17.4. Соединения серы со степенью окисления +4

Определения и обозначения

Диоксид серы SO₂ — оксид, в котором на один атом серы приходятся два атома кислорода, а степень окисления серы равна +4. Это бесцветный газ с резким запахом, растворимый в воде; его полярная угловая молекула объясняет способность взаимодействовать с водой и другими веществами. SO₂ — исходное соединение для получения многих соединений серы(+4).

Сернистая кислота H₂SO₃ — слабая неустойчивая кислота, существующая преимущественно в водном растворе. Её формулу используют, чтобы описывать кислотные свойства растворённого SO₂ и образование солей. В отличие от устойчивых кислот, H₂SO₃ нельзя получить и хранить как чистое вещество.

Сульфит — средняя соль сернистой кислоты, содержащая ион SO₃²⁻. Например, Na₂SO₃ — сульфит натрия; в таких солях атомы водорода кислоты полностью замещены металлом. Формула иона помогает распознавать соли серы(+4) и составлять уравнения их реакций.

Гидросульфит — кислая соль сернистой кислоты с ионом HSO₃⁻, например NaHSO₃. В отличие от сульфита, этот ион сохраняет один атом водорода, поэтому может реагировать со щёлочью с образованием средней соли. Гидросульфиты возникают, когда SO₂ взаимодействует с недостаточным количеством основания.

Как это устроено

Степень окисления +4 для серы промежуточная: при окислении она может повыситься до +6, а при восстановлении — понизиться, например до 0 или −2. Поэтому соединения серы(+4) проявляют разные окислительно-восстановительные свойства в зависимости от реагента. Если второй участник легко отдаёт электроны, сера может их принять; если он забирает электроны, соединение серы выступает восстановителем.

В молекуле SO₂ атом серы связан с двумя атомами кислорода, а форма молекулы угловая, не линейная. Из-за такой геометрии полярности связей не компенсируются, поэтому вся молекула полярна. Полярные молекулы воды хорошо взаимодействуют с полярными частицами SO₂, что способствует растворению газа; та же способность вступать во взаимодействия связана с его химической активностью.

SO₂ называют кислотным оксидом, потому что он образует кислоту при взаимодействии с водой и соли при реакции с основаниями. В воде устанавливается равновесие SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃, а со щёлочью продукт зависит от количества основания. При избытке SO₂ образуется кислая соль, например SO₂ + NaOH → NaHSO₃; при достатке щёлочи возможно образование средней соли: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O.

Сернистая кислота не выделяется в чистом виде, потому что её существование связано с равновесием в водном растворе. Если воду удалить, равновесие смещается в сторону исходных веществ, и H₂SO₃ разлагается на SO₂ и H₂O. Поэтому запись H₂SO₃ удобна для описания реакций раствора, но не означает, что можно получить устойчивую жидкость из чистой кислоты.

В ОВР соединения серы(+4) могут менять степень окисления в обе стороны. Часто SO₂ и сульфиты окисляются до соединений серы(+6), например сульфатов, под действием кислорода или сильных окислителей. Но сера(+4) может и восстанавливаться, если реагирует с сильным восстановителем; направление перехода определяют по изменению степеней окисления всех элементов в уравнении.

Соединения серы со степенью окисления +4 и их свойства

Используйте таблицу, чтобы сопоставить формулы с классом вещества и его поведением. В строках о получении и превращениях приведены типичные направления реакций, а не единственные возможные условия. Перед выбором продукта учитывайте среду и соотношение реагентов.

Разбор задач

Задача 1. Определите степень окисления серы в SO₂, H₂SO₃, Na₂SO₃ и NaHSO₃ и назовите соединения. В простых веществах сумма степеней окисления равна нулю, а в нейтральном соединении сумма тоже равна нулю. Кислород обычно имеет −2, водород — +1, натрий — +1.

1. В SO₂: x + 2 · (−2) = 0, значит x = +4; это диоксид серы.
2. В H₂SO₃: 2 · (+1) + x + 3 · (−2) = 0, значит x = +4; это сернистая кислота.
3. В Na₂SO₃: 2 · (+1) + x + 3 · (−2) = 0, значит x = +4; это сульфит натрия.
4. В NaHSO₃: (+1) + (+1) + x + 3 · (−2) = 0, значит x = +4; это гидросульфит натрия.

Ответ: во всех четырёх формулах сера имеет степень окисления +4; названия веществ приведены в шагах решения. Проверка состоит в том, чтобы убедиться: сумма степеней окисления с учётом индексов равна нулю. Ионы SO₃²⁻ и HSO₃⁻ сами имеют заряд, поэтому при расчёте для них сумма равна заряду иона.

