20. Оксиды серы

Определения и обозначения

Диоксид серы SO₂, или сернистый газ, — соединение одного атома серы с двумя атомами кислорода. Кислород обычно имеет степень окисления −2, поэтому степень окисления серы в SO₂ равна +4. Это бесцветный газ с резким удушливым запахом, растворимый в воде и ядовитый; свойства вещества важно учитывать при его получении и использовании.

Триоксид серы SO₃ состоит из одного атома серы и трёх атомов кислорода, поэтому степень окисления серы в нём +6. По сравнению с SO₂ сера в SO₃ отдала больше электронов при образовании соединения и достигла более высокой степени окисления. При обычных условиях SO₃ — летучее вещество, которое может быть бесцветной жидкостью или кристаллическим твёрдым веществом; оно активно взаимодействует с влагой.

Кислотный оксид — оксид, которому соответствует кислота и который реагирует с основаниями и основными оксидами с образованием солей. SO₂ и SO₃ относят к этой группе, потому что при взаимодействии с водой они образуют кислоты, а с щёлочами — соли. Это определение помогает предсказывать возможные реакции оксидов, даже если вода в них не участвует.

Сернистая кислота H₂SO₃ связана с растворением SO₂ в воде: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Она неустойчива и существует только в водном растворе, а не как устойчивое чистое вещество. Обратимость реакции означает, что раствор может выделять SO₂, поэтому формулу H₂SO₃ важно не принимать за указание на обычную стабильную кислоту.

Как это устроено

При горении сера соединяется с кислородом воздуха и образует SO₂: S + O₂ → SO₂. Обжиг сульфидных руд — нагревание руды в присутствии кислорода — также приводит к выделению этого газа, поскольку сера в руде окисляется. Например, при обжиге пирита протекает реакция 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂. Получение SO₂ таким способом используют в промышленности как начальный этап производства серной кислоты.

Кислотные свойства оксидов проявляются не только при растворении в воде. SO₂ образует раствор сернистой кислоты: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃, а SO₃ с водой даёт серную кислоту: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. При реакции с основаниями SO₂ может образовать среднюю соль или кислую соль: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O либо SO₂ + NaOH → NaHSO₃. С основным оксидом он тоже образует соль, например SO₂ + CaO → CaSO₃; SO₃ аналогично даёт с основаниями сульфаты, а с основными оксидами — сульфаты.

SO₂ окисляется кислородом до SO₃: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃. Реакция не идёт достаточно быстро без подходящих условий, поэтому в промышленности смесь нагревают и пропускают через катализатор — вещество, ускоряющее реакцию, но не расходующееся в ней; часто используют V₂O₅. Подбор температуры важен: слишком низкая замедляет превращение, а слишком высокая снижает равновесный выход SO₃. Катализатор помогает реакции быстрее достичь равновесия.

Сера в SO₂ имеет степень окисления +4 и может окисляться до +6, тогда как в SO₃ она уже находится в степени окисления +6. Поэтому SO₂ способен вступать в окислительные реакции, например с кислородом, а для SO₃ дальнейшее окисление серы в обычных школьных реакциях нехарактерно. Оба оксида проявляют кислотные свойства, но продукты взаимодействия с водой различаются: из SO₂ возникает неустойчивая сернистая кислота, из SO₃ — серная.

Оксиды серы попадают в воздух при сжигании серосодержащего топлива и обжиге сульфидных руд, а также могут возникать при природных процессах, например извержениях вулканов. В атмосфере SO₂ окисляется, а оксиды серы взаимодействуют с водой, образуя кислоты, которые выпадают с дождём, снегом или туманом. Такие кислотные осадки закисляют водоёмы и почвы, повреждают растения и ускоряют разрушение каменных сооружений. Выбросы уменьшают, очищая дымовые газы от SO₂, используя топливо с низким содержанием серы и сокращая его сжигание.

Сравнение оксидов серы

Сначала сравнивайте степени окисления и формулы: так легче не перепутать состав веществ и направление превращения SO₂ в SO₃. Затем по строкам о воде и основаниях проверяйте, какие продукты ожидаются в реакции. Таблица также показывает, почему важно контролировать выбросы обоих оксидов.

Разбор задач

Задача 1. Записать уравнение реакции горения серы и определить степень окисления серы в образовавшемся оксиде.

1. При горении сера соединяется с кислородом. Из двух распространённых оксидов непосредственным продуктом горения является диоксид серы SO₂.
2. Записываем схему S + O₂ → SO₂. Слева и справа по одному атому серы и по два атома кислорода, поэтому уравнение уже уравнено.
3. В соединениях кислород обычно имеет степень окисления −2. Сумма степеней окисления в нейтральной молекуле равна нулю: x + 2 · (−2) = 0, значит x = +4.

Ответ: S + O₂ → SO₂; степень окисления серы равна +4.

Задача 2. Записать уравнения взаимодействия SO₂ с водой и раствором NaOH, назвать продукты.

1. SO₂ — кислотный оксид, поэтому при растворении в воде образует соответствующую кислоту: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃. Продукт — неустойчивая сернистая кислота.
2. Состав соли при реакции со щёлочью зависит от соотношения реагентов. При избытке NaOH на один моль SO₂ приходятся два моля NaOH: SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O.
3. В этом случае образуются сульфит натрия и вода. Если щёлочи недостаточно, возможно образование кислой соли: SO₂ + NaOH → NaHSO₃; это гидросульфит натрия.

Ответ: SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃; SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O (сульфит натрия и вода). При соотношении 1:1 может образоваться NaHSO₃.

Задача 3. Какую массу SO₃ можно получить при окислении 6,4 г SO₂ избытком кислорода, если выход реакции равен 80%?

1. Записываем уравнение: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃. Коэффициенты показывают, что SO₂ и SO₃ реагируют и образуются в соотношении 1:1 по количеству вещества.
2. Молярная масса SO₂ равна 64 г/моль. Находим количество вещества: n(SO₂) = 6,4 г ÷ 64 г/моль = 0,10 моль.
3. Кислород взят в избытке, значит именно SO₂ определяет количество продукта. Теоретически образуется 0,10 моль SO₃; его молярная масса равна 80 г/моль, поэтому теоретическая масса — 8,0 г.
4. Выход 80% означает, что реально получают 0,80 от теоретической массы: 8,0 г · 0,80 = 6,4 г. Результат меньше теоретического, как и должно быть при неполном выходе.

Ответ: 6,4 г SO₃.

Типичные ошибки

Первая ошибка — путать SO₂ и SO₃, считая, что это разные записи одного вещества. Индекс показывает число атомов кислорода, а расчёт степеней окисления даёт для серы соответственно +4 и +6. Проверяйте формулу по уравнению и убеждайтесь, что сумма степеней окисления нейтрального соединения равна нулю.

Вторая ошибка — называть H₂SO₃ устойчивым чистым веществом. Её допускают, потому что формула кислоты записывается привычно, как у других кислот, но сернистая кислота существует только в растворе и неустойчива. Проверка: запишите равновесие SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃ и учтите возможность обратного распада.

Третья ошибка — считать, что кислотный оксид реагирует только с водой. Вода помогает связать оксид с соответствующей кислотой, но основание и основной оксид также могут вступать в реакцию с образованием соли. Проверяйте, есть ли среди реагентов щёлочь или основной оксид, и не забывайте составить для них отдельное уравнение.

Четвёртая ошибка — записывать превращение SO₂ в SO₃ без кислорода, условий или правильных коэффициентов. Формула реакции: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; для ускорения промышленного процесса нужны нагревание и катализатор. Самопроверка проста: пересчитайте атомы серы и кислорода с обеих сторон и укажите условия над стрелкой или рядом с уравнением.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о степенях окисления, формулах оксидов и расстановке коэффициентов. Классификация оксидов помогает распознавать кислотный характер SO₂ и SO₃, а свойства кислот и нейтрализация — предсказывать продукты их реакций со щёлочами. Окисление SO₂ связывает тему с окислительно-восстановительными реакциями. Эти знания пригодятся при изучении производства серной кислоты и причин загрязнения атмосферы.

Что запомнить

• В SO₂ степень окисления серы равна +4, а в SO₃ — +6.
• SO₂ образуется при горении серы и обжиге некоторых сульфидов.
• SO₂ окисляется кислородом до SO₃.
• SO₂ и SO₃ относятся к кислотным оксидам.
• При взаимодействии SO₂ с водой образуется неустойчивая сернистая кислота.
• SO₃ с водой образует серную кислоту.
• Выбросы оксидов серы способствуют образованию кислотных осадков.