Соединения серы (IV) и серы (VI)

На этой странице вы узнаете 

• Как спички связаны с серой? 
• Каким цветом горит сернистый газ?
• Почему лук заставляет нас плакать?
• Из чего состоит атмосфера Венеры?

Сера знакома человечеству многие тысячелетия. В древности жрецы использовали ее для проведения разных обрядов и священных курений — какие последствия это несло, вы сможете догадаться, прочитав статью. Военные добавляли ее в состав различных горючих смесей, например, в небезызвестный «греческий огонь». При этом сера жизненно важна для работы нашего организма, являясь одним из главных составляющих всех существующих белков.

В этой статье мы узнаем, какими интересными свойствами обладает сера, какие соединения она образует и как мы сталкиваемся с ней, когда зажигаем спички.

Сернистый газ SO₂

Оксид серы (IV) — сернистый газ SO_2. По физическим свойствам сернистый газ представляет собой бесцветный ядовитый газ с резким запахом зажженной спички, хорошо растворимый в воде. 

Как спички связаны с серой? Головка спички – смесь веществ, одним из главных компонентов которой является сера. Когда мы поджигаем спичку, эта сера сгорает в кислороде воздуха с образованием оксида серы SO2, который и обладает тем самым характерным запахом горящей спички.

Рассмотрим теперь химические свойства сернистого газа, начнем, как обычно, со способов получения. В качестве основных промышленных методов получения выступают реакции сгорания серы/сероводорода и обжиг сульфидов. 

В лаборатории его можно получить реакцией неактивных металлов с кислотами и через реакции ионного обмена:

• Горение серы на воздухе

S + O₂ = SO₂

• Горение сульфидов и сероводорода

2H₂S + 3O₂ = SO₂ + 2H₂O

2CuS + 3O₂ = 2SO₂ + 2CuO

• Взаимодействие сульфитов с сильными кислотами

Na₂SO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂ + H₂O

Соли сернистой кислоты H₂SO₃ называются сульфитами. При их взаимодействии с кислотами происходит реакция ионного обмена с образованием соли и сернистой кислоты, которая сразу распадается на воду и диоксид серы. Это качественная реакция на сульфит-ион, признак: выделение газа с резким запахом.

• Взаимодействие неактивных металлов с концентрированной серной кислотой

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Переходим к возможным взаимодействиям, в которые вступает SO₂. Это кислотный оксид, поэтому он будет вступать в основно-кислотные взаимодействия с веществами, обладающими противоположными (основными) свойствами: основаниями и основными оксидами.

За счет степени окисления серы +4 сернистый газ является сильным восстановителем, повышая в реакциях степень окисления до единственно возможной +6.

• Взаимодействие с водой 

Как и практически любой кислотный оксид, SO₂ способен реагировать с водой с образованием соответствующей кислоты, в нашем случае сернистой. Эта реакция обратима, так как сернистая кислота очень неустойчива и практически сразу распадается на оксид и воду:

SO₂ + H₂O ↔ H₂SO₃ 

• Основно-кислотные взаимодействия 

SO₂ обладает кислотными свойствами, а значит, может вступать в реакции со своими противоположностями: основаниями и основными оксидами с образованием солей. 

Со «слабыми» (нерастворимыми) оксидами и гидроксидами он при этом не взаимодействует, так как реакции вида «слабое + слабое» обычно не протекают. 

Na₂O + SO₂ = Na₂SO₃

С щелочами возможно два исхода, при избытке оксида и при избытке щелочи:

SO₂ + 2NaOH_(изб) = Na₂SO₃ + H₂O

SO_2(изб) + NaOH = NaHSO₃

• Восстановительные свойства

За счет степени окисления серы +4 SO₂ проявляет восстановительные свойства. Будучи восстановителем, в реакциях сера повышает степень окисления до +6.

Например, окисление кислородом (горение) с образованием серного ангидрида SO₃:

2S⁺⁴O₂ + O⁰₂ = 2S⁺⁶O^-2₃

Каким цветом горит сернистый газ? Сернистый газ при сгорании образует пламя голубого цвета. Это явление можно наблюдать в природе. В восточной части острова Ява, в Индонезии есть удивительное по красоте, но очень опасное место — вулкан Кавах Иджен. Жерло вулкана заполнено изумрудно-зеленой жидкостью, смесью серной и соляной кислот, а берега усыпаны чистой серой. Над одним из кратеров ночью можно увидеть голубое свечение – это горит сернистый газ.

