Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №11/2009
УЧЕБНИКИ. ПОСОБИЯ

 

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Cм. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7, 11, 18, 19, 21/2008;
1, 3, 10/2009

ЗАНЯТИЕ 30

10-й класс (первый год обучения)

Сера и ее соединения

П л а н

1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.

2. Происхождение названия.

3. Физические свойства.

4. Химические свойства.

5. Нахождение в природе.

6. Основные методы получения.

7. Важнейшие соединения серы (сероводород, сероводородная кислота и ее соли; сернистый газ, сернистая кислота и ее соли; триоксид серы, серная кислота и ее соли).

В периодической системе сера находится в главной подгруппе VI группы (подгруппа халькогенов). Электронная формула серы 1s22s2p63s2p4, это р-элемент. В зависимости от состояния сера может проявлять валентность II, IV или VI:

S: 1s22s22p63s23p43d0 (валентность II),

S*: 1s22s22p63s23p33d1 (валентность IV),

S**: 1s22s22p63s13p33d2 (валентность VI).

Характерные степени окисления серы –2, +2, +4, +6 (в дисульфидах, содержащих мостиковую связь –S–S– (например, FeS2), степень окисления серы равна –1); в соединениях входит в состав анионов, с более электроотрицательными элементами – в состав катионов, например:

Сера – элемент с высокой электроотрицательностью, проявляет неметаллические (кислотные) свойства. Имеет четыре стабильных изотопа с массовыми числами 32, 33, 34 и 36. Природная сера на 95 % состоит из изотопа 32S.

Русское название серы произошло от санскритского слова cira – светло-желтый, по цвету природной серы. Латинское название sulfur переводится как «горючий порошок».1

Ф и з и ч е с к и е   с в о й с т в а

Сера образует три аллотропные модификации: ромбическая (-сера), моноклинная (-сера) и пластическая, или каучукоподобная. Наиболее устойчива при обычных условиях ромбическая сера, а выше 95,5 °С стабильна моноклинная сера. Обе эти аллотропные модификации имеют молекулярную кристаллическую решетку, построенную из молекул состава S8, расположенных в пространстве в виде короны; атомы соединены одинарными ковалентными связями. Различие ромбической и моноклинной серы состоит в том, что в кристаллической решетке молекулы упакованы по-разному.

Если ромбическую или моноклинную серу нагреть до точки кипения (444,6 °С) и полученную жидкость вылить в холодную воду, то образуется пластическая сера, по свойствам напоминающая резину. Пластическая сера состоит из длинных зигзагообразных цепей. Эта аллотропная модификация неустойчива и самопроизвольно превращается в одну из кристаллических форм.

Ромбическая сера – твердое кристаллическое вещество желтого цвета; в воде не растворяется (и не смачивается), но хорошо растворяется во многих органических растворителях (сероуглерод, бензол и т.д.). Сера обладает очень плохой электро- и теплопроводностью. Температура плавления ромбической серы +112,8 °С, при температуре 95,5 °С ромбическая сера переходит в моноклинную:

Х и м и ч е с к и е  с в о й с т в а

По своим химическим свойствам сера является типичным активным неметаллом. В реакциях может быть как окислителем, так и восстановителем.

Н2 (+):

О2 (+):

S + O2 SO2.

Металлы (+):

2Na + S = Na2S,

2Al + 3S Al2S3,

Fe + S FeS,

Hg + S = HgS.

Неметаллы (+/–)*:

С + 2S CS2,

2P + 3S P2S3,

S + Cl2 = SCl2,

S + 3F2 = SF6,

S + N2 реакция не идет.

Н2О (–). сера не смачивается водой.

Основные оксиды (–).

Кислотные оксиды (–).

Основания (+/–):

S + Cu(OH)2 реакция не идет.

Кислоты (не окислители) (–).

Кислоты-окислители (+):

S + 2H2SO4 (конц.) = 3SO2 + 2H2O,

S + 2HNO3 (разб.) = H2SO4 + 2NO,

S + 6HNO3 (конц.) = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O.

Соли (–).

В п р и р о д е сера встречается как в самородном состоянии, так и в виде соединений, важнейшими из которых являются пирит, он же железный, или серный, колчедан (FeS2), цинковая обманка (ZnS), свинцовый блеск (PbS), гипс (CaSO4•2H2O), глауберова соль (Na2SO4•10H2O), горькая соль (MgSO4•7H2O). Кроме того, сера входит в состав каменного угля, нефти, а также в различные живые организмы (в составе аминокислот). В организме человека сера концентрируется в волосах.

