§ 22. Сера

Определения и обозначения

Сера — химический элемент 16-й группы периодической таблицы, обозначается S; в соединениях для неё характерны степени окисления −2, +4 и +6. Степень окисления — условный заряд атома, рассчитанный при предположении, что общие электроны полностью принадлежат более электроотрицательному атому. Положение серы в таблице помогает предсказывать её поведение в реакциях и состав её соединений.

Аллотропия серы — существование элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Эти формы состоят из атомов одного химического элемента, но могут иметь неодинаковое строение кристаллов или частиц. Понятие аллотропии нужно, чтобы объяснить, почему образцы серы выглядят и ведут себя по-разному, хотя везде содержат один элемент.

Ромбическая сера — кристаллическая модификация серы, устойчивая при обычной температуре. Её кристаллы имеют ромбическую форму, а молекулы состоят из восьми атомов и обозначаются S₈. Это название позволяет отличать наиболее устойчивую при комнатной температуре форму от других модификаций.

Моноклинная сера — кристаллическая модификация, устойчивая при нагревании в определённом температурном интервале. Её кристаллы отличаются от ромбических формой и взаимным расположением молекул S₈. Термин нужен, чтобы описывать переход серы при нагревании и охлаждении, не смешивая изменение формы вещества с химической реакцией.

Как это устроено

Атом серы имеет порядковый номер 16, поэтому в нейтральном атоме 16 электронов: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. На внешнем уровне находятся шесть электронов, как и у других элементов 16-й группы. В соединениях с более электроотрицательными элементами сера может получить условный заряд −2, а при образовании связей с кислородом её степени окисления могут быть +4 и +6; поэтому степень окисления зависит от окружения атома.

Отдельные атомы серы легко связываются друг с другом, образуя кольцевые молекулы S₈. В таких молекулах атомы соединены в замкнутую цепь, похожую на корону. При кристаллизации молекулы могут укладываться в пространстве разными способами, поэтому возникают ромбическая и моноклинная модификации: различие между ними связано с упаковкой молекул, а не с изменением состава.

Устойчивость этих кристаллических форм зависит от температуры. При обычной температуре свободная энергия ромбической серы ниже, поэтому именно она является устойчивой; при нагревании выше примерно 95,6 °C более устойчивой становится моноклинная форма. При охлаждении происходит обратный переход, а при плавлении и последующем быстром охлаждении расплава можно получить пластическую серу — тёмную эластичную массу с длинными цепями атомов.

Сера — твёрдое жёлтое хрупкое вещество, практически нерастворимое в воде. Жёлтая окраска и хрупкость связаны со строением вещества и его кристаллов, а плохая растворимость в воде — с тем, что молекулы S₈ неполярны, тогда как молекулы воды полярны. Неполярные частицы плохо взаимодействуют с водой, поэтому сера в ней почти не растворяется.

В окислительно-восстановительной реакции меняются степени окисления: окислитель принимает электроны и восстанавливается, а восстановитель отдаёт электроны и окисляется. В реакции с металлами или водородом сера обычно принимает электроны, например превращается в сульфид-ион со степенью окисления −2. При взаимодействии с кислородом или сильным окислителем сера может отдавать электроны, повышая степень окисления, поэтому её роль определяется реакцией, а не только названием элемента.

Аллотропные модификации серы

Чтобы сравнить модификации, сначала посмотрите на строение и внешний вид, а затем — на температуру устойчивости и направление перехода. Таблица показывает, что одинаковый состав ещё не означает одинаковые свойства: важны строение частиц и их расположение. При обычной температуре выбирайте ромбическую форму как устойчивую.

Разбор задач

Задача 1. Запишите электронную конфигурацию атома серы и укажите возможные степени окисления элемента. Сначала по порядковому номеру определяем число электронов нейтрального атома, затем распределяем их по уровням и подуровням. По внешнему уровню и типичным соединениям устанавливаем характерные степени окисления.

1. Порядковый номер серы равен 16, значит, в нейтральном атоме 16 электронов.
2. Распределяем электроны: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴. На внешнем уровне находятся шесть электронов.
3. Для серы характерны степени окисления −2, +4 и +6. Степень −2 встречается, например, в сульфидах, а положительные степени — в соединениях с кислородом.