Окисление перекисью водорода:

S⁺⁴O₂ + H₂O^—₂ = H₂S⁺⁶O^-2₄

Обесцвечивание бромной воды:

S⁺⁴O₂ + Br⁰₂ + 2H₂O → H₂S⁺⁶O₄ + 2HBr^— (аналогично реакция возможна с I₂ и Cl₂)

Реакция с азотной кислотой:

S⁺⁴O₂ + HN⁺⁵O₃ = 2N⁺⁴O₂ + H₂S⁺⁶O₄

Крайне редко SO₂ выступает в роли окислителя, понижая степень окисления до ближайшей устойчивой (нуля). Играть роль окислителя SO₂ может только в реакции с очень сильным восстановителем (H₂S, I⁻, C, CO): 

S⁺⁴O₂ + 2C⁰ = S⁰ + 2C⁺²O

S⁺⁴O₂ + 2H₂S^-2 = 3S⁰ + 2H₂O (реакция диспропорционирования, сера и окисляется, и восстанавливается)

S⁺⁴O₂ + 4HI^— = S⁰ + 2I⁰₂ + 2H₂O

Серный ангидрид SO₃

По физическим свойствам серный ангидрид SO₃ представляет собой летучую бесцветную жидкость с удушающим запахом, активно поглощающую воду с образованием серной кислоты. 

SO₃ получают окислением сернистого газа кислородом.

Эта реакция нам уже знакома, мы рассматривали ее выше:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

Переходим к химическим свойствам. SO₃ принадлежит к классу кислотных оксидов, а следовательно, способен вступать в основно-кислотные взаимодействия со своими противоположностями.

За счет высшей степени окисления серы +6 («сера ограблена и очень зла») SO₃ выступает в окислительно-восстановительной реакции (ОВР) в роли окислителя.

• Реакция с водой 

Как типичный кислотный оксид, SO₃ способен взаимодействовать с водой с образованием соответствующей серной кислоты:  

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

• Основно-кислотные взаимодействия

Как и у всех кислотных оксидов, при взаимодействии с основными оксидами и щелочами образуются соли:

SO₃ + MgO = MgSO₄ 

В избытке щелочи и избытке оксида возможны разные варианты:

SO₃ + 2NaOH_{(избыток)} = Na₂SO₄ + H₂O

SO₃ + NaOH_{(избыток)} = NaHSO₄

Обратите внимание на то, что SO₃ — оксид сильной кислоты (серной — H₂SO₄), а следовательно, он способен реагировать в том числе со слабыми амфотерными гидроксидами и их оксидами.

3SO₃ + Al₂O₃ = Al₂(SO₄)₃

• Окислительные свойства

Благодаря максимальной степени окисления серы (+6), серный ангидрид является сильным окислителем и активно взаимодействует с такими восстановителями, как KI, H₂S, C:

S⁺⁶O₃ + C⁰ = S⁺⁴O₂ + C⁺²O

3S⁺⁶O₃ + H₂S^-2 = 4S⁺⁴O₂ + H₂O

S⁺⁶O₃ + 2KI^— = I⁰₂ + K₂S⁺⁴O₃

Серная кислота H₂SO₄

Серная кислота – сильная двухосновная кислота. По физическим свойствам серная кислота представляет собой тяжелую маслянистую жидкость без цвета и запаха. Соли серной кислоты называются сульфатами.

Почему лук заставляет нас плакать?  Все мы хоть раз в жизни резали лук и плакали. Почему же так происходит?  Когда мы режем лук, мы нарушаем целостность его клеток. Аминокислоты и ферменты, которые находились раздельно, невольно смешиваются. В луке содержатся аминокислоты, имеющие в своем составе серу. Под действием ферментов они превращаются в 1-сульфинилпропан, летучее вещество, пары которого легко попадают в слезные железы наших глаз. Там 1-сульфинилпропан растворяется в воде и образует очень малые, но достаточные для раздражения слизистой глаза количества серной кислоты, и мы чувствуем жжение и начинаем лить слезы.

Качественной реакцией на сульфат-ион является взаимодействие с солями бария с образованием белого осадка сульфата бария, например:

Ba(NO₃)₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2HNO₃

Свойства серной кислоты зависят от того, в разбавленном или концентрированном виде она находится.

Разбавленная серная кислота является типичной кислотой-неокислителем и никакими особыми свойствами не обладает, в том числе не вступает в какие-либо «сложные» ОВР.

Как любая кислота-неокислитель, разбавленная серная кислота обладает кислотными свойствами и способна: 

1. Вступать в реакции вытеснения с металлами, стоящими в ряду активности до водорода.
2. Вступать в основно-кислотные взаимодействия с образованием солей с веществами, обладающими противоположными свойствами: основаниями, основными оксидами, амфотерными оксидами и гидроксидами.
3. Вступать в реакции ионного обмена с другими электролитами: основаниями и солями. 

Подробно изучить свойства кислот можно в статье «Основные классы неорганических веществ».

Концентрированная серная кислота является кислотой-окислителем, поэтому склонна вступать в ОВР с различными восстановителями.

