18. Кислород и сера

Определения и обозначения

Кислород — химический элемент и простое вещество O₂, но эти значения не равны друг другу. Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, а простое вещество состоит из атомов одного элемента. Поэтому кислород как элемент входит в состав воды и многих минералов, а O₂ — отдельное вещество, молекулы которого состоят из двух атомов кислорода. Различие помогает не путать обозначение элемента O с формулой его простого вещества.

Озон — простое вещество O₃, состоящее из трёхатомных молекул кислорода. Его молекулы содержат те же атомы, что и O₂, но атомов в них больше, поэтому озон обладает другими свойствами. Формула O₃ нужна, чтобы отличать озон от обычного молекулярного кислорода. Озон образуется, например, под действием электрического разряда или ультрафиолетового излучения.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Причиной могут быть различия в составе молекул или в их строении и расположении частиц. Так, кислород образует O₂ и O₃, а у серы есть несколько форм с различным устройством частиц. Понятие аллотропии позволяет объяснить, почему вещества из атомов одного элемента не всегда имеют одинаковые свойства.

Сера — химический элемент и простое вещество, атомы которого могут образовывать молекулы и цепи. При обычных условиях частицы серы чаще всего объединены в кольцевые молекулы S₈, а при нагревании структура может изменяться и возникать цепочечное строение. Это помогает понять, почему сера имеет несколько аллотропных форм и почему её свойства зависят от условий. Символ S обозначает элемент, а формула S₈ — молекулу простого вещества.

Как это устроено

Кислород и сера стоят в одной, 16-й группе периодической системы, поэтому на внешнем электронном уровне их атомов по шесть электронов. Внешний уровень определяет, как атом взаимодействует с другими атомами, и объясняет сходство некоторых химических свойств элементов. Для завершения внешнего уровня атомам обычно недостаёт двух электронов, поэтому кислород и сера часто выступают как окислители. Однако атомы серы крупнее, и её химические свойства не полностью совпадают со свойствами кислорода.

В молекуле O₂ два атома кислорода соединены друг с другом; такая частица устойчива при обычных условиях. При воздействии электрического разряда или ультрафиолета часть молекул O₂ превращается в O₃, состоящий из трёх атомов. Это не превращение одного химического элемента в другой: меняется только форма существования кислорода. O₂ — бесцветный газ, поддерживающий горение, а озон — голубоватый газ с резким запахом, более активный и ядовитый в высокой концентрации.

Свойства серы зависят от того, как соединены и расположены её атомы. В ромбической и моноклинной сере есть кольцевые молекулы S₈, но они по-разному упакованы в кристаллах; поэтому различаются устойчивость и температура перехода между формами. Ромбическая сера устойчива при обычной температуре, а при нагревании её сменяет моноклинная. Если расплавленную серу быстро охладить, образуется пластическая сера с длинными цепями атомов; она эластична и со временем снова превращается в более устойчивую форму.

Кислород и сера могут принимать электроны в химических реакциях, поэтому проявляют окислительные свойства. Кислород реагирует со многими веществами с выделением тепла, но сам не является горючим: он поддерживает горение других веществ. При реакции серы с кислородом атомы серы соединяются с атомами кислорода и образуют оксид. В обычных условиях горения получается оксид серы(IV), SO₂, а не просто смесь двух исходных веществ.

Высокая химическая активность кислорода объясняет, почему в природе он обычно связан с другими элементами: входит в состав воды, минералов и живых организмов, а в свободном виде образует O₂ в атмосфере. Сера менее активна и может встречаться как в соединениях — например, в сульфидах и сульфатах, — так и в свободном состоянии. В земной коре свободная сера образуется, в частности, вблизи вулканов и месторождений. Соотношение свободных и связанных форм зависит от условий среды и химической активности элемента.

Сравнение кислорода и серы

Сравнивайте вещества по одной характеристике за раз: так легче увидеть и сходство элементов, и различие их простых веществ. Формулы и строение частиц помогают объяснить физические свойства, а сведения о реакциях — предсказать продукты взаимодействия. Строки о получении и применении связывают свойства веществ с их использованием человеком.

