Кислород и сера: от озона до концентрированной серной кислоты
Аллотропия кислорода и серы, сероводород и сульфиды, оксиды SO₂ и SO₃, и главный сюжет темы — почему разбавленная серная кислота даёт водород, а концентрированная не даёт его никогда.
1Аллотропия: кислород, озон и три облика серы
Кислород и сера стоят в одной VIA группе — это халькогены, у них по шесть электронов на внешнем уровне. Оба элемента образуют несколько простых веществ — это и есть аллотропия: разные вещества из атомов одного элемента.
| Вещество | Формула | Свойства | Как получают |
|---|---|---|---|
| Кислород | O₂ | газ без цвета и запаха, чуть тяжелее воздуха | разложение KMnO₄, KClO₃, H₂O₂ |
| Озон | O₃ | голубоватый газ с резким запахом, сильнейший окислитель | 3O₂ ⇄ 2O₃ (электрический разряд, УФ) |
| Ромбическая сера | S₈ | жёлтые кристаллы, самая устойчивая форма | природная сера |
| Пластическая сера | Sₙ | тёмно-бурая, тягучая, резиноподобная; неустойчива | выливание расплава серы в холодную воду |
Озон окисляет то, что кислороду не под силу: например, он вытесняет иод из раствора иодида калия — это качественная реакция на озон. Пластическая сера — состояние временное: через несколько суток она сама превращается в привычную ромбическую.
2Кислород: получение и свойства
В лаборатории кислород получают разложением богатых кислородом соединений, в промышленности — перегонкой сжиженного воздуха. Собирают кислород вытеснением воды или в сосуд, поставленный дном вниз (он тяжелее воздуха).
Кислород — сильный окислитель: реагирует почти со всеми простыми веществами, кроме благородных газов, золота и платины. При горении сложных веществ образуются оксиды элементов, а сера, входящая в состав вещества, чаще всего уходит в SO₂.
- Кислород поддерживает горение, но сам не горит.
- Степень окисления кислорода −2 везде, кроме пероксидов (−1) и фторида OF₂ (+2).
- MnO₂ в реакции с KClO₃ и H₂O₂ — катализатор, а не реагент.
- Озон получают из кислорода в озонаторе; реакция обратимая и эндотермическая.
3Сероводород и сульфиды
Сероводород H₂S — бесцветный ядовитый газ с запахом тухлых яиц. Сера в нём в низшей степени окисления −2, поэтому H₂S и сульфиды — только восстановители. Раствор сероводорода в воде — очень слабая двухосновная сероводородная кислота.
Сульфиды щелочных металлов и аммония растворимы, сульфиды щёлочноземельных металлов гидролизуются, а сульфиды тяжёлых металлов нерастворимы и ярко окрашены — на этом и построена качественная реакция на сульфид-ион.
С каким веществом сероводород НЕ вступает в реакцию?
Соляная кислота — не окислитель (в HCl хлор уже в низшей степени окисления −1), а H₂S — слабая кислота, поэтому вытеснить её более сильная кислота может, но реакции обмена здесь нет. С Pb(NO₃)₂ выпадает чёрный PbS, кислород и хлор окисляют серу из −2 в 0 или выше.
4Оксиды серы: SO₂ и SO₃
Оба оксида — кислотные. У SO₂ сера в промежуточной степени окисления +4, поэтому сернистый газ может быть и окислителем, и восстановителем. У SO₃ сера в высшей степени окисления +6 — только окислитель.
| Признак | SO₂ — оксид серы(IV) | SO₃ — оксид серы(VI) |
|---|---|---|
| Внешний вид | газ с резким запахом, тяжелее воздуха | летучая жидкость (т. кип. 45 °C) |
| Соответствующая кислота | H₂SO₃ — сернистая, слабая, неустойчивая | H₂SO₄ — серная, сильная |
| Соли | сульфиты и гидросульфиты | сульфаты и гидросульфаты |
| Роль в ОВР | и окислитель, и восстановитель | только окислитель |
| Получение | S + O₂; Cu + конц. H₂SO₄; Na₂SO₃ + H₂SO₄ | 2SO₂ + O₂ (кат. V₂O₅) |
Качественное свойство SO₂ — он обесцвечивает раствор фуксина и бромную воду. Обесцвечивание бромной воды здесь связано с восстановлением брома: SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr.
5Серная кислота: разбавленная против концентрированной
Это ядро всей темы. Разбавленная H₂SO₄ ведёт себя как обычная сильная кислота: окислитель в ней — ион H⁺, и с металлами левее водорода выделяется водород. Концентрированная H₂SO₄ — другое вещество по поведению: окислителем работает сера в степени окисления +6, и водород не выделяется ни с одним металлом.
конц.: Cu + 2H₂SO₄ —t→ CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
Чем активнее металл, тем больше электронов он отдаёт — и тем глубже восстанавливается сера: SO₂ (+4) → S (0) → H₂S (−2). Попробуйте все комбинации в лаборатории ниже и обратите внимание, что объяснение появляется вместе с уравнением.
