ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Сера расположена в третьем периоде VI группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы. Обозначение – S. При обычном давлении сера образует хрупкие кристаллы желтого цвета, плавящиеся при температуре 112,8 o С.
Плотность серы 2,07 г/см 3 . Нерастворима в воде, но довольно хорошо растворима в сероуглероде, бензоле и некоторых других жидкостях. При испарении этих жидкостей сера выделяется из раствора в виде прозрачных желтых кристалликов ромбической системы, имеющих форму октаэдров (ромбическая модификация).
Если расплавленную серу медленно охлаждать и в тот момент, когда она частично затвердевает слить еще не успевшую застыть жидкость можно получить длинные темно-желтые игольчатые кристаллы моноклинной системы (моноклинная модификация). Плотность 1,96 г/см 3 . Температура плавления 119,3 o С.
Степень окисления серы в соединениях
Сера может существовать в виде простого вещества (см. выше) - неметалла, а как известно, степень окисления неметаллов в элементарном состоянии равна нулю .
Для серы характерна отрицательная степень окисления равная (-2) , которую она проявляет в сульфидах, гидросульфидах и сульфидокислотах: Na 2 S -2 , MaS -2 , Al 2 S -2 3 , SiS -2 2 , P 2 S -2 5 , NaS -2 H, H 4 SiS -2 4 и т.д.
Степень окисления (+4) у серы проявляется в её тетрагалогенидах (S +4 Cl 4 , S +4 Br 4 , S +4 F 4), оксодигалогенидах (S +4 OCl 2), диоксиде S +4 O 2 и отвечающим им анионам (Na 2 S +4 O 3).
Степень окисления (+6) сера проявляет в соединениях с наиболее электроотрицательными элементами: S +6 F 6 , S +6 O 3 , S +6 OF 4 , S +6 O 2 Cl 2 , H 2 S +6 O 4 , CaS +6 O 4 и т.д.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
Будем поочередно определять степень окисления железа в каждой из предложенных схем превращений, а затем выберем верный вариант ответа.- Степень окисления железа в оксиде состава Fe 2 O 3 равна (+3). Степень окисления химического элемента в простом веществе равна нулю. Изменение степени окисления железа: +3 → 0, т.е. второй вариант ответа.
- Степень окисления химического элемента в простом веществе равна нулю. Степень окисления железа в сульфате равна (+6). Изменение степени окисления железа: +6 → +2, т.е. четвертый вариант ответа.
- Степень окисления железа в оксиде состава Fe 2 O 3 равна (+3), а FeO — (+2). Изменение степени окисления железа: +3 → +2, т.е. пятый вариант ответа.
Соединения со степенью окисления –2. Наиболее важными соединениями серыв степени окисления -2 являются сероводород и сульфиды. Сероводород - H 2 S - бесцветный газ с характерным запахом гниющего белка, токсичен. Молекула сероводорода имеет угловую форму, валентный угол равен 92º. Образуется при непосредственном взаимодействии водорода с парами серы. В лаборатории сероводород получают действием сильных кислот на сульфиды металлов:
Na 2 S + 2HCl = 2NaCl + H 2 S
Сероводород сильный восстановитель, окисляется даже оксидом серы(IV).
2H 2 S -2 + S +4 O 2 = 3S 0 + 2H 2 O
В зависимости от условий продуктами окисления сульфидов могут быть S, SO 2 или Н 2 SO 4:
2KMnO 4 + 5H 2 S -2 + 3H 2 SO 4 ® 2MnSO 4 + 5S + K 2 SO 4 + 8H 2 O;
H 2 S -2 + 4Br 2 + 4H 2 O = H 2 S +4 O 4 + 8HBr
На воздухе и в атмосфере кислорода сероводород горит, образуя серу или SO 2 в зависимости от условий.
В воде сероводород мало растворим (2,5 объема H 2 S на 1 объем воды) и ведет себя как слабая двухосновная кислота.
H 2 S H + + HS - ; К 1 = 1×10 -7
HS - H + + S 2- ; К 2 = 2,5×10 -13
Как двухосновная кислота сероводород образует два ряда солей: гидросульфиды (кислые соли) и сульфиды (средние соли). Например, NaНS - гидросульфид и Na 2 S - сульфид натрия.
