"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Сернистый газ, или диоксид серы SO₂, — бесцветный токсичный газ с резким запахом, образующийся при сжигании серы и обжиге сульфидов. Это кислотный оксид: в воде он связан с сернистой кислотой, а со щелочами и основными оксидами даёт соли. Сера в SO₂ имеет степень окисления +4, поэтому газ способен быть и восстановителем, и окислителем. Его свойства важны для получения серной кислоты, отбеливания и оценки загрязнения атмосферы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сернистый газ — диоксид серы SO2, соединение серы и кислорода. В его молекуле один атом серы связан с двумя атомами кислорода, а степень окисления серы равна +4. Это обозначение помогает предсказывать химические свойства вещества.
Сернистая кислота H2SO3 — слабая и неустойчивая кислота, существование которой связывают с растворением SO2 в воде: SO2 + H2O ⇄ H2SO3. В растворе устанавливается равновесие, поэтому кислоту нельзя рассматривать как устойчивое выделенное вещество. Понятие H2SO3 удобно для записи реакций раствора.
Сульфиты — соли сернистой кислоты, содержащие сульфит-ион SO32−. Примеры: Na2SO3, K2SO3, CaSO3. По этому иону сульфиты отличают от солей серной кислоты — сульфатов.
Гидросульфиты — кислые соли сернистой кислоты, в которых один атом водорода кислоты сохраняется в составе иона HSO3−. Например, NaHSO3 и Ca(HSO3)2. В обычных сульфитах находятся SO32−, а в гидросульфитах — HSO3−.
SO2 получают прямым соединением серы с кислородом: S + O2 → SO2. В промышленности газ также образуется при обжиге сульфидных руд, например пирита: 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2. При обжиге кислород окисляет серу в составе сульфида до степени окисления +4.
Молекула SO2 имеет угловое строение, а не линейное. Из-за такой формы положительные и отрицательные части связей не компенсируют друг друга, поэтому молекула полярна. В обычных условиях это бесцветный газ с резким удушливым запахом, хорошо растворимый в воде и ядовитый для человека.
SO2 относят к кислотным оксидам, потому что он взаимодействует с водой, основаниями и основными оксидами. В воде образуется раствор, свойства которого описывают уравнением SO2 + H2O ⇄ H2SO3. С щёлочью газ даёт соль и воду, а с основным оксидом — соль без выделения воды: SO2 + CaO → CaSO3.
В окислительно-восстановительных реакциях SO2 чаще является восстановителем: сера повышает степень окисления с +4 до +6, например при окислении бромом. Но с сильным восстановителем сера может перейти из +4 в более низкую степень окисления, поэтому SO2 выступает окислителем: SO2 + 2H2S → 3S + 2H2O. Роль вещества определяют по изменению степени окисления серы.
Обесцвечивающее действие SO2 связано с восстановлением окрашенных веществ. Обычно такое изменение обратимо: после окисления на воздухе окраска может восстановиться. Газ применяют для отбеливания некоторых материалов и как консервирующую добавку, но выбросы SO2 раздражают дыхательные пути, загрязняют воздух и участвуют в образовании кислотных осадков.
Таблица связывает наблюдаемые свойства SO2 с химическими уравнениями. По формулам можно определить, образуется ли кислота, нормальная соль или кислая соль. При взаимодействии со щёлочью учитывайте соотношение реагентов: избыток щёлочи ведёт к сульфиту, а избыток газа — к гидросульфиту.
