17.3. Сероводород и сульфиды

Определения и обозначения

Сероводород — соединение состава H₂S, гидрид серы, относящийся к гидридам элементов VI группы. Его молекула состоит из одного атома серы и двух атомов водорода. Для расчёта степеней окисления и разбора реакций важно помнить: в H₂S сера имеет степень окисления −2.

Сероводородная кислота — водный раствор H₂S, слабая двухосновная кислота. Двухосновной её называют потому, что молекула может последовательно отдать два протона, то есть иона водорода: сначала образуется HS⁻, затем S²⁻. Это обозначение помогает правильно записывать диссоциацию и состав солей.

Сульфид — бинарное соединение серы с металлом или другим элементом; в солях сульфидного типа серу обычно представляют сульфид-ионом S²⁻. Например, формула Na₂S показывает, что два катиона Na⁺ уравновешивают заряд одного S²⁻. По составу соединения можно отличить сульфид от кислой соли.

Гидросульфид — кислая соль сероводородной кислоты, содержащая ион HS⁻. В нём остаётся атом водорода, поэтому гидросульфид соответствует неполной нейтрализации кислоты. Например, NaHS содержит Na⁺ и HS⁻, а не S²⁻.

Как это устроено

Молекула H₂S имеет угловую форму: два атома водорода связаны с атомом серы, а молекула не является линейной. Связи S–H полярны слабо, поэтому взаимодействие между молекулами сравнительно невелико. В обычных условиях сероводород — газ; он растворяется в воде, но растворимость не позволяет собирать его над водой. Учитывать форму и слабую полярность связей полезно, чтобы связать состав вещества с его физическими свойствами.

В растворе некоторые молекулы H₂S передают протон молекулам воды, из-за чего появляются ионы и раствор проявляет кислотные свойства. Процесс идёт не полностью: равновесие остаётся в основном на стороне недиссоциированных молекул, поэтому кислота слабая. Отдача первого протона образует HS⁻, а отдача второго — S²⁻: H₂S ⇌ H⁺ + HS⁻; HS⁻ ⇌ H⁺ + S²⁻. Вторая ступень выражена ещё слабее, поэтому важно не изображать обе стадии как полное превращение.

В H₂S сера находится в низшей степени окисления −2, поэтому в окислительно-восстановительных реакциях она может только повышать её. Например, при недостатке кислорода сероводород окисляется до серы: 2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O. При дальнейшем окислении могут образоваться соединения серы с более высокой степенью окисления. Именно возможность отдавать электроны объясняет, почему H₂S выступает восстановителем.

В лаборатории сероводород получают действием разбавленной кислоты на сульфид металла: например, FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Ионы водорода кислоты соединяются с сульфид-ионом и образуют газообразный H₂S. Его собирают вытеснением воздуха, потому что газ плотнее воздуха; над водой собирать его нельзя, поскольку он растворяется в ней. Сероводород токсичен, поэтому такие опыты проводят только с соблюдением правил безопасности и в вытяжном шкафу.

При взаимодействии H₂S с основанием нейтрализуются один или оба кислотных протона. Если основания недостаточно, образуется гидросульфид, например H₂S + NaOH → NaHS + H₂O; при полной нейтрализации получается сульфид: H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O. Растворимые сульфиды можно распознать, добавив раствор соли металла, с которым S²⁻ образует малорастворимое соединение. Например, Pb²⁺ + S²⁻ → PbS↓, и появляется осадок; конкретную растворимость проверяют по таблице.

Сероводород и его соединения: состав, свойства и реакции

Сначала найдите в таблице частицу HS⁻ и сопоставьте её с названием «гидросульфид»: это позволяет не спутать его с сульфидом, содержащим S²⁻. Последний столбец помогает связать состав соли с условиями её образования. По этой же логике можно проверить формулу: суммарный заряд катионов должен уравновешивать заряд анионов.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение получения сероводорода из сульфида железа(II) и разбавленной соляной кислоты. Кислота вытесняет слабую сероводородную кислоту из её соли, а H₂S выделяется в виде газа. Чтобы получить верное уравнение, нужно также проверить сохранение атомов и зарядов.

1. Определяем продукты: катион Fe²⁺ образует FeCl₂, а сульфид-ион после присоединения двух H⁺ превращается в H₂S.
2. Записываем схему FeS + HCl → FeCl₂ + H₂S и уравниваем хлор и водород коэффициентом 2 перед HCl.
3. Проверяем атомы: по два атома Cl и H с обеих сторон, по одному Fe и S.