За счет степени окисления +6 концентрированная серная кислота в ОВР выступает в роли окислителя. Как окислитель, она может в реакциях понизить степень окисления до +4 (чаще всего), 0 или -2. Само собой, продукт восстановления серы зависит от активности восстановителя, с которым она реагирует: 

• Активные металлы и сильные восстановители (I⁻: HI и иодиды) способны восстановить серу сразу до -2.
• Остальные металлы и восстановители могут восстановить серу только до +4.

Обратите внимание на то, что некоторые металлы (Cr, Fe, Al, Ni) реагируют с концентрированными растворами кислот окислителей только при нагревании. Это происходит из-за так называемой пассивации: эти металлы на воздухе покрываются очень прочной оксидной пленкой, которая не хочет реагировать с кислотами.

Благородные металлы — золото Au, платина Pt, палладий Pd — в принципе не взаимодействуют с кислотами-окислителями ни при каких условиях.

Рассмотрим же все эти свойства на конкретных примерах.

При взаимодействии с неактивными металлами серная кислота восстанавливается до сернистого газа:

2H₂S⁺⁶O_4(конц.) + Cu⁰ = Cu⁺²SO₄ + S⁺⁴O₂ + 2H₂O

Металлы средней активности дают нам серу:

3Mg⁰ + H₂S⁺⁶O₄ = 3Mg⁺²SO₄ + S⁰ + 4H₂O

А активные металлы – сероводород:

5H₂S⁺⁶O_4(конц.) + 4Zn⁰ = 4Zn⁺²SO₄ + H₂S^-2↑ + 4H₂O

Возможны реакции с неметаллами, сера будет восстанавливаться до сернистого газа, например, с фосфором, углеродом и серой.

5H₂SO_4(конц.) + 2P = 2H₃PO₄ + 5SO₂↑ + 2H₂O

2H₂SO_4(конц.)+ С = СО₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

2H₂SO_4(конц.) + S = 3SO₂↑ + 2H₂O

Концентрированная серная кислота вытесняет галогены из их солей:

3H₂SO_4(конц.) + 2KBr = Br₂↓ + SO₂↑ + 2KHSO₄ + 2H₂O 

И способна окислить сероводород:

H₂SO_4(конц.) + 3H₂S = 4S↓ + 4H₂O

Соли серной кислоты: сульфаты и гидросульфаты

Для начала давайте узнаем, в состав каких анионов солей входит атом серы:

Сейчас мы поговорим о солях серной кислоты — сульфатах и гидросульфатах.
Данные соли обладают всеми типичными химическими свойствами солей.

1. Вступают в реакции ионного обмена.

K₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ + 2KCl
NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + H₂O

2. Солям серной кислоты свойственны реакции вытеснения, в которых более активный металл вытесняет из соли менее активный.

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Ниже в таблице представлены качественные реакции на сульфат-ион:

Однако гидросульфаты имеют также и особое свойство — в составе гидросульфатов есть атом водорода, который можно заместить на металл, то есть гидросульфаты обладают слабыми кислотными свойствами.

2KHSO₄ + Mg = K₂SO₄ + MgSO₄ + H₂

Гидролиз гидросульфата дает нам слабокислую среду за счет диссоциации (распада) иона и образования катиона водорода.

HSO₄^— = SO₄^2- + H⁺

Соединения серы (IV) и (VI) окружают нас повсюду: в природе, на кухне, в химической лаборатории. Они встречаются и на экзамене. Теперь, когда мы полностью изучили свойства серы и ее соединений, мы можем с легкостью решать различные экзаменационные задания. А для полноценного знания свойств элементов VIA группы предлагаем прочитать статью «Элементы VIА группы. Кислород».

Фактчек

• Оксид серы(IV) SO₂ — кислотный оксид, которому соответствует слабая сернистая кислота H₂SO₃; SO₂ проявляет преимущественно восстановительные свойства.
• Оксид серы(VI) SO₃ — кислотный оксид, которому соответствует сильная кислота H₂SO₄ .
• Разбавленная серная кислота ведет себя как обычная кислота-неокислитель, который присущи различные реакции ионного обмена.
• Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства, благодаря чему способна реагировать с различными восстановителями. 

Проверь себя 

Задание 1.
С каким из указанных веществ будет реагировать разбавленная серная кислота? 

1. хлорид натрия
2. сера
3. оксид кремния(IV)
4. цинк

Задание 2.
Какие свойства характерны концентрированной серной кислоте? 

1. восстановительные
2. окислительные
3. нейтральные

Задание 3.
Качественной реакцией на сульфат-ион является взаимодействие с ионами: 

1. бария
2. водорода
3. хлора
4. рубидия

Задание 4.
Качественной реакцией на сульфит-ион является взаимодействие с ионами: 

1. натрия
2. водорода
3. хлора
4. рубидия

Ответы: 1. —  4; 2. — 2; 3. — 1; 4. — 2.