Сульфиды большинства металлов в воде малорастворимы, окрашены в характерные цвета и отличаются по растворимости в кислотах: ZnS - белый, CdS - желто-оранжевый, MnS - телесного цвета, HgS, CuS, PbS, FeS - черные, SnS - бурый, SnS 2 - желтый. В воде хорошо растворимы сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов, а также сульфид аммония. Растворимые сульфиды сильно гидролизованы.
Na 2 S + H 2 О NaHS + NaOH
Сульфиды, как и оксиды, бывают основными, кислотными и амфотерными. Основные свойства проявляют сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов, кислотные свойства – сульфиды неметаллов. Различие химической природы сульфидов проявляется в реакциях гидролиза и при взаимодействии сульфидов разной природы между собой. Основные сульфиды при гидролизе образуют щелочную среду, кислотные гидролизуются необратимо с образованием соответствующих кислот:
SiS 2 + 3H 2 О = H 2 SiO 3 + 2H 2 S
Амфотерные сульфиды в воде нерастворимы, некоторые из них, например, сульфиды алюминия, железа(III), хрома(III), полностью гидролизуются:
Аl 2 S 3 + 3H 2 О = 2Al(OH) 3 + 3H 2 S
При взаимодействии основных и кислотных сульфидов образуются тиосоли. Отвечающие им тиокислоты обычно неустойчивы, их разложение аналогично разложению кислородсодержащих кислот.
СS 2 + Na 2 S = Na 2 CS 3 ; Na 2 CS 3 + H 2 SO 4 = H 2 CS 3 + Na 2 SO 4 ;
тиокарбонат натрия тиоугольная кислота
H 2 CS 3 = H 2 S + CS 2
Персульфидные соединения. Тенденция серы образовывать гомоцепи реализуется в персульфидах (полисульфидах), которые образуются при нагревании растворов сульфидов с серой:
Na 2 S + (n-1)S = Na 2 S n
Персульфиды встречаются в природе, например, широко распространенный минерал пирит FeS 2 представляет собой персульфид железа(II). При действии на растворы полисульфидов минеральных кислот выделены полисульфаны - нестойкие маслоподобные вещества состава H 2 S n , где n изменяется от 2 до 23.
Персульфиды подобно пероксидам проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства, а также легко диспропорционируют.
Na 2 S 2 + SnS = SnS 2 + Na 2 S; 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 ;
Na 2 S 2 -1 = S 0 + Na 2 S -2
Соединения со степенью окисления +4. Наибольшее значение имеет оксид серы(IV) - бесцветный газ с резким неприятным запахом горящей серы. Молекула SO 2 имеет угловое строение (угол OSO равен 119,5 °):
В промышленности SO 2 получают обжигом пирита или сжиганием серы. Лабораторный метод получения диоксида серы - действие сильных минеральных кислот на сульфиты.
Na 2 SO 3 + 2HCl = 2NaCl + SO 2 + H 2 O
Оксид серы(IV) является энергичным восстановителем
S +4 O 2 + Cl 2 = S +6 O 2 Cl 2 ,
но, взаимодействуя с сильными восстановителями, может выступать в роли окислителя:
2H 2 S + S +4 O 2 = 3S 0 + 2H 2 O
Диоксид серы хорошо растворим в воде (40 объемов на 1 объем воды). В водном растворе гидратированные молекулы SO 2 частично диссоциируют с образованием катиона водорода:
SO 2 ×H 2 O H + + HSO 3 - 2H + + SO 3 2-
По этой причине водный раствор диоксида серы часто рассматривают как раствор сернистой кислоты - H 2 SO 3 , хотя реально это соединение, по-видимому, не существует. Тем не менее, соли сернистой кислоты устойчивы и могут быть выделены в индивидуальном виде:
SO 2 + NaOH = NaHSO 3 ; SO 2 + 2NaOH = Na 2 SO 3
гидросульфит натрия сульфит натрия
Сульфит-анион имеет структуру тригональной пирамиды с атомом серы в вершине. Неподеленная пара атома серы пространственно направлена, поэтому анион – активный донор электронной пары, легко переходит в тетраэдрический HSO 3 - и существует в виде двух таутомерных форм:
Сульфиты щелочных металлов хорошо растворимы в воде, в значительной мере гидролизованы:
SO 3 2- + H 2 О HSO 3 - + ОН -
Сильные восстановители, при хранении их растворов постепенно окисляются кислородом воздуха, при нагревании диспропорционируют:
2Na 2 S +4 O 3 + О 2 = 2Na 2 S +6 O 4 ; 4Na 2 S +4 O 3 = Na 2 S -2 + 3Na 2 S +6 O 4
Степень окисления +4 проявляется в галогенидах и оксогалогенидах:
SF 4 SOF 2 SOCl 2 SOBr 2
фторид серы(IV) оксофторид серы(IV) оксохлорид серы(IV) оксобромид серы(IV)
Во всех приведенных молекулах на атоме серы локализована неподеленная электронная пара, SF 4 имеет форму искаженного тетраэдра (бисфеноид), SOHal 2 – тригональной пирамиды.
