17.5. Соединения серы со степенью окисления +6

Определения и обозначения

Степень окисления серы +6 — условный заряд атома серы в соединении, рассчитанный по правилам распределения электронов. В SO₃ кислород имеет степень окисления −2, поэтому три атома кислорода дают −6, а сера должна иметь +6. В H₂SO₄ сумма степеней окисления водорода (+1) и кислорода (−2) равна нулю, откуда для серы также получается +6; в SO₄²⁻ сумма равна заряду иона −2, что снова даёт сере +6. Этот расчёт помогает проследить, какие соединения серы относятся к одной степени окисления.

Оксид серы(VI), или серный ангидрид, имеет формулу SO₃. Это кислотный оксид, которому соответствует серная кислота: при присоединении воды SO₃ превращается в H₂SO₄. Связь формул позволяет предсказывать свойства оксида и понимать его роль в получении кислоты.

Серная кислота — соединение состава H₂SO₄, в молекуле которого атом серы связан с кислородными атомами и двумя гидроксильными группами. Она относится к сильным двухосновным кислотам: в водном растворе отдаёт два протона, обычно последовательно, и образует два ряда солей. Поэтому её формула помогает объяснить появление как гидросульфатов, так и сульфатов.

Олеум — раствор оксида серы(VI) SO₃ в серной кислоте. Его состав условно выражают формулой H₂SO₄·nSO₃, где n показывает количество растворённого оксида. Олеум нужен для работы с SO₃ в жидком виде и получения серной кислоты нужной концентрации.

Как это устроено

В кислородсодержащих соединениях серы степень окисления находят по известным значениям кислорода и водорода, а затем учитывают суммарный заряд частицы. Например, для SO₄²⁻: x + 4·(−2) = −2, поэтому x = +6. Это высшая степень окисления серы в обычных соединениях: при дальнейшем окислении отдать электроны сере уже некуда, поэтому соединения S(+6) могут принимать электроны в окислительно-восстановительных реакциях.

Оксид SO₃ получают окислением SO₂ кислородом: 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃. Реакция обратима и выделяет тепло, поэтому слишком высокая температура ухудшает равновесный выход продукта, хотя ускоряет превращение; слишком низкая температура делает его медленным. Катализатор, например V₂O₅, ускоряет установление равновесия, но не смещает его, а выбранные температура и давление помогают совместить скорость и выход SO₃.

SO₃ с водой образует серную кислоту: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Поглощать оксид непосредственно большим количеством воды неудобно: процесс идёт с сильным выделением тепла и образованием мелких капель кислоты. Поэтому SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄, получая олеум; добавление к нему рассчитанного количества воды позволяет получить кислоту нужной концентрации.

Разбавленная H₂SO₄ проявляет обычные кислотные свойства: реагирует с активными металлами с выделением водорода, а также с основаниями и основными оксидами. Концентрированная кислота при нагревании окисляет многие металлы, например медь, сама обычно восстанавливаясь до SO₂; водород при этом не выделяется. Окислительное действие зависит от концентрации и условий: холодная концентрированная кислота пассивирует железо и алюминий, образуя на поверхности защитный слой, а для реакции меди требуется нагревание.

При полной нейтрализации H₂SO₄ основаниями образуются сульфаты, содержащие SO₄²⁻; при недостатке основания или избытке кислоты могут образоваться гидросульфаты HSO₄⁻. Сульфат-ион обнаруживают раствором, содержащим Ba²⁺: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Белый осадок сульфата бария практически не растворяется в воде, поэтому его появление служит качественным признаком сульфат-ионов.

Соединения серы со степенью окисления +6

Сначала сравните формулы и установите, как оксид, кислота и олеум связаны последовательными превращениями. Затем используйте столбцы о характерных свойствах и реакциях, чтобы отличать их друг от друга. Последний столбец показывает, где знания о каждом соединении применяются на практике.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции оксида серы(VI) с водой и определите степень окисления серы в продукте. Нужно связать кислотный оксид с соответствующей кислотой, а затем проверить сумму степеней окисления в формуле продукта.

1. Записываем продукты: SO₃ — кислотный оксид, соответствующий серной кислоте, поэтому продуктом будет H₂SO₄.
2. Составляем уравнение и проверяем число атомов: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Слева и справа по два атома водорода, одному атому серы и четырём атомам кислорода.
3. Пусть степень окисления серы равна x. Тогда 2·(+1) + x + 4·(−2) = 0, откуда x = +6.

