§ 17. Сера

Определения и обозначения

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, атомы серы образуют кристаллические и аморфные формы. Это понятие помогает не путать разные формы серы с разными химическими элементами.

Ромбическая сера — наиболее устойчивая при обычных условиях кристаллическая модификация серы. Её кристаллы состоят из молекул S₈, расположенных в ромбической кристаллической решётке. Название указывает на строение кристалла, а не на иной состав вещества.

Моноклинная сера — кристаллическая модификация серы, устойчивая при нагревании выше температуры перехода, около 95,6 °C. Её молекулы также имеют состав S₈, но иначе упорядочены в кристалле. Определение позволяет связать появление этой формы с нагреванием.

Пластическая сера — аморфная эластичная модификация, образующаяся при быстром охлаждении расплавленной серы. В ней нет упорядоченного кристаллического строения, характерного для двух других форм. Она неустойчива и со временем превращается преимущественно в ромбическую серу.

Как это устроено

Сера находится в 16-й группе периодической системы, которую в школьной традиции также называют VI группой. На внешнем энергетическом уровне её атома шесть электронов, поэтому до завершения внешнего уровня ему не хватает двух. Отсюда часто возникают степень окисления −2 и валентность II, например в H₂S; при образовании соединений с кислородом сера может иметь степени окисления +4 и +6. В простом веществе степень окисления серы равна нулю, а возможные валентности в разных соединениях зависят от связей атома.

Аллотропные формы возникают потому, что атомы одного элемента способны по-разному объединяться или упорядочиваться. В обычных условиях молекулы S₈ образуют устойчивые кристаллы ромбической серы; выше примерно 95,6 °C более устойчивой становится моноклинная форма. При охлаждении моноклинная сера постепенно снова превращается в ромбическую. Если расплав быстро вылить в холодную воду, молекулы не успевают выстроиться в кристаллы, поэтому получается эластичная пластическая сера, которая со временем теряет эластичность.

При комнатной температуре сера — жёлтое твёрдое вещество. При нагревании кристаллы сначала плавятся, и образуется подвижная жидкость; при дальнейшем нагревании кольца S₈ раскрываются, а длинные цепочки атомов соединяются в более крупные структуры. Из-за этого расплав темнеет и становится вязким, хотя при ещё более высокой температуре подвижность снова возрастает. При охлаждении расплава быстрое закаливание даёт пластическую серу, а медленное охлаждение позволяет образоваться кристаллическим модификациям.

В окислительно-восстановительной реакции окислитель принимает электроны, а восстановитель отдаёт их. Сера со степенью окисления 0 может и понизить её, например до −2 при реакции с металлом или водородом, и повысить, например до +4 при реакции с кислородом. Поэтому нельзя заранее назвать серу только окислителем или только восстановителем: нужно сравнить её степень окисления в исходном веществе и продукте. Направление процесса зависит также от того, какое изменение степени окисления возможно у второго реагента.

С металлами сера обычно образует сульфиды: например, при нагревании железа с серой получается FeS. С водородом при подходящих условиях она образует сероводород H₂S, а при горении в кислороде — диоксид серы SO₂. Эти реакции важны как способы получения соответствующих соединений: сероводород используют в химическом анализе, а SO₂ служит промежуточным веществом при производстве серной кислоты. При составлении уравнений учитывают молекулярный состав серы S₈, если записывают её именно как молекулы простого вещества.

Аллотропные модификации серы

Сравнивайте формы прежде всего по строению и устойчивости: состав атомов у них один и тот же, но организация частиц различается. Температурные границы показывают, какая кристаллическая форма устойчивее при нагревании или охлаждении. Растворимость помогает отличить пластическую серу от кристаллических форм.

Разбор задач

1. Степени окисления серы

Условие. Определите степени окисления серы в H₂S, S₈, SO₂ и H₂SO₄ и укажите, где сера может быть окислителем или восстановителем. Сначала применяем правила: у водорода обычно +1, у кислорода −2, а сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю. Затем связываем найденное значение с изменением степени окисления при реакции.

1. В H₂S: 2 · (+1) + x = 0, поэтому x = −2.
2. В простом веществе S₈ степень окисления каждого атома серы равна 0.
3. В SO₂: x + 2 · (−2) = 0, поэтому x = +4.
4. В H₂SO₄: 2 · (+1) + x + 4 · (−2) = 0, поэтому x = +6.
5. Степень окисления 0 может понижаться до −2 или повышаться до +4 и +6. При понижении сера принимает электроны и является окислителем, при повышении отдаёт электроны и является восстановителем.

Ответ. В H₂S сера имеет −2, в S₈ — 0, в SO₂ — +4, в H₂SO₄ — +6. В реакции, где S₈ превращается в H₂S или сульфид, сера выступает окислителем; при образовании SO₂ — восстановителем. Само по себе число степени окисления не определяет роль вещества вне конкретной реакции.

2. Реакции серы с железом, водородом и кислородом

Условие. Запишите уравнения реакций, расставьте коэффициенты электронным балансом и определите тип каждой реакции. Баланс показывает, сколько электронов отдают и принимают атомы, а коэффициенты уравнивают этот обмен. В каждой реакции участвует простое вещество сера, поэтому начальная степень окисления её атомов равна нулю.

