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⁺ + S^2– —> 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.) = H₂SO₄•nSO₃.

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⁺ + SO₄^2–,

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.

2Н₂SO₄ (конц.) + Cu = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O,

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

Н₂SO₄ (конц.) пассивирует Fe, Al.

При взаимодействии с неметаллами концентрированная серная кислота восстанавливается до SO₂:

5Н₂SO₄ (конц.) + 2Р = 2H₃PO₄ + 5SO₂ + 2H₂O,

2Н₂SO₄ (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.) = H₂SO₄•nSO₃.

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

Ba²⁺ + SO₄^2– —> 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

 

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).

 

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).

 

(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