Разбор задач

1. Формулы кислорода и озона

Условие. Запишите формулы простых веществ кислорода и озона и укажите, какое явление иллюстрирует их существование. Нужно отличить число атомов в молекуле от обозначения самого химического элемента. Сравнение формул подскажет, можно ли считать эти вещества разными элементами.

1. Записываем формулу обычного молекулярного кислорода: O₂.
2. Озон состоит из трёх атомов кислорода в молекуле, поэтому его формула — O₃.
3. Обе формулы описывают простые вещества одного элемента, существующие в разных формах.

Ответ. Кислород — O₂, озон — O₃. Их существование иллюстрирует аллотропию.

2. Горение серы

Условие. Составьте уравнения горения серы в кислороде и образования оксида серы(IV), расставьте коэффициенты. Здесь нужно определить формулы реагентов и продукта, а затем проверить число атомов с каждой стороны стрелки. При обычном горении серы в кислороде продуктом является SO₂.

1. Записываем исходные вещества: сера S и кислород O₂.
2. Оксид серы(IV) содержит один атом серы и два атома кислорода, значит формула продукта — SO₂.
3. Составляем уравнение S + O₂ → SO₂. Слева и справа по одному атому S и по два атома O, поэтому коэффициенты уже расставлены.

Ответ. S + O₂ → SO₂. Это уравнение показывает горение серы и образование оксида серы(IV).

3. Объём кислорода для сгорания серы

Условие. При сгорании серы массой 6,4 г образовался SO₂. Рассчитайте объём израсходованного кислорода при нормальных условиях. Сначала по массе найдём количество вещества серы, затем используем соотношение коэффициентов в уравнении и молярный объём газа 22,4 л/моль.

1. Уравнение реакции: S + O₂ → SO₂. По коэффициентам 1:1 на один моль серы расходуется один моль кислорода.
2. Молярная масса серы M(S) = 32 г/моль. Количество серы n(S) = m/M = 6,4/32 = 0,2 моль.
3. Значит, n(O₂) = 0,2 моль. При нормальных условиях V(O₂) = n × 22,4 = 0,2 × 22,4 = 4,48 л.

Ответ. На сгорание 6,4 г серы расходуется 4,48 л кислорода при нормальных условиях. Проверьте, что использовали коэффициенты уравнения и молярный объём именно для газа.

Типичные ошибки

Ошибка — называть O₂ и O₃ разными химическими элементами. Её допускают, если принимают индекс в формуле за обозначение нового элемента, хотя в обоих веществах атомы кислорода. Проверяйте символы элементов: одинаковый символ O означает один элемент, а разные формулы показывают разные простые вещества.

Иногда озон считают просто другим обозначением кислорода и переносят на него свойства O₂. Но O₃ отличается числом атомов в молекуле, строением и химической активностью, поэтому это отдельное простое вещество. Перед описанием свойств сверяйте формулу: O₂ — кислород, O₃ — озон.

Неверно утверждать, что сера всегда состоит только из молекул S₈. При нагревании кольцевые частицы могут раскрываться и образовывать цепи, а при охлаждении расплава получают пластическую серу. Проверяйте, о каких условиях и форме серы идёт речь, прежде чем описывать строение её частиц.

При горении серы иногда записывают продукты реакции, не учитывая условия или состав реагентов. Привычный продукт горения серы в кислороде — SO₂, но формулу продукта нельзя выбирать наугад: сначала учитывают условия задачи и название оксида. Затем составляют уравнение и проверяют число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и электронных оболочках: они объясняют положение кислорода и серы в одной группе. Также важно уметь составлять формулы веществ и уравнивать реакции по числу атомов. Эти навыки пригодятся при изучении оксидов, кислот и окислительно-восстановительных реакций, где одни частицы передают электроны другим. Сведения о распространении кислорода и серы помогают разбирать круговороты веществ в природе.

Что запомнить

• Кислород и сера принадлежат к одной группе периодической системы.
• Формулы основных простых веществ кислорода — O₂ и O₃.
• O₂ и O₃ — аллотропные формы кислорода.
• Сера существует в нескольких аллотропных формах.
• Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим.
• При горении серы в кислороде обычно образуется оксид серы(IV).