Выберите металл, концентрацию кислоты и температуру — пробирка, уравнение и разбор обновятся
Слева направо активность падает: Mg → Al → Zn → Fe → (H) → Cu → Ag
Cu + 2H₂SO₄(конц.) —t→ CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
Медь — малоактивный металл (правее водорода). Он отдаёт мало электронов, поэтому сера восстанавливается лишь на две ступени: S⁺⁶ → S⁺⁴, то есть до сернистого газа SO₂. Водород не выделяется никогда: окислителем здесь работает не H⁺, а сера в степени окисления +6.
Наблюдаем: Раствор синеет (для меди — образуется CuSO₄), выделяется резко пахнущий газ SO₂, обесцвечивающий фуксин.
Логика одна: чем активнее металл, тем больше электронов он отдаёт и тем глубже восстанавливается сера. Водород в этом ряду не появляется никогда.
Отдельный сюжет — пассивация. На холоде концентрированная H₂SO₄ (как и концентрированная HNO₃) покрывает железо, алюминий и хром прочной оксидной плёнкой, и реакция прекращается. Поэтому концентрированную серную кислоту перевозят в стальных и алюминиевых цистернах. При нагревании плёнка разрушается — реакция идёт.
- Разбавленная H₂SO₄ + металл левее H → соль + H₂↑; с Cu и Ag реакции нет.
- Концентрированная H₂SO₄ + Cu, Ag (при нагревании) → соль + SO₂ + H₂O.
- Концентрированная H₂SO₄ + Zn → сера S; + Mg, Ca, Na → сероводород H₂S.
- Fe и Al на холоде пассивируются концентрированной H₂SO₄ и HNO₃.
- Концентрированная H₂SO₄ обугливает сахар и бумагу — она отнимает воду.
- Кислоту льют в воду, а не наоборот: разбавление сильно экзотермично.
Какой газ выделяется при взаимодействии меди с концентрированной серной кислотой при нагревании?
Медь стоит правее водорода, поэтому с разбавленной кислотой она не реагирует вовсе. С концентрированной реакция идёт, но окислителем выступает S⁺⁶: он принимает два электрона и переходит в S⁺⁴ — выделяется сернистый газ SO₂. Водород с концентрированной H₂SO₄ не выделяется никогда.
6Цепочка превращений серы
Все соединения серы удобно расставить по степени окисления: −2 (сероводород и сульфиды), 0 (простое вещество), +4 (SO₂, сернистая кислота, сульфиты), +6 (SO₃, серная кислота, сульфаты). Переход вправо — окисление, влево — восстановление. Пройдите все семь переходов: для каждого нужно выбрать реагент и условия.
Нажмите на переход, выберите реагент — появится уравнение, а узлы схемы подсветятся по степени окисления
Пройдено переходов: 0 / 7
7Качественная реакция на сульфат-ион
Сульфат-ион SO₄²⁻ определяют по ионам бария: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Выпадает белый мелкокристаллический осадок, который не растворяется в кислотах — ни в соляной, ни в азотной. Именно нерастворимость в кислоте отличает BaSO₄ от похожих белых осадков.
| Осадок | Цвет | Растворимость в HCl / HNO₃ | Вывод |
|---|---|---|---|
| BaSO₄ | белый | не растворяется | сульфат-ион SO₄²⁻ |
| BaSO₃ | белый | растворяется с выделением SO₂↑ | сульфит-ион SO₃²⁻ |
| BaCO₃ | белый | растворяется с выделением CO₂↑ | карбонат-ион CO₃²⁻ |
| PbS | чёрный | не растворяется | сульфид-ион S²⁻ |
К раствору неизвестной соли добавили BaCl₂ — выпал белый осадок, который не растворился при добавлении избытка HNO₃. Какой ион был в растворе?
Белый осадок с барием дают и карбонат, и сульфит, и сульфат. Но BaCO₃ и BaSO₃ растворяются в азотной кислоте с выделением газа (CO₂ и SO₂ соответственно), а BaSO₄ не растворяется ни в одной кислоте. Значит, в растворе был сульфат-ион.
8Что забрать с собой
- Аллотропия кислорода: O₂ и O₃; серы: ромбическая, моноклинная и пластическая.
- H₂S и сульфиды (S⁻²) — только восстановители; SO₃ и H₂SO₄ (S⁺⁶) — только окислители; SO₂ (S⁺⁴) — и то, и другое.
- Недостаток O₂ при горении H₂S даёт серу, избыток — SO₂.
- SO₂ → SO₃ идёт только с катализатором V₂O₅ и обратимо.
- Разбавленная H₂SO₄ — окислитель H⁺ и водород; концентрированная — окислитель S⁺⁶ и SO₂/S/H₂S.
- Fe и Al пассивируются концентрированной H₂SO₄ на холоде, но реагируют при нагревании.
- Ba²⁺ + SO₄²⁻ → белый BaSO₄↓, нерастворимый в кислотах; Pb²⁺ + S²⁻ → чёрный PbS↓.
- Концентрированная H₂SO₄ — водоотнимающее средство: обугливает сахар и целлюлозу.