Серу, содержащуюся в свободном состоянии в горных породах, выплавляют из них в автоклавах с помощью водяного пара.

В  л а б о р а т о р н ы х  у с л о в и я х серу можно получить, используя окислительно-восстановительные реакции (ОВР), например:

H2SO3 + 2H2S = 3S + 3H2O,

2H2S + O2 2S + 2H2O.

В а ж н е й ш и е  с о е д и н е н и я  с е р ы

Сероводород (H2S) – бесцветный газ с удушающим неприятным запахом тухлых яиц, ядовит (соединяется с гемоглобином крови, образуя сульфид железа). Тяжелее воздуха, малорастворим в воде (2,5 объема сероводорода в 1 объеме воды). Связи в молекуле ковалентные полярные, sp3-гибридизация, молекула имеет угловое строение:

В химическом отношении сероводород достаточно активен. Он термически неустойчив; легко сгорает в атмосфере кислорода или на воздухе; легко окисляется галогенами, диоксидом серы или хлоридом железа(III); при нагревании взаимодействует с некоторыми металлами и их оксидами, образуя сульфиды:

2H2S + O2 2S + 2H2O,

2H2S + 3O2 2SO2 + 2H2O,

H2S + Br2 = 2HBr + S,

2H2S + SO2 3S + 2H2O,

2FeCl3 + H2S = 2FeCl2 + S + 2HCl,

H2S + Zn ZnS + H2,

H2S + CaO CaS + H2O.

В лабораторных условиях сероводород получают действием на сульфиды железа или цинка сильных минеральных кислот или необратимым гидролизом сульфида алюминия:

ZnS + 2HCl = ZnCl2 + H2S,

Аl2SO3 + 6HOH  2Al(OH)3 + 3H2S.

Раствор сероводорода в воде – сероводородная вода, или сероводородная кислота. Слабый электролит, по второй ступени практически не диссоциирует. Как двухосновная кислота образует два типа солей – сульфиды и гидросульфиды:

например, Na2S – сульфид натрия, NaHS – гидросульфид натрия.

Сероводородная кислота проявляет все общие свойства кислот. Кроме того, сероводород, сероводородная кислота и ее соли проявляют сильную восстановительную способность. Например:

H2S + Zn = ZnS + H2,

H2S + CuO = CuS + H2O,

Качественной реакцией на сульфид-ион является взаимодействие с растворимыми солями свинца; при этом выпадает осадок сульфида свинца черного цвета:

Pb2+ + S2– —> PbS,

Pb(NO3)2 + Na2S = PbS + 2NaNO3.

Оксид серы(IV) SO2 – сернистый газ, сернистый ангидрид – бесцветный газ с резким запахом, ядовит. Кислотный оксид. Связи в молекуле ковалентные полярные, sp2-гибридизация. Тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде (в одном объеме воды – до 80 объемов SO2), образует при растворении сернистую кислоту, существующую только в растворе:

H2O + SO2 H2SO3.

По кислотно-основным свойствам сернистый газ проявляет свойства типичного кислотного оксида, сернистая кислота также проявляет все типичные свойства кислот:

SO2 + CaO CaSO3,

H2SO3 + Zn = ZnSO3 + H2,

H2SO3 + CaO = CaSO3 + H2O.

По окислительно-восстановительным свойствам сернистый газ, сернистая кислота и сульфиты могут проявлять окислительно-восстановительную двойственность (с преобладанием восстановительных свойств). С более сильными восстановителями соединения серы(IV) ведут себя как окислители:

С более сильными окислителями они проявляют восстановительные свойства:

В промышленности диоксид серы получают:

• при горении серы:

S + O2 SO2;

• обжигом пирита и других сульфидов:

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2,

2ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2.

К лабораторным методам получения относятся:

• действие сильных кислот на сульфиты:

Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + SO2 + H2O;

• взаимодействие концентрированной серной кислоты с тяжелыми металлами:

Cu + 2H2SO4 (конц.) = СuSO4 + SO2 + 2H2O.

Качественные реакции на сульфит-ион – обесцвечивание «йодной воды» или действие сильных минеральных кислот:

Na2SO3 + I2 + 2NaOH = 2NaI + Na2SO4 + H2O,

Ca2SO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + SO2.