Ответ: SO₃ + H₂O → H₂SO₄; степень окисления серы в продукте равна +6.

Задача 2. Запишите реакцию меди с концентрированной серной кислотой при нагревании и назовите окислитель и восстановитель. Проверяем изменение степеней окисления: медь отдаёт электроны, а сера кислоты их принимает.

1. Медь окисляется: Cu⁰ → Cu²⁺ в составе CuSO₄. Сера в H₂SO₄ восстанавливается: S⁺⁶ → S⁺⁴ в SO₂.
2. Записываем и уравниваем реакцию: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.
3. Концентрированная H₂SO₄ принимает электроны и является окислителем, а медь отдаёт электроны и является восстановителем.

Ответ: Cu + 2H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O; окислитель — H₂SO₄, восстановитель — Cu.

Задача 3. При растворении 20,0 г SO₃ в избытке воды рассчитайте массу чистой H₂SO₄. По уравнению реакции определяем соотношение веществ: один моль SO₃ даёт один моль H₂SO₄.

1. Записываем реакцию: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Молярная масса SO₃ равна 80 г/моль, поэтому n(SO₃) = 20,0 г / 80 г/моль = 0,25 моль.
2. Из коэффициентов следует, что n(H₂SO₄) = 0,25 моль. Молярная масса H₂SO₄ равна 98 г/моль.
3. Находим массу продукта: m(H₂SO₄) = 0,25 моль · 98 г/моль = 24,5 г. Избыток воды означает, что ограничивающим реагентом является SO₃.

Ответ: образуется 24,5 г чистой H₂SO₄.

Типичные ошибки

Ошибочно считать разбавленную и концентрированную серную кислоту одинаковыми по окислительным свойствам. Это происходит, если не учитывать концентрацию и условия реакции: разбавленная кислота обычно реагирует с активными металлами с выделением H₂, а концентрированная может восстанавливаться до SO₂ и других продуктов. Проверяйте, какая кислота указана в условии и требуется ли нагревание.

При реакции SO₃ с водой иногда записывают сернистую кислоту H₂SO₃. Путаница возникает из-за похожих названий оксидов серы, но SO₂ соответствует сернистой кислоте, а SO₃ — серной. Проверьте формулу: в продукте реакции SO₃ + H₂O число атомов кислорода равно четырём, поэтому образуется H₂SO₄.

Олеум принимают за безводную серную кислоту, хотя это не одно и то же. Ошибку провоцирует то, что оба вещества связаны с H₂SO₄ и используются в концентрированном виде. Сверьте состав: олеум — это раствор SO₃ в серной кислоте, его условная формула H₂SO₄·nSO₃.

Наличие серы в формуле не доказывает, что раствор содержит сульфат-ионы: сера встречается и в других частицах. Для качественного распознавания добавляют ионы Ba²⁺ и проверяют, выпал ли белый осадок BaSO₄. Записывайте сокращённое ионное уравнение и убедитесь, что осадок образуется именно из Ba²⁺ и SO₄²⁻.

Связь с другими темами

Для определения степени окисления и уравнивания реакций понадобятся правила, изученные ранее, в том числе электронный баланс. Тема опирается на свойства серы и SO₂: превращение SO₂ в SO₃ является важным этапом получения кислоты. Общие свойства кислот и солей помогают понять образование сульфатов, гидросульфатов и осадка BaSO₄.

Серная кислота и её соли важны не только для решения уравнений. Их свойства связаны с промышленным химическим производством, электролитами и качественным анализом ионов. Умение различать концентрацию кислоты особенно полезно при изучении окислительно-восстановительных реакций и безопасной работе в лаборатории.

Что запомнить

• В SO₃, H₂SO₄ и сульфат-ионах степень окисления серы равна +6.
• SO₃ — кислотный оксид; при взаимодействии с водой образуется H₂SO₄.
• Олеум представляет собой раствор SO₃ в серной кислоте.
• Серная кислота — сильная двухосновная кислота.
• Концентрированная H₂SO₄ проявляет окислительные свойства; продукты реакции зависят от условий и восстановителя.
• Ионы Ba²⁺ обнаруживают сульфат-ионы по образованию осадка BaSO₄.