Фторид серы(IV) - бесцветный газ. Оксохлорид серы(IV) (хлористый тионил, тионилхлорид) - бесцветная жидкость с резким запахом. Эти вещества широко применяются в органическом синтезе для получения фтор- и хлорорганических соединений.
Соединения данного типа имеют кислотный характер о чем свидетельствует их отношение к воде:
SF 4 + 3H 2 О = H 2 SO 3 + 4HF; SOCl 2 + 2H 2 О = H 2 SO 3 + 2HCl
Соединения со степенью окисления +6:
SF 6 SO 2 Cl 2 SO 3 H 2 SO 4 2-
фторид серы(VI) диоксодихлорид серы(VI) оксид серы(VI) серная кислота сульфат-анион
Гексафторид серы - бесцветный инертный газ, применяется в качестве газообразного диэлектрика. Молекула SF 6 высокосимметрична, имеет геометрию октаэдра. SO 2 Cl 2 (хлористый сульфурил, сульфурилхлорид) - бесцветная жидкость, дымящаяся на воздухе вследствие гидролиза, применяется в органическом синтезе как хлорирующий реагент:
SO 2 Cl 2 + 2H 2 О = H 2 SO 4 + 2HCl
Оксид серы(VI) - бесцветная жидкость (т.кип. 44,8 °С, т.пл. 16,8 °С). В газообразном состоянии SO 3 имеет мономерное строение, в жидком - преимущественно существует в виде циклических тримерных молекул, в твердом состоянии - полимер.
В промышленности триоксид серы получают каталитическим окислением ее диоксида:
2SO 2 + O 2 ¾® 2SO 3
В лаборатории SO 3 можно получить перегонкой олеума - раствора триоксида серы в серной кислоте.
SO 3 - типичный кислотный оксид, энергично присоединяющий воду и другие протонсодержащие реагенты:
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 ; SO 3 + HF = HOSO 2 F
фторсерная (фторсульфоновая)
кислота
Серная кислота - H 2 SO 4 - бесцветная маслянистая жидкость, т.пл. 10,4 °С, т.кип. 340 °С (с разложением). Неограниченно растворима в воде, сильная двухосновная кислота. Концентрированная серная кислота - энергичный окислитель, особенно при нагревании. Она окисляет неметаллы и металлы, стоящие в ряду стандартных электродных потенциалов правее водорода:
C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O; Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Взаимодействуя с более активными металлами, серная кислота может восстанавливаться до серы или сероводорода, например,
4Zn + 5H 2 SO 4 (конц) = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O
Холодная концентрированная серная кислота пассивирует многие металлы (железо, свинец, алюминий, хром) за счет образования на их поверхности плотной оксидной или солевой пленки.
Серная кислота образует два ряда солей: содержащие сульфат-анион - SO 4 2- (средние соли) и содержащие гидросульфат-анион - HSO 4 - (кислые соли). Сульфаты в основном хорошо растворимы в воде, плохорастворимы BaSO 4 , SrSO 4 , PbSO 4 , Cu 2 SO 4 . Образование белого мелкокристаллического осадка сульфата бария при действии на раствор хлорида бария является качественной реакцией на сульфат-анион. Эта реакция применяется и для количественного определения серы.
Ва 2+ + SO 4 2- = ВаSO 4 ¯
Важнейшими солями серной кислоты являются: Na 2 SO 4 ×10H 2 O - мирабилит, глауберова соль - применяется при производстве соды и стекла; MgSO 4 ×7H 2 O - горькая английская соль - применяется в медицине как слабительное, для отделки тканей, при дублении кожи; CaSO 4 ×2H 2 O - гипс - применяется в медицине и строительстве; CaSO 4 ×1/2H 2 O - алебастр - применяется как строительный материал; CuSO 4 ×5H 2 O - медный купорос - используется в сельском хозяйстве для защиты растений от грибковых заболеваний; FeSO 4 ×7H 2 O - железный купорос - применяется в сельском хозяйстве в качестве микроудобрения и при очистке воды в качестве коагулятора; K 2 SO 4 ×Al 2 (SO 4) 3 ×24H 2 O - алюмокалиевые квасцы - применяются для дубления кож.