Ответ: электронная конфигурация 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴; характерные степени окисления −2, +4 и +6.

Задача 2. Составьте уравнения реакций серы с железом и кислородом, укажите окислитель и восстановитель. При составлении уравнений учитываем, что простое вещество серы состоит из молекул S₈. Затем сравниваем степени окисления элементов до реакции и в продуктах.

1. С железом: 8Fe + S₈ → 8FeS. Железо меняет степень окисления с 0 на +2, а сера — с 0 на −2.
2. Сера принимает электроны и восстанавливается, поэтому она окислитель. Железо отдаёт электроны, следовательно, оно восстановитель.
3. С кислородом: S₈ + 8O₂ → 8SO₂. Сера меняет степень окисления с 0 на +4, а кислород — с 0 на −2.
4. В реакции с кислородом сера отдаёт электроны и является восстановителем, а кислород принимает электроны и является окислителем.

Ответ: 8Fe + S₈ → 8FeS; окислитель — сера, восстановитель — железо. S₈ + 8O₂ → 8SO₂; восстановитель — сера, окислитель — кислород.

Задача 3. Рассчитайте массу сульфида железа, образующегося при взаимодействии 8,0 г серы с избытком железа. Избыток железа означает, что полностью прореагирует вся сера, поэтому количество FeS определяем по сере. Молекулярное уравнение учитывает S₈, но соотношение атомов серы и формульных единиц FeS равно 1:1.

1. Записываем уравнение: 8Fe + S₈ → 8FeS. На 1 моль S₈ образуется 8 моль FeS.
2. Находим количество серы в пересчёте на атомы: n(S) = m/M = 8,0/32 = 0,25 моль. Это соответствует 0,25 моль FeS по соотношению 1:1.
3. Молярная масса FeS равна 56 + 32 = 88 г/моль. Масса продукта: m(FeS) = nM = 0,25 × 88 = 22 г.

Ответ: образуется 22 г FeS.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать ромбическую и моноклинную серу разными химическими элементами. Это аллотропные модификации одного элемента: состав их молекул одинаков, а различается расположение молекул в кристаллах. Ошибка возникает, если принять разные названия и свойства за признак разного состава; проверьте формулу обеих форм — S₈.

Ошибка 2. Путать устойчивость модификаций и считать, что моноклинная сера устойчива при комнатной температуре. Ромбическая форма устойчива при обычной температуре, моноклинная — при более высокой. Чтобы проверить себя, проследите за переходом при охлаждении: моноклинная сера превращается в ромбическую.

Ошибка 3. Утверждать, что сера во всех реакциях является только окислителем. Её роль определяется изменением степени окисления: в реакции с железом сера восстанавливается, а в реакции с кислородом окисляется. Проверяйте степени окисления до и после реакции: принявшая электроны частица — окислитель, отдавшая — восстановитель.

Ошибка 4. Везде записывать формулу простого вещества как S, не учитывая состав молекулы. Для молекулярного состава обычной серы используют S₈, и при такой записи уравнение нужно уравнять, например 8Fe + S₈ → 8FeS. Перед расчётом проверьте, дана ли формула условно для атомов серы или именно для молекул.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства серы, нужны знания о строении атома, периодическом законе и электронных конфигурациях. Также необходимо уметь определять степень окисления и распознавать окислительно-восстановительные реакции. Эти навыки пригодятся при изучении сероводорода, оксидов серы и серной кислоты, а также при составлении уравнений реакций с участием этих веществ.

Что запомнить

• Сера — элемент 16-й группы с шестью электронами на внешнем уровне.
• Наиболее характерные степени окисления серы: −2, +4 и +6.
• Молекулы обычных кристаллических модификаций серы состоят из восьми атомов.
• Ромбическая сера устойчива при обычной температуре.
• При нагревании ромбическая сера переходит в моноклинную.
• В реакциях с металлами сера обычно принимает электроны, а с кислородом — отдаёт.