Задача 2. Через раствор, содержащий 0,2 моль SO₂, пропустили раствор NaOH с 0,3 моль NaOH. Определите состав образовавшихся солей. Для полной нейтрализации одного моля SO₂ нужно два моля NaOH, а для образования гидросульфита — один моль основания. Здесь основания больше, чем нужно для перевода всего SO₂ в гидросульфит, но меньше, чем требуется для одного только сульфита.

1. Обозначим количество Na₂SO₃ через x, а NaHSO₃ через y. Всего серы в солях столько же, сколько было SO₂, поэтому x + y = 0,2.
2. На один моль Na₂SO₃ расходуются два моля NaOH, на один моль NaHSO₃ — один моль. Получаем уравнение 2x + y = 0,3.
3. Вычитаем первое уравнение из второго: x = 0,1 моль. Тогда y = 0,1 моль.

Ответ: образуются 0,1 моль Na₂SO₃ и 0,1 моль NaHSO₃. Такой расчёт показывает, почему нельзя автоматически записывать только одну соль: количество щёлочи позволяет нейтрализовать часть кислоты полностью, а часть — лишь до кислой соли. Баланс натрия также сходится: соли содержат 0,3 моль атомов натрия.

Задача 3. Составьте реакцию окисления SO₂ раствором перманганата калия в кислой среде и определите окислитель и восстановитель. В кислой среде марганец в MnO₄⁻ обычно восстанавливается до Mn²⁺. Сера в SO₂ повышает степень окисления с +4 до +6, поэтому эти изменения можно уравнять электронным балансом.

1. Записываем изменения: S(+4) − 2e⁻ → S(+6); Mn(+7) + 5e⁻ → Mn(+2).
2. Наименьшее общее число электронов — 10, поэтому первую полуреакцию умножаем на 5, вторую — на 2.
3. После добавления воды и веществ кислой среды получаем: 5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄.

Ответ: уравнение уравнено; окислитель — KMnO₄, восстановитель — SO₂. Перманганат принимает электроны, а SO₂ их отдаёт. Проверка: число атомов каждого элемента и суммарный заряд в уравнении сбалансированы.

Типичные ошибки

Считать H₂SO₃ устойчивым веществом, которое можно выделить в чистом виде. Ошибка возникает из-за того, что формулу кислоты записывают в уравнениях так же, как формулы устойчивых кислот. На деле это равновесная система SO₂ и воды, и при удалении воды кислота разлагается обратно. Проверка: при записи H₂SO₃ уточните, что речь идёт о водном растворе.

Записывать при любой реакции SO₂ с NaOH только Na₂SO₃. Так поступают, если помнят лишь полное замещение водорода кислоты. Однако при недостатке щёлочи образуется NaHSO₃, а при промежуточном соотношении веществ возможна смесь солей. Проверка: сопоставьте моли SO₂ и NaOH и проверьте, хватает ли основания на два моля на каждый моль SO₂.

Называть SO₂ восстановителем во всех реакциях. Часто это обобщают по распространённым реакциям окисления SO₂, но сера(+4) может и принимать электроны. С сильным восстановителем SO₂ выступает окислителем, например в реакции с H₂S. Проверка: определите, повышается или понижается степень окисления серы в конкретном уравнении.

Путать сульфит SO₃²⁻ с сульфатом SO₄²⁻. Похожие названия и формулы отличаются одним атомом кислорода, из-за чего легко перепутать и степень окисления серы. В сульфите сера имеет +4, в сульфате — +6. Проверка: подставьте степень окисления кислорода −2 и сложите значения с учётом индексов и заряда иона.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны правила определения степеней окисления, свойства кислотных оксидов и умение составлять уравнения реакций. Понятия слабой кислоты, электролитической диссоциации и кислых солей помогают объяснить, почему возникают сульфиты и гидросульфиты. Знание соединений серы(+4) пригодится при изучении ОВР и соединений серы(+6), в качественном анализе сульфитов и при разборе процессов в атмосфере.

Что запомнить

• В SO₂ и его производных сера имеет степень окисления +4.
• SO₂ — кислотный оксид с угловой полярной молекулой.
• В воде SO₂ образует слабую неустойчивую сернистую кислоту.
• При взаимодействии SO₂ со щёлочью образуются сульфиты или гидросульфиты.
• Сульфит-ион имеет формулу SO₃²⁻, а гидросульфит-ион — HSO₃⁻.
• Соединения серы(+4) могут быть и окислителями, и восстановителями.
• При окислении соединений серы(+4) обычно образуются соединения серы(+6).