Синтез серной кислоты в промышленности осуществляется контактным методом, первой стадией которого является обжиг пирита:
4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2
2SO 2 + O 2 = 2SO 3
При растворении SO 3 в концентрированной серной кислоте образуется целая серия полисерных кислот. Смесь H 2 SO 4 , H 2 S 2 O 7 , H 2 S 3 O 10 , H 2 S 4 O 13 – густая маслянистая, дымящая на воздухе жидкость – олеум. При разбавлении олеума водой связи S-O-S разрываются и полисерные кислоты превращаются в серную кислоту необходимой концентрации.
Пиросерная (двусерная) кислота - H 2 S 2 O 7:
Бесцветные легкоплавкие кристаллы, выделяющиеся из олеума.
SO 3 + H 2 SO 4 = H 2 S 2 O 7
Соли пиросерной кислоты - пиросульфаты (дисульфаты) - получают термическим разложением гидросульфатов:
KHSO 4 = K 2 S 2 O 7 + H 2 O
Тиосерная кислота - H 2 S 2 O 3 – существует в двух таутомерных формах:
В водных растворах неустойчива и распадается с выделением серы и SO 2:
H 2 S 2 O 3 = S¯ + SO 2 + H 2 O
Соли тиосерной кислоты - тиосульфаты - устойчивы и могут быть получены кипячением серы с водными растворами сульфитов:
Na 2 SO 3 + S = Na 2 S 2 O 3
Свойства тиосульфатов определяется присутствием атомов серы в двух разных степенях окисления –2 и +6. Так, наличие серы в степени окисления –2 обусловливает восстановительные свойства:
Na 2 SO 3 S -2 + Cl 2 + H 2 O = Na 2 S +6 O 4 + S 0 + 2HCl
Тиосульфат натрия широко применяется в фотоделе как закрепитель и в аналитической химии для количественного определения иода и веществ, выделяющих иод (иодометрический анализ).
Политионовые кислоты . Тетраэдрические структурные звенья в полисерных кислотах могут объединяться через атомы серы, при этом получаются соединения общей формулы H 2 S x O 6 , в которой x = 2 – 6.
Политионовые кислоты неустойчивы, но образуют устойчивые соли - политионаты. Например. тетратионат натрия образуется при действии иода на водный раствор тиосульфата натрия:
2Na 2 S 2 O 3 + I 2 = Na 2 S 4 O 6 + 2NaI
Пероксосерные (надсерные) кислоты . Роль мостика, объединяющего структурные единицы полисерных кислот, может играть пероксидная группировка. Эта же группа входит в состав мононадсерной кислоты:
H 2 SO 5 - мононадсерная кислота H 2 S 2 O 8 - пероксодисерная кислота
(кислота Каро)
Пероксосерные кислоты гидролизуются с образованием перекиси водорода:
H 2 SO 5 + H 2 O = H 2 SO 4 + H 2 O 2 ; H 2 S 2 O 8 + 2H 2 O = 2H 2 SO 4 + H 2 O 2 .
Пероксодисерная кислота получается при электролизе водного раствора серной кислоты:
2HSO 4 - - 2e - = H 2 S 2 O 8
Образует соли - персульфаты. Персульфат аммония - (NH 4) 2 S 2 O 8 - применяется в лабораторных условиях как окислитель.