Ответ: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑.

Задача 2. Запишите ступенчатую диссоциацию сероводородной кислоты и формулы её кислой и средней солей натрия. Здесь нужно проследить, сколько протонов теряется на каждой стадии, а затем подобрать число катионов Na⁺ для нейтрализации заряда аниона. Кислая соль сохраняет водород в анионе, средняя — не содержит его.

1. Первый протон отделяется от H₂S: H₂S ⇌ H⁺ + HS⁻.
2. Вторая ступень: HS⁻ ⇌ H⁺ + S²⁻. Двойная стрелка указывает на слабую диссоциацию, идущую как равновесный процесс.
3. Для HS⁻ нужен один Na⁺, поэтому кислая соль — NaHS. Для S²⁻ нужны два Na⁺, поэтому средняя соль — Na₂S.

Ответ: H₂S ⇌ H⁺ + HS⁻; HS⁻ ⇌ H⁺ + S²⁻; кислая соль — NaHS, средняя — Na₂S.

Задача 3. К раствору сульфида натрия добавили раствор нитрата свинца(II). Требуется составить сокращённое ионное уравнение и назвать наблюдаемый признак. Для этого отделяем ионы, которые непосредственно участвуют в образовании малорастворимого вещества, а ионы натрия и нитрат-ионы не включаем.

1. В водном растворе Na₂S имеются ионы Na⁺ и S²⁻, а в растворе Pb(NO₃)₂ — Pb²⁺ и NO₃⁻.
2. Проверяем таблицу растворимости: сульфид свинца малорастворим, поэтому Pb²⁺ и S²⁻ соединяются в PbS.
3. Записываем сокращённое ионное уравнение и указываем вид осадка.

Ответ: Pb²⁺ + S²⁻ → PbS↓; образуется чёрный осадок сульфида свинца(II).

Типичные ошибки

Называть H₂S сильной кислотой неверно: сходство названия с другими кислотами не определяет силу. Слабость связана с тем, что в воде диссоциирует лишь небольшая часть молекул. Проверяйте себя: при записи реакции диссоциации используйте знак равновесия, а не стрелку полного распада.

Запись только одной ступени диссоциации упускает возможность образования S²⁻. Обычно так делают, потому что первой стадии достаточно для получения HS⁻ и её проще запомнить. Проверка проста: в формуле H₂S есть два атома водорода, поэтому у кислоты две последовательные ступени — через HS⁻ к S²⁻.

Смешивать сульфид S²⁻ и гидросульфид HS⁻ нельзя: это разные частицы и разные классы солей. Путаница возникает из-за общего корня в названиях и близкого состава. Сверяйте формулу аниона: наличие H указывает на гидросульфид, отсутствие H — на сульфид; затем проверяйте, чтобы заряды частиц уравновешивались.

Утверждение, что любой сульфид нерастворим, слишком общее. Многие сульфиды металлов действительно выпадают в осадок, но растворимость зависит от конкретного вещества. Перед составлением ионного уравнения проверьте таблицу растворимости: она подскажет, будет ли образовываться осадок и можно ли сокращать ионы.

Связь с другими темами

Для работы с H₂S и его солями нужно уметь определять степени окисления и составлять формулы бинарных соединений. Эти знания позволяют находить степень окисления серы и проверять нейтральность формулы, например Na₂S. Без них легко перепутать заряд S²⁻ и число катионов металла.

Диссоциация и реакции сероводородной кислоты опираются на изученные свойства кислот и солей. При составлении сокращённых ионных уравнений применяют правила записи ионных процессов и таблицу растворимости. Она помогает отличить образование осадка от реакции, в которой все вещества остаются в растворе.

Сульфиды пригодятся при изучении качественных реакций на ионы и окислительно-восстановительных процессов. Осадки сульфидов помогают распознавать некоторые катионы, а изменение степени окисления серы показывает восстановительные свойства H₂S. Эти примеры также связывают тему с другими соединениями серы.

Что запомнить

• Формула сероводорода — H₂S.
• Сероводородная кислота слабая и двухосновная.
• При диссоциации H₂S последовательно образуются HS⁻ и S²⁻.
• Сероводород проявляет восстановительные свойства.
• Кислоты реагируют с сульфидами с выделением H₂S.
• Многие сульфиды металлов малорастворимы, но растворимость следует проверять.
• Гидросульфид содержит HS⁻, а сульфид — S²⁻.