| Свойство или взаимодействие | Наблюдение или продукт | Уравнение реакции |
|---|---|---|
| Внешний вид и запах | Бесцветный газ с резким удушливым запахом | Физическое свойство SO2 |
| Растворение в воде | Образуется раствор слабой неустойчивой сернистой кислоты | SO2 + H2O ⇄ H2SO3 |
| Взаимодействие со щёлочью | Сульфит при избытке щёлочи; гидросульфит при избытке SO2 | SO2 + 2NaOH → Na2SO3 + H2O; SO2 + NaOH → NaHSO3 |
| Взаимодействие с основным оксидом | Образуется сульфит металла | SO2 + CaO → CaSO3 |
| Окислительно-восстановительные свойства | SO2 может окисляться или восстанавливаться | SO2 + Br2 + 2H2O → H2SO4 + 2HBr; SO2 + 2H2S → 3S + 2H2O |
| Обесцвечивающее действие | Окрашенное вещество восстанавливается; эффект часто обратим | SO2 + H2O ⇄ H2SO3; H2SO3 восстанавливает краситель |
Условие. Запишите уравнение получения SO2 при сжигании серы и рассчитайте количество вещества газа, образующегося из 6,4 г серы. Молярная масса серы равна 32 г/моль.
Ответ: образуется 0,20 моль SO2.
Условие. Через раствор, содержащий 0,20 моль NaOH, пропускают SO2. Определите возможный состав соли при недостатке и избытке газа. Количество SO2 в условии не задано, поэтому рассматриваем два соотношения.
Ответ: возможны Na2SO3 при недостатке SO2 и NaHSO3 при его избытке.
Условие. Предложите превращение серы в SO2, затем в серную кислоту и сульфат натрия. Нужно подобрать реагенты и учесть, что сернистый газ окисляется до соединения серы со степенью окисления +6.
Ответ: S → SO2 → SO3 → H2SO4 → Na2SO4.
Считать, что при растворении SO2 образуется устойчивая сернистая кислота, — неверно. Так говорят из-за удобства записи уравнения, но H2SO3 неустойчива и связана с равновесием в растворе. Проверка: используйте знак ⇄ и помните о распаде кислоты обратно на SO2 и воду.
Путать сульфиты с сульфатами легко из-за похожих формул. В SO32− сера имеет степень окисления +4, а в SO42− — +6. Проверка: пересчитайте степень окисления по заряду и числу атомов кислорода.
Нельзя утверждать, что SO2 всегда только восстановитель. С сильным окислителем сера повышает степень окисления, а с сильным восстановителем понижает её и сам принимает электроны. Проверяйте роль вещества по изменению степени окисления серы в конкретной реакции.
Обесцвечивание SO2 не всегда является стойким. Часто окрашенное вещество лишь восстанавливается, а затем снова окисляется кислородом воздуха. Если цвет возвращается, это признак обратимого химического изменения, а не полного разрушения красителя.
Для понимания темы нужны знания о степенях окисления, кислотных оксидах, кислотах и солях. SO2 связан с окислительно-восстановительными реакциями и промышленным получением серной кислоты. Его свойства объясняют образование кислотных осадков, загрязнение воздуха и очистку промышленных газов.
Почему сернистый газ называют кислотным оксидом?
SO₂ реагирует с водой с образованием сернистой кислоты, а со щелочами и основными оксидами образует соли. Такое поведение характерно для кислотных оксидов.
Как отличить сульфит от сульфата по формуле?
В сульфите содержится ион SO₃²⁻, а в сульфате — SO₄²⁻. Степень окисления серы соответственно равна +4 и +6.
Почему SO₂ может быть и окислителем, и восстановителем?
Сера в SO₂ имеет промежуточную степень окисления +4. Поэтому она может окисляться до +6, проявляя восстановительные свойства, или восстанавливаться до 0 и −2, выступая окислителем.
Что образуется при пропускании SO₂ через раствор щёлочи?
При избытке щёлочи обычно образуется сульфит, например Na₂SO₃. При избытке SO₂ и недостатке щёлочи получается кислая соль — гидросульфит, например NaHSO₃.
Почему сернистый газ опасен для окружающей среды?
SO₂ раздражает дыхательные пути и токсичен для живых организмов. В атмосфере он превращается в кислоты и способствует образованию кислотных осадков, повреждающих растения, водоёмы и сооружения.
§ 24. Сернистый газ
