Учебно-методическое пособие

9 класс

Продолжение. См. 21, 22, 23, 24, 25-26/2003

4. Подгруппа кислорода

Знать: план изучения подгруппы элементов и отдельных веществ; аллотропные модификации кислорода и серы; физические и химические свойства, получение и применение кислорода, серы, воды, оксидов серы(IV) и серы(VI), cерной кислоты, сульфатов; качественные реакции на сульфат- и сульфид-ионы; химические реакции, лежащие в основе производства серной кислоты; общие научные принципы химического производства.
Уметь: давать характеристику подгруппе элементов; предсказывать свойства веществ по их строению; рассматривать в сравнении аллотропные модификации; записывать уравнения реакций, характеризующие свойства кислорода, серы и их соединений; рассматривать химические свойства веществ с точки зрения окислительно-восстановительных и ионных представлений; на основе знаний о скорости химических реакций и химическом равновесии обосновывать выбор условий течения реакций, лежащих в основе производства серной кислоты; определять на практике сульфат- и сульфид-ионы; решать расчетные задачи на все ранее изученные типы.
Основные понятия: аллотропия, аллотропные модификации (видоизменения), водородная связь, сернистый ангидрид, серный ангидрид, комплексное использование сырья.

Контрольные вопросы

1. Каково строение атома серы?
2. Каковы возможные степени окисления серы в соединениях?
3. Назовите важнейшие минералы серы.
4. Где в природе встречается сера?
5. Как получают серу в промышленности?
6. Каковы физические свойства серы?
7. Какие аллотропные формы серы вам известны?
8. В какие реакции может вступать сера? Напишите уравнения реакций.
9. Где применяется сера?
10. Каковы физические свойства сероводорода?
11. Как расположены атомы в молекуле сероводорода, какого типа связь между ними и каковы их степени окисления?
12. Как получают сероводород? Приведите не менее двух уравнений реакций получения H₂S.
13. Почему сероводород является сильным восстановителем?
14. Как происходит полное и неполное окисление сероводорода? Составьте уравнения соответствующих реакций.
15. Что образуется при растворении сероводорода в воде?
16. Какие реакции без изменения степени окисления серы S возможны для сероводорода? Напишите уравнения таких реакций.
17. Как распознать сульфиды? Где они применяются?
18. Какие оксиды образует сера? Каковы степени окисления серы в них?
19. Как можно получить диоксид серы? Назовите не менее трех способов получения SO₂.
20. Почему диоксид серы может быть и окислителем, и восстановителем?
21. Какие реакции возможны для диоксида серы? Напишите уравнения реакций восстановления и окисления SO₂.
22. Где применяется диоксид cеры?
23. Что образуется при растворении диоксида серы в воде?
24. Что вы знаете о сернистой кислоте?
25. Как можно получить триоксид серы? Напишите уравнение реакции.
26. Что образуется при растворении триоксида серы в воде?
27. Что такое олеум?
28. Каковы физические свойства серной кислоты?
29. Как правильно растворять концентрированную серную кислоту в воде?
30. Как в промышленности получают серную кислоту?
31. Каковы химические свойства разбавленной серной кислоты? Напишите уравнения реакций замещения и обмена с участием H₂SO₄ (разб.).
32. Какая качественная реакция на сульфат-ион? Составьте уравнения реакций в молекулярном и сокращенном ионном видах.
33. Почему концентрированная серная кислота является сильным окислителем?
34. Каковы особые свойства концентрированной серной кислоты?
35. Как концентрированная серная кислота взаимодействует с металлами?
36. Где применяются серная кислота и ее соли?

4.1. Некоторые соединения кислорода и серы,
их свойства

4.1.1. Лабораторные способы получения кислорода

В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия. В сухую пробирку насыпают перманганат калия, герметично закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Далее нагревают пламенем спиртовки сначала всю пробирку, а потом только ту ее часть, где находится перманганат калия. Конец газоотводной трубки опускают до дна банки или цилиндра. Присутствие кислорода проверяют с помощью тлеющей лучинки (рис. 1).

Рис. 1.
Лабораторная установка
для получения кислорода

4.1.2. Пероксид водорода

Соли, соответствующие пероксиду водорода, – пероксиды:

4.1.3. Cоединения серы в степени окисления +4

Окислители и восстановители: SO₂ и Na₂SO₃.