1. С железом: Fe⁰ − 2e⁻ → Fe²⁺; S⁰ + 2e⁻ → S²⁻. Электроны уравнены в отношении 1:1, поэтому Fe + S → FeS. Это реакция соединения и окислительно-восстановительная реакция; сера — окислитель.
2. С водородом: H₂⁰ − 2e⁻ → 2H⁺; S⁰ + 2e⁻ → S²⁻. Получаем H₂ + S → H₂S. Это реакция соединения и ОВР, в которой сера принимает электроны и является окислителем.
3. С кислородом: S⁰ − 4e⁻ → S⁺⁴; O₂⁰ + 4e⁻ → 2O²⁻. Получаем S + O₂ → SO₂. Это реакция соединения и ОВР; сера отдаёт электроны и является восстановителем.

Ответ. Уравнения: Fe + S → FeS; H₂ + S → H₂S; S + O₂ → SO₂. Во всех случаях из двух веществ образуется одно соединение, поэтому это реакции соединения; все три также являются ОВР. В школьных уравнениях сера записана символом S как условная формула простого вещества, а при учёте молекул S₈ уравнение горения можно записать как S₈ + 8O₂ → 8SO₂.

3. Расчёт массы серы для получения SO₂

Условие. Пусть требуется получить 64 г SO₂ при выходе реакции 80%. Найдите массу серы, которую нужно сжечь. Выход показывает, какую долю от теоретически возможной массы продукта удалось получить; поэтому сначала надо определить теоретическую массу SO₂, а затем рассчитать количество серы по уравнению реакции.

1. Запишем уравнение: S + O₂ → SO₂. Один моль серы даёт один моль диоксида серы.
2. Молярная масса SO₂ равна 64 г/моль, серы — 32 г/моль. Теоретическая масса продукта: mтеор = 64 г / 0,80 = 80 г.
3. Количество SO₂ по теоретической массе: n = 80 г / 64 г/моль = 1,25 моль.
4. По соотношению 1:1 требуется 1,25 моль серы. Тогда m(S) = 1,25 моль · 32 г/моль = 40 г.
5. Проверка: теоретически из 40 г серы получится 80 г SO₂, а 80% от этого количества — 64 г.

Ответ. Нужно сжечь 40 г серы. Если в условии заданы другие масса продукта и выход, расчёт выполняют тем же способом: делят практическую массу на долю выхода, а затем используют стехиометрическое соотношение уравнения. Процент выхода перед вычислениями переводят в десятичную дробь.

Типичные ошибки

Считать ромбическую, моноклинную и пластическую серу разными химическими элементами — значит смешивать элемент и простые вещества, образованные его атомами. Такая ошибка возникает из-за разных названий, цвета и физических свойств модификаций. Проверьте себя: во всех формах речь идёт об атомах серы, а переход между ними не меняет химический состав.

Утверждать, что сера всегда только окислитель или только восстановитель, нельзя: её роль определяется изменением степени окисления в конкретной реакции. Это упрощение появляется, когда запоминают одну реакцию и переносят вывод на все остальные. Сравните степень окисления серы до и после реакции: при понижении она принимает электроны, при повышении отдаёт.

Запись S вместо S₈ может быть неточной, если задача требует учитывать молекулярный состав простого вещества. В уравнениях символ S часто используют условно, но в расчётах важно понимать, относится ли молярная масса к одному молю атомов или молекул. Проверьте баланс: для S₈ число атомов серы должно быть учтено в коэффициентах, например S₈ + 8O₂ → 8SO₂.

Переход ромбической серы в моноклинную — не химическая реакция, потому что новые вещества не образуются. Ошибку провоцирует изменение внешнего вида и кристаллической структуры. Убедитесь, что формула остаётся той же: меняется расположение частиц, а не состав; это физическое превращение.

Связь с другими темами

Для понимания свойств серы нужны знания о строении атома, положении элемента в периодической системе и правилах определения степеней окисления. Без умения составлять электронный баланс трудно установить, кто принимает и кто отдаёт электроны в реакции. Эти навыки пригодятся дальше при изучении сероводорода, оксидов серы и серной кислоты.

Реакция сгорания серы с образованием SO₂ связана с производством серной кислоты: диоксид серы служит исходным веществом для дальнейших стадий процесса. В промышленности важно контролировать выбросы SO₂, поскольку они загрязняют воздух и участвуют в образовании кислотных осадков. Поэтому химические свойства серы имеют и практическое, и экологическое значение.

Что запомнить

• Сера — неметалл VI группы, простое вещество с молекулярным строением S₈.
• Сера имеет несколько аллотропных модификаций.
• При обычных условиях наиболее устойчива ромбическая сера.
• При нагревании ромбическая сера переходит в моноклинную.
• Пластическая сера образуется при быстром охлаждении расплава.
• Сера реагирует с металлами, водородом и кислородом.
• В ОВР сера может быть и окислителем, и восстановителем.