1. Максимально возможную степень окисления азот проявляет в
1) нитриде магния 2) нитрате цинка 3) аммиаке 4) хлориде аммония
2. Одинаковую степень окисления железо проявляет в соединениях:
1) FeO и FeCO 3 2) Fe(OH) 3 и FeCl 2 3) Fe 2 O 3 и Fe(NO 3) 2 4) FeO и FePO 4
3. Наибольшую степень окисления сера проявляет в соединении:
1) Na 2 S 2) Li 2 SO 3 3) (NH 4) 2 SO 4 4) SO 2
4. Среди перечисленных элементов наиболее электроотрицательным является
1) азот 2) кислород 3) хлор 4) фтор
5. Степень окисления +3 в соединениях могут проявлять неметаллы
1) фосфор и хлор 2) углерод и кислород 3) азот и фтор 4) кремний и селен
6. Степень окисления серы в NaHSO 3 равна
1) +6 2) -2 3) 0 4) +4
7. Степень окисления, равную +4, атом серы имеет в соединении:
1) H 2 SO 4 2) FeS 2 3) H 2 SO 3 4) NaHSO 4
8. Азот проявляет степень окисления +3 в каждом из двух соединений:
1) HNO 3 и NH 3 2) NH 4 Cl и N 2 O 3 3) KNO 3 и N 2 H 4 4) HNO 2 и N 2 O 3
9. Степень окисления азота в карбонате аммония равна
1) -3 2) -2 3) +2 4) +3
10. Степень окисления -3 азот проявляет в соединении:
1) (NH 4) 2 CO 3 2) N 2 O 4 3) HNO 2 4) Al(NO 3) 3
11. Наименьшую степень окисления хром проявляет в соединении:
1) K 2 CrO 4 2) CrS 3) CrO 3 4) Cr 2 (SO 4) 3
12. Углерод проявляет отрицательную степень окисления в соединении с
1) хлором 2) кальцием 3) фтором 4) кислородом
13. Степень окисления, равную +5, атом хлора проявляет в ионе
1) ClO 4 - 2) ClO 3 - 3) ClO 2 - 4) ClO -
14. Наименьшую степень окисления сера имеет в соединении:
1) Na 2 S 2) Na 2 SO 4 3) NaHSO 3 4) Na 2 SO 3
15. В ионе аммония NH 4 + степень окисления атома азота равна
1) +1 2) +3 3) -3 4) -5
16. В какой молекуле степень окисления элемента равна нулю, а валентность равна трем?
1) S 8 2) BaO 3) N 2 4) AlCl 3
17. Хлор проявляет положительную степень окисления в соединении с
1) серой 2) водородом 3) кислородом 4) железом
18. Наименьшую степень окисления атом фосфора имеет в соединении:
1) H 3 PO 4 2) H 3 PO 3 3) H 3 PO 2 4) H 4 P 2 O 7
19. Одинаковую степень окисления хлор имеет в каждом из двух соединений:
1) CrCl 3 и Cl 2 O 7 2) KClO 4 и Cl 2 O 7 3) KCl и HClO 4) KClO 2 и BaCl 2
20. В каком из соединений степень окисления азота наибольшая?
1) KNO 2 2) NO 2 3) NH 4 I 4) NO
21. Наибольшую степень окисления сера проявляет в соединении:
1) CaS 2) Li 2 SO 3 3) CaSO 4 4) H 2 S
22. Степень окисления -3 азот проявляет в соединении:
1) (NH 4) 2 CO 3 2) KNO 3 3) N 2 O 3 4) Ca(NO 2) 2
23. Одинаковую степень окисления железо проявляет в соединениях:
1) FeO и Fe 2 (SO 4) 3 2) Fe(OH) 2 и FeCl 3 3) FeO и Fe(NO 3) 2 4) K 2 FeO 4 и FePO 4
24. Максимально возможную степень окисления азот проявляет в
1) нитрите калия 2) нитрате алюминия 3) азотистой кислоте 4) хлориде аммония
25. В какой молекуле степень окисления элемента равна нулю, а валентность равна единице?
1) O 2 2) CaC 2 3) Cl 2 4) CO
26. Фосфор проявляет степень окисления +3 в каждом из двух соединений:
1) P 2 O 3 и Ca 3 P 2 2) PH 4 Cl и PH 3 3) Na 3 PO 4 и P 2 O 5 4) H 3 PO 3 и P 2 O 3
27. Такую же степень окисления, как в PCl 3 , фосфор имеет
1) PCl 5 2) H 3 PO 3 3) P 2 O 5 4) H 3 PO 4
28. Одну и ту же степень окисления фосфор имеет в соединениях:
1) Ca 3 P 2 и PH 3 2) P 2 O 3 и H 3 PO 4 3) PCl 3 и PCl 5 4) PCl 3 и PH 3
29. Низшую возможную степень окисления углерод имеет в
1) CH 4 2) CO 3) CaCO 3 4) C 2 H 2
30. Степень окисления азота в сульфате аммония равна
1) -3 2) -1 3) +1 4) +3