Оксид серы(VI) SO3 – триоксид серы, или серный ангидрид, – это бесцветная жидкость, которая при температуре ниже 17 °С превращается в белую кристаллическую массу. Ядовит. Существует в виде полимеров (мономерные молекулы существуют только в газовой фазе), связи в молекуле ковалентные полярные, sp2-гибридизация. Гигроскопичен, термически неустойчив. С водой реагирует с сильным экзо-эффектом. Реагирует с безводной серной кислотой, образуя олеум. Образуется при окислении сернистого газа:

SO3 + H2O = H2SO4 + Q,

nSO3 + H2SO4 (конц.) = H2SO4nSO3.

По кислотно-основным свойствам является типичным кислотным оксидом:

SO3 + H2O = H2SO4,

SO3 + CaO = CaSO4,

По окислительно-восстановительным свойствам выступает сильным окислителем, обычно восстанавливаясь до SO2 или сульфитов:

В чистом виде практического значения не имеет, является промежуточным продуктом при производстве серной кислоты.

Серная кислота – тяжелая маслянистая жидкость без цвета и запаха. Хорошо растворима в воде (с большим экзо-эффектом). Гигроскопична, ядовита, вызывает сильные ожоги кожи. Является сильным электролитом. Серная кислота образует два типа солей: сульфаты и гидросульфаты, которые проявляют все общие свойства солей. Сульфаты активных металлов термически устойчивы, а сульфаты других металлов разлагаются даже при небольшом нагревании:

Na2SO4 не разлагается,

ZnSO4 ZnO + SO3,

4FeSO4 2Fe2O3 + 4SO2 + O2,

Ag2SO4 2Ag + SO2 + O2,

HgSO4 Hg + SO2 + O2.

Раствор с массовой долей серной кислоты ниже 70 % обычно считается разбавленным; выше 70 % – концентрированным; раствор SO3 в безводной серной кислоте называется олеум (концентрация триоксида серы в олеуме может достигать 65 %).

Разбавленная серная кислота проявляет все свойства, характерные для сильных кислот:

Н2SO4 2H+ + SO42–,

Н2SO4 + Zn = ZnSO4 + Н2,

Н2SO4 (разб.) + Cu реакция не идет,

Н2SO4 + CaO = CaSO4 + H2O,

CaCO3 + Н2SO4 = CaSO4 + H2O + CO2.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем, особенно при нагревании. Она окисляет многие металлы, неметаллы, а также некоторые органические вещества. Не окисляются под действием концентрированной серной кислоты железо, золото и металлы платиновой группы (правда, железо хорошо растворяется при нагревании в умеренно концентрированной серной кислоте с массовой долей 70 %). При взаимодействии концентрированной серной кислоты с другими металлами образуются сульфаты и продукты восстановления серной кислоты.

2SO4 (конц.) + Cu = CuSO4 + SO2 + 2H2O,

2SO4 (конц.) + 8Na = 4Na2SO4 + H2S + 4H2O,

Н2SO4 (конц.) пассивирует Fe, Al.

При взаимодействии с неметаллами концентрированная серная кислота восстанавливается до SO2:

2SO4 (конц.) + 2Р = 2H3PO4 + 5SO2 + 2H2O,

2SO4 (конц.) + C = 2H2O + CO2 + 2SO2.

Контактный метод получения серной кислоты состоит из трех стадий:

1) обжиг пирита:

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2;

2) окисление SO2 в SO3 в присутствии катализатора – оксида ванадия:

3) растворение SO3 в серной кислоте с получением олеума:

SO3 + H2O = H2SO4 + Q,

nSO3 + H2SO4 (конц.) = H2SO4nSO3.

Качественная реакция на сульфат-ион – взаимодействие с катионом бария, в результате чего выпадает белый осадок BaSO4.

Ba2+ + SO42– —> BaSO4,

BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl.

Тест по теме «Сера и ее соединения»

1. Сера и кислород – это:

а) хорошие проводники электричества;

б) относятся к подгруппе халькогенов;

в) хорошо растворимы в воде;

г) имеют аллотропные модификации.

2. В результате реакции серной кислоты с медью можно получить:

а) водород; б) серу;

в) сернистый газ; г) сероводород.

3. Сероводород – это:

а) ядовитый газ;

б) сильный окислитель;

в) типичный восстановитель;

г) один из аллотропов серы.

4. Массовая доля (в %) кислорода в серном ангидриде равна:

а) 50; б) 60; в) 40; г) 94.

5. Оксид серы(IV) является ангидридом:

а) серной кислоты;

б) сернистой кислоты;

в) сероводородной кислоты;

г) тиосерной кислоты.

6. На сколько процентов уменьшится масса гидросульфита калия после прокаливания?

а) на 22,6;

б) на 41,1;

в) гидросульфит калия термически устойчив;

г) на 34,2.