Установка для получения диоксида серы состоит из колбы, пробки с газоотводной трубкой, пробирки-сборника, штатива и горелки. В колбу помещают сульфит натрия и заливают раствором серной кислоты. Далее колбу закрепляют в штативе и нагревают, сернистый газ будет поступать в пробирку-сборник с водой (рис. 2). (Сернистый газ ядовит, и его необходимо нейтрализовать.)

Рис. 2.
Получение диоксида серы
в лаборатории

4.1.4. Свойства концентрированной серной кислоты

Концентрированная серная кислота реагирует даже с металлами, расположенными в ряду напряжений правее Н с выделением SO₂:

C активными металлами кислота H₂SO₄(конц.) восстанавливается до S, H₂S и SO₂:

8Na + 5Н₂SO₄ (конц.) = 4Na₂SO₄ + 4H₂O + H₂S.

На холоду Н₂SO₄ (конц.) пассивирует металлы Fe, Al, Cr.
Кислота Н₂SO₄ (конц.) не действует на Au, Pt даже при нагревании.
Реакции серной кислоты с неметаллами:

Серная кислота хорошо растворяется в воде, при этом выделяется большое количество теплоты. Поэтому, смешивая серную кислоту с водой, нужно обязательно вливать кислоту в воду, а не наоборот (рис. 3). Химики говорят: «Не плюй в кислоту» – и имеют на это очень серьезные основания.

Рис. 3.
Приготовление раствора
серной кислоты

4.1.5. Свойства сероводорода

Разложение при нагревании:

H₂S = Н₂ + S.

Горение полное (избыток О₂):

2Н₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2Н₂O.

Горение неполное (недостаток О₂):

2Н₂S + O₂ = 2S + 2Н₂O.

Взаимодействие с галогенами:

Н₂S + I₂ = 2НI + S.

Окисление азотной кислотой:

Н₂S + 2НNО₃ = S + 2NO₂ + 2Н₂O.

Взаимодействие со слабыми окислителями:

Н₂S + 2FeCl₃ = 2FeCl₂+ 2НСl + S.

Установка для получения сероводорода состоит из штатива с закрепленной пробиркой, резиновой пробки с отверстием и стеклянной трубки. В пробирку помещают сульфид железа(II) и доливают разбавленную хлороводородную кислоту, пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Сероводород будет выделяться по трубке (рис. 4).

Рис. 4.
Получение сероводорода
в лаборатории

4.2. Решение задач по теме
«Подгруппа кислорода»

Правило смешивания: массы смешиваемых растворов m₁ и m₂ обратно пропорциональны разностям массовых долей:

где ₁ и ₂ – массовые доли веществ в смешиваемых растворах,

₃ – массовая доля вещества в смеси, причем ₁ > ₃ > ₂.

Для облегчения использования этого правила можно применять правило креста, или квадрат Пирсона:

В точке пересечения двух прямых помещают массовую долю вещества в смеси ₃. У концов этих прямых слева от точки пересечения указывают массовые доли ₁ и ₂, а справа – разности массовых долей вещества в смеси и смешиваемых растворах: ₃ – ₂ и ₁ –₃.

Задача 1. Определите массы исходных растворов с массовыми долями серной кислоты 60% и 7,5%, если при их смешивании образовался раствор массой 350 г с массовой долей серной кислоты 15%.

Решение

Обозначим через m₁ массу исходного раствора с ₁ = 60% и через m₂ массу раствора с ₂ = 7,5%. Воспользуемся правилом креста:

7,5/45 = m₁/(350 – m₁),
m₁ = 50 г, m₂ = 300 г.

Ответ. 50 г 60%-го раствора Н₂SO₄
и 300 г 7,5%-го раствора Н₂SO₄.

Задача 2. В раствор, содержащий 15,9 г смеси сульфатов калия и магния, прибавили избыток хлорида бария. В результате образовалось 25,63 г сульфата бария. Определите массовые доли сульфата калия и сульфата магния в исходной смеси.

Решение

1. Запишем уравнения реакций:

2. Вычислим массы компонентов смеси.

Согласно условию задачи х + y = 15,9 г и a + b = 25,63 г.

Выразим a и b через х и y: a = 233x/174, b = 233y/120.

Составим систему уравнений и решим ее:

Отсюда х = 8,74 г К₂SO₄, y = 7,16 г MgSO₄.

3. Вычислим массовые доли солей в исходной смеси:

(К₂SO₄) = 8,74/15,9 = 0,55, или 55%,
(MgSO₄) = 1 – 0,55 = 0,45, или 45%.

Ответ. 55% К₂SO₄и 45% MgSO₄.

Задача 3. Железная пластинка массой 18 г опущена в раствор сульфата меди(II). Когда она покрылась медью, ее масса стала равной 20 г. Какая масса железа перешла в раствор?

Решение

Обозначим х = (Fe) = (Cu), тогда

56х – масса железа, перешедшего в раствор,
64х – масса меди, выделившейся на пластинке,

18 – 56х + 64х = 20.

Отсюда х = 0,25 моль.
m(Fe) = 0,25•56 = 14 г – перешло в раствор.

Ответ. 14 г Fe.

Задания для самоконтроля

1. Допишите уравнения практически осуществимых реакций:

а) Na₂SO₄ + KCl ... ;
б) SO₂+ Cа(ОН)₂ ... ;
в) Al + O₂ ... ;
г) KOH + H₂SO₄ ... ;
д) Сu(OH)₂ + SO₃ ... ;
е) Ba(OH)₂ + H₂S ... ;
ж) H₂SO₄+ Cu ... ;
з) CaSO₄ + Ba(NO₃)₂ ... ;
и) Na₂SO₃ + H₂SO₄ ... ;
к) Al + H₂SO₄ (разб.) ... .

2. Какие из предложенных веществ реагируют между собой:

Мg, Ва(ОН)₂, SO₃, Н₂О, Сu(ОН)₂, К₂SO₄, Н₂SO₄, Сu?

Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций.

3. С какими веществами реагирует оксид серы(IV):

H₂O, H₂SO₄, NаСl, NаОН, СаО, О₂, Аl(ОН)₃?

4. Напишите уравнения реакций следующих превращений:

Установите формулы веществ А и Х.

5. Составьте схемы электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

а) H₂S + НNO₂ S + NO + H₂O;
б) Н₂О₂ + FeSO₄ + Н₂SO₄ Fe₂₍SO₄)₃ + Н₂О;
в) Na₂O- + NaI + Н₂SO₄ I₂ + Na₂SO₄ + Н₂О;
г) Н₂SO₄ + КВr K₂SO₄ + Вr₂+ SO₂ + Н₂О;
д) Н₂SO₄ + NaI + NаNО₃ I₂ + NO + Na₂SO₄ + Н₂О.

6. Через раствор массой 280 г, содержащий 0,02 массовые доли гидроксида калия, пропустили 2,24 л оксида серы(IV). Какая соль (кислая или средняя) образовалась? Какова ее масса?

Ответ. Кислая соль KHSO₃ массой 12 г.

7. Какова массовая доля гидроксида натрия в растворе массой 200 г, если известно, что при пропускании сернистого газа через раствор образуется сульфит натрия массой 25,2 г?

Ответ. 8%.

8. Рассчитайте массу серной кислоты, содержащейся в растворе объемом 2 л с массовой долей кислоты 0,98, плотность раствора 1,84 г/см³.

Ответ. 3,6 кг.

9. Какой объем раствора серной кислоты концентрацией 0,25 моль/л вступает в реакцию с цинком, если при этом выделяется водород объемом 6,72 л (н. у.)?

Ответ. 1,2 л.

10. Оксид серы(VI) в промышленности получают согласно уравнению

2SO₂ + O₂ 2SO₃ + Q.

Известно, что в состоянии равновесия концентрации [SO₂] = 0,4 моль/л, [O₂] = 0,2 моль/л, [SO₃] = 0,8 моль/л. Вычислить исходную концентрацию [SO₂].

Ответ. 1,2 моль/л.

11. При полном разложении 56,1 г смеси хлората калия и перманганата калия образовалось 8,96 л кислорода. Определите состав исходной смеси в % по массе.

Ответ. (KMnO₄) = 56,3%,
(KClO₃) = 43,7%.

12. При нагревании 63,2 г перманганата калия получено 3,36 л кислорода. Определите степень разложения перманганата калия (в %) и количественный состав твердого остатка.

Ответ. Степень разложения KMnO₄ – 75%,
(K₂MnO₄) = 50,6%,
(MnO₂) = 22,3%,
(KMnO₄) = 27,1%.

13. Вычислите объем раствора серной кислоты с массовой долей Н₂SO₄ 96% ( = 1,84 г/мл), необходимого для приготовления 2 л раствора с молярной концентрацией 0,25 моль/л.