему вещество одного состава может выглядеть и вести себя по-разному.

Ромбическая сера — жёлтая кристаллическая форма серы, устойчивая при обычной температуре. Её кристаллы имеют ромбическую форму, а при достаточно долгом хранении именно эта разновидность сохраняется. Это название помогает отличить устойчивую при комнатных условиях форму от других аллотропных форм.

Моноклинная сера — кристаллическая форма серы, устойчивая при нагревании выше примерно 96 °C и переходящая при охлаждении в ромбическую. Её вытянутые кристаллы образуются при подходящих условиях, но при комнатной температуре постепенно превращаются в более устойчивую форму. Температура перехода позволяет понять, какая разновидность серы сохранится при охлаждении.

Как это устроено

У атома серы шесть электронов на внешнем уровне — столько же, сколько у атома кислорода. Поэтому оба элемента занимают одну группу периодической таблицы и могут образовывать соединения со сходными типами химических связей. Однако у серы больше электронных слоёв, чем у кислорода, поэтому её атом крупнее и химические свойства не совпадают полностью.

Разные аллотропные формы возникают потому, что атомы одного элемента могут соединяться и располагаться по-разному. Ромбическая и моноклинная сера состоят из молекул S₈, но их кристаллы устроены неодинаково. Пластическая сера образуется, если расплав быстро охладить: длинные цепочки атомов не успевают перейти в упорядоченные кристаллы, поэтому получается эластичная тёмная масса. Со временем она тоже становится преимущественно ромбической.

При нагревании кристаллы серы плавятся и получается жидкость. Сначала расплав легко течёт, но при дальнейшем нагревании становится вязким: частицы соединяются в длинные цепочки, которым труднее перемещаться относительно друг друга. При ещё более высокой температуре расплав снова становится более текучим, а затем кипит и превращается в пар. Изменения внешнего вида связаны не с появлением нового элемента, а с изменением состояния и строения вещества.

Сера взаимодействует с металлами, потому что атомы металла могут отдавать электроны, а атомы серы — принимать их. Так образуются сульфиды: например, железо реагирует с серой с образованием FeS. При нагревании сера соединяется и с водородом, образуя H₂S — сероводород. В этих реакциях сера, как и кислород в реакциях с металлами и водородом, выступает окислителем: принимает электроны от другого элемента.

При горении сера соединяется с кислородом воздуха, и преимущественно образуется диоксид серы SO₂. В начале реакции степень окисления серы равна 0, а в SO₂ становится +4: сера отдаёт электроны и окисляется. Поэтому по отношению к кислороду сера выступает восстановителем, а кислород принимает электроны и восстанавливается. Это показывает, что роль элемента в реакции зависит от того, с каким веществом он взаимодействует.

Сходство и различия кислорода и серы

Сравнивайте элементы по одному признаку: общие черты объясняются их положением в одной группе, а различия — особенностями строения атомов и простых веществ. В строке о реакции с кислородом речь идёт о сере, которая соединяется с O₂. Таблица помогает не переносить свойства кислорода на серу автоматически.

Разбор задач

Задача 1. Назовите аллотропные формы серы и укажите, какая из них устойчива при обычной температуре. Здесь нужно перечислить не разные элементы, а формы одного элемента. Для ответа сопоставьте названия с условиями их устойчивости.

1. Назовите три формы серы: ромбическую, моноклинную и пластическую.
2. Вспомните, что моноклинная форма устойчива при нагревании выше примерно 96 °C.
3. Сравните условия с обычной комнатной температурой: при ней сохраняется ромбическая форма.

Ответ: ромбическая, моноклинная и пластическая сера; при обычной температуре устойчива ромбическая.

Задача 2. Составьте уравнения реакций серы с железом и водородом, назовите продукты. При взаимодействии с металлом образуется сульфид, поэтому для железа и серы записываем FeS. В реакции с водородом продукт имеет формулу H₂S — сероводород; коэффициенты проверяем по числу атомов каждого элемента.

1. Запишите схему реакции железа с серой: Fe + S → FeS.
2. Проверьте атомы: слева и справа по одному атому Fe и S, значит коэффициенты не нужны.
3. Запишите схему реакции водорода с серой: H₂ + S → H₂S.
4. Сверьте состав: с обеих сторон два атома H и один атом S, уравнение уже уравнено.

Ответ: Fe + S → FeS, образуется сульфид железа(II); H₂ + S → H₂S, образуется сероводород. Обе реакции при соответствующих условиях протекают при нагревании. Сера принимает электроны и в этих реакциях выступает окислителем.

Задача 3. Составьте уравнение горения серы в кислороде, расставьте коэффициенты и определите, какой элемент окисляется. При горении обычным продуктом является SO₂, а не SO₃. Степени окисления покажут, какой элемент отдаёт электроны.

1. Запишите формулы реагентов и продукта: S + O₂ → SO₂.
2. Проверьте число атомов: по одному атому S и по два атома O с каждой стороны, поэтому коэффициенты равны 1.
3. У серы в простом веществе степень окисления 0, а в SO₂ — +4; у кислорода она меняется с 0 на −2.
4. Определите окисление: сера повышает степень окисления, следовательно, именно она окисляется.

Ответ: S + O₂ → SO₂; окисляется сера, а кислород восстанавливается.

Типичные ошибки

Считать ромбическую и моноклинную серу разными элементами — ошибка: обе формы состоят из атомов серы. Её допускают из-за разных названий и внешнего вида кристаллов. Проверьте себя по химическому символу: у обеих форм один и тот же элемент S, меняется строение вещества.

Путать устойчивость форм тоже легко, если запомнить только название. Ромбическая сера устойчива при обычной температуре, а моноклинная — выше примерно 96 °C и при охлаждении переходит в ромбическую. Чтобы проверить ответ, сравните температуру с условием: при комнатной температуре должна остаться ромбическая форма.

Нельзя переносить на серу все свойства кислорода только потому, что элементы находятся в одной группе. Они сходны числом внешних электронов, но при обычных условиях кислород — газ, а сера — твёрдое вещество. Проверяйте отдельно свойства атома и простого вещества: одинаковое положение в таблице не означает одинаковое агрегатное состояние.

Записывать продукт горения серы как SO₃ в обычной задаче неверно: при горении в кислороде преимущественно образуется SO₂. Ошибка возникает, если ученик вспоминает другой оксид серы, не учитывая условия реакции. Проверьте уравнение по условию «сера горит в кислороде» и по атомам: S + O₂ → SO₂ уже сбалансировано.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической таблице. Представление о валентности помогает составлять формулы соединений, например FeS и H₂S, а знание степеней окисления — определять, какой элемент окисляется. Эти способы рассуждения пригодятся и при разборе других химических реакций.

Свойства серы служат основой для изучения сероводорода, оксидов серы, серной кислоты и других соединений элемента. Знание того, как сера реагирует с металлами и кислородом, помогает понять получение и свойства этих веществ. Позже те же формулы и реакции встретятся при изучении химии промышленности и окружающей среды.

Что запомнить

• Сера и кислород находятся в одной группе и имеют по шесть электронов на внешнем уровне.
• Сера — жёлтое твёрдое вещество, нерастворимое в воде.
• Сера существует в нескольких аллотропных формах.
• При обычной температуре наиболее устойчива ромбическая сера.
• При взаимодействии с металлами сера образует сульфиды.
• При горении в кислороде сера образует преимущественно диоксид серы SO₂.