7. Сместить равновесие в сторону прямой реакции окисления сернистого газа в серный ангидрид можно:

а) используя катализатор;

б) увеличивая давление;

в) уменьшая давление;

г) понижая концентрацию оксида серы(VI).

8. При приготовлении раствора серной кислоты необходимо:

а) наливать кислоту в воду;

б) наливать воду в кислоту;

в) порядок приливания не имеет значения;

г) серная кислота не растворяется в воде.

9. Какую массу (в г) декагидрата сульфата натрия необходимо добавить к 100 мл 8%-го раствора сульфата натрия (плотность равна 1,07 г/мл), чтобы удвоить массовую долю соли в растворе?

а) 100; б) 1,07; в) 30,5; г) 22,4.

10. Для определения сульфит-иона в качественном анализе можно использовать:

а) катионы свинца;

б) «йодную воду»;

в) раствор марганцовки;

г) сильные минеральные кислоты.

Ключ к тесту

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

б, г в а, в б б г б, г а в б, г

 

Задачи и упражнения на серу и ее соединения

Ц е п о ч к и  п р е в р а щ е н и й

1. Сера —> сульфид железа(II) —> сероводород —> сернистый газ —> триоксид серы > серная кислота > оксид серы(IV).

2. 

3. Серная кислота —> сернистый газ —> сера —> диоксид серы —> триоксид серы —> серная кислота.

4. Сернистый ангидрид —> сульфит натрия —> гидросульфит натрия —> сульфит натрия —> сульфат натрия.

5. Пирит —> сернистый газ —> серный ангидрид —> серная кислота —> оксид серы(IV) —> сульфит калия —> сернистый ангидрид.

6. Пирит > сернистый газ —> сульфит натрия —> сульфат натрия —> сульфат бария —> сульфид бария.

7. Сульфид натрия —> А —> В —> С —> D —> сульфат бария (все вещества содержат серу; первая, вторая и четвертая реакции – ОВР).

 

У р о в е н ь А

1. Через раствор, содержащий 5 г едкого натра, пропустили 6,5 л сероводорода. Определите состав полученного раствора.

Ответ. 7 г NaHS, 5,61 г H2S.

2. Какую массу глауберовой соли необходимо добавить к 100 мл 8%-го раствора сульфата натрия (плотность раствора равна 1,07 г/мл), чтобы удвоить массовую долю вещества в растворе?

Ответ. 30,5 г Na2SO4•10H2O.

3. К 40 г 12%-го раствора серной кислоты добавили 4 г серного ангидрида. Вычислите массовую долю вещества в образовавшемся растворе.

Ответ. 22 % H2SO4.

4. Смесь сульфида железа(II) и пирита, массой 20,8 г, подвергли длительному обжигу, при этом образовалось 6,72 л газообразного продукта (н.у.). Определите массу твердого остатка, образовавшегося при обжиге.

Ответ. 16 г Fe2O3.

5. Имеется смесь меди, углерода и оксида железа(III) с молярным соотношением компонентов 4:2:1 (в порядке перечисления). Какой объем 96%-й серной кислоты (плотность равна 1,84 г/мл) нужен для полного растворения при нагревании 2,2 г такой смеси?

Ответ. 4,16 мл раствора H2SO4.

6. Для окисления 3,12 г гидросульфита щелочного металла потребовалось добавить 50 мл раствора, в котором молярные концентрации дихромата натрия и серной кислоты равны 0,2 моль/л и 0,5 моль/л соответственно. Установите состав и массу остатка, который получится при выпаривании раствора после реакции.

Ответ. 7,47 г смеси сульфатов хрома (3,92 г) и натрия (3,55 г).

 

У р о в е н ь Б

(задачи на олеум)

1. Какую массу триоксида серы надо растворить в 100 г 91%-го раствора серной кислоты, чтобы получить 30%-й олеум?

Решение

По условию задачи:

m(H2SO4) = 100•0,91 = 91 г,

m(H2O) = 100•0,09 = 9 г,

(H2O) = 9/18 = 0,5 моль.

Часть добавленного SO3 (m1) пойдет на реакцию с H2O:

H2O + SO3 = H2SO4.

По уравнению реакции:

(SO3) = (H2O) = 0,5 моль.

Тогда:

m1(SO3) = 0,5•80 = 40 г.

Вторая часть SO3 (m2) пойдет на создание концентрации олеума. Выразим массовую долю олеума:

m2(SO3) = 60 г.

Суммарная масса триоксида серы:

m(SO3) = m1(SO3) + m2(SO3) = 40 + 60 = 100 г.

Ответ. 100 г SO3.

2. Какую массу пирита необходимо взять для получения такого количества оксида серы(VI), чтобы, растворив его в 54,95 мл 91%-го раствора серной кислоты (плотность равна 1,82 г/см3), получить 12,5%-й олеум? Выход серного ангидрида считать за 75 %.

Ответ. 60 г FeS2.

3. На нейтрализацию 34,5 г олеума расходуется 74,5 мл 40%-го раствора гидроксида калия (плотность равна 1,41 г/мл). Сколько молей серного ангидрида приходится на 1 моль серной кислоты в этом олеуме?

Ответ. 0,5 моль SO3.

4. При добавлении оксида серы(VI) к 300 г 82%-го раствора серной кислоты получен олеум с массовой долей триоксида серы 10%. Найдите массу использованного серного ангидрида.

Ответ. 300 г SO3.

5. При добавлении 400 г триоксида серы к 720 г водного раствора серной кислоты получен олеум с массовой долей 7,14 %. Найдите массовую долю серной кислоты в исходном растворе.

Ответ. 90 % H2SO4.

6. Найдите массу 64%-го раствора серной кислоты, если при добавлении к этому раствору 100 г триоксида серы получается олеум, содержащий 20 % триоксида серы.

Ответ. 44,4 г раствора H2SO4.

7. Какие массы триоксида серы и 91%-го раствора серной кислоты необходимо смешать для получения 1 кг 20%-го олеума?

Ответ. 428,6 г SO3 и 571,4 г раствора H2SO4.

8. К 400 г олеума, содержащего 20 % триоксида серы, добавили 100 г 91%-го раствора серной кислоты. Найдите массовую долю серной кислоты в полученном растворе.

Ответ. 92 % H2SO4 в олеуме.

9. Найдите массовую долю серной кислоты в растворе, полученном при смешивании 200 г 20%-го олеума и 200 г 10%-го раствора серной кислоты.

Ответ. 57,25 % H2SO4.

10. Какую массу 50%-го раствора серной кислоты необходимо добавить к 400 г 10%-го олеума для получения 80%-го раствора серной кислоты?

Ответ. 296,67 г 50%-го раствора H2SO4.

11. К 10%-му олеуму добавили 200 г 20%-го раствора серной кислоты и получили 50%-й раствор серной кислоты. Найдите массу использованного олеума.

Ответ. 114,83 г олеума.

К а ч е с т в е н н ы е  з а д а ч и

1. Бесцветный газ А с резким характерным запахом окисляется кислородом в присутствии катализатора в соединение В, представляющее собой летучую жидкость. Вещество В, соединяясь с негашеной известью, образует соль С. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – SO2, B – SO3, C – CaSO4.

2. При нагревании раствора соли А образуется осадок В. Этот же осадок образуется при действии щелочи на раствор соли А. При действии кислоты на соль А выделяется газ С, обесцвечивающий раствор перманганата калия. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – Ca(HSO3)2, B – CaSO3, C – SO2.

3. При окислении газа А концентрированной серной кислотой образуется простое вещество В, сложное вещество С и вода. Растворы веществ А и С реагируют между собой с образованием осадка вещества В. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – H2S, B – S, C – SO2.

4. В реакции соединения двух жидких при обычной температуре оксидов А и В образуется вещество С, концентрированный раствор которого обугливает сахарозу. Идентифицируйте вещества, напишите уравнения реакций.

Ответ. Вещества: А – SO3, B – H2O, C – H2SO4.

5. В вашем распоряжении имеются сульфид железа(II), сульфид алюминия и водные растворы гидроксида бария и хлороводорода. Получите из этих веществ семь различных солей (без использования ОВР).

Ответ. Соли: AlCl3, BaS, FeCl2, BaCl2, Ba(OH)Cl, Al(OH)Cl2, Al(OH)2Cl.

6. При действии концентрированной серной кислоты на бромиды выделяется сернистый газ, а на йодиды – сероводород. Напишите уравнения реакций. Объясните разницу в характере продуктов в этих случаях.

Ответ. Уравнения реакций:

2H2SO4 (конц.) + 2NaBr = SO2 + Br2 + Na2SO4 + 2H2O,

5H2SO4 (конц.) + 8NaI = H2S + 4I2 + 4Na2SO4 + 4H2O.

 


1 См.: Лидин Р.А. «Справочник по общей и неорганической химии». М.: Просвещение, 1997.

* Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует