Сера и оксиды серы

Сера встречается в простом веществе, в сульфидах, оксидах и сульфатах. Во всех этих случаях речь идёт об одном элементе S, но свойства веществ различаются. Чтобы объяснить превращения серы, полезно одновременно следить за составом вещества, степенью окисления S и условиями реакции.

Элемент и простое вещество

Сера — неметалл 16-й группы, третьего периода. Порядковый номер 16 означает 16 протонов в ядре; в нейтральном атоме столько же электронов. В школьной модели распределение электронов по оболочкам — 2, 8, 6. На внешнем уровне находятся шесть электронов.

Сера как элемент — вид атомов с зарядом ядра +16. Простое вещество сера состоит только из атомов этого элемента и существует в нескольких аллотропных формах.

Обычная кристаллическая сера жёлтая, хрупкая и практически не растворяется в воде. Ромбическая и моноклинная формы построены из кольцевых молекул S₈, но различаются упаковкой в кристалле. Пластическая сера содержит длинные цепи атомов; формулу S₈ нельзя считать универсальным описанием любой формы серы.

В школьных уравнениях простое вещество часто обозначают S: это удобная запись соотношения атомов. Если записана молекула S₈, коэффициенты должны учитывать восемь атомов. Например, при горении основным продуктом является диоксид серы:

S₈ + 8O₂ → 8SO₂.

При нагревании с железом образуется сульфид железа(II):

8Fe + S₈ → 8FeS.

В первом превращении сера окисляется от 0 до +4, а кислород восстанавливается. Во втором сера восстанавливается до −2, а железо окисляется до +2. Поэтому простое вещество сера может выступать и восстановителем, и окислителем — в зависимости от партнёра.

Два важных оксида

SO₂ при комнатной температуре — бесцветный токсичный газ, раздражающий дыхательные пути. Описываемый в справочниках резкий запах не служит разрешением проверять вещество вдыханием. SO₃ очень активно взаимодействует с влагой; по сходству формул нельзя приписывать ему все физические свойства SO₂.

Растворение SO₂ в воде создаёт кислую среду. В школьной записи это часто изображают схемой:

SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃.

Это условное описание системы «SO₂ — вода», а не утверждение, что раствор целиком состоит из устойчивых молекул H₂SO₃. В нём присутствуют растворённый SO₂ и ионные формы; их соотношение зависит от среды. Для основных школьных задач достаточно понимать кислый характер раствора и образование сульфитов или гидросульфитов.

Реакции со щёлочью и состав соли

В водном растворе достаточное количество щёлочи связывает SO₂ с образованием сульфита:

SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O.

При другом соотношении реагентов суммарный состав соответствует гидросульфиту:

SO₂ + NaOH → NaHSO₃.

Для расчётной модели поглощения SO₂ раствором NaOH соотношение 1 : 2 соответствует сульфиту, а 1 : 1 — гидросульфиту. Продукт определяют по количествам реагентов и условиям, а не только по названию кислотного оксида.

Если исходно получен сульфит, дальнейшее поглощение SO₂ в присутствии воды меняет состав:

Na₂SO₃ + SO₂ + H₂O → 2NaHSO₃.

Эти уравнения показывают стехиометрические пределы. В реальном растворе устанавливаются кислотно-основные равновесия, поэтому запись соли не означает полного отсутствия других ионных форм.

SO₃ при взаимодействии с водой даёт серную кислоту; реакция сопровождается большим выделением теплоты:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

При полной нейтрализации щёлочью образуется сульфат:

SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O.

Окисление SO₂ и отличие сульфата от сульфита

Диоксид серы может окисляться кислородом до SO₃. Это важная стадия контактного производства серной кислоты. Реакция обратима и экзотермична; промышленный катализатор содержит соединения ванадия, в школьной схеме указывают V₂O₅. Процесс ведут при повышенной температуре:

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃.

Катализатор ускоряет достижение равновесия в обоих направлениях и не увеличивает равновесную долю SO₃ сам по себе. Температуру выбирают с учётом скорости и равновесия: простого правила «чем горячее, тем больше выход» здесь нет.

Сульфит SO₃²⁻ и сульфат SO₄²⁻ — разные ионы. В сульфите степень окисления серы +4, в сульфате +6. Окисление сульфита до сульфата является химическим превращением.

Например, суммарное окисление сульфита натрия кислородом в растворе записывают так:

2Na₂SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄.

Выбросы SO₂ при сжигании серосодержащего топлива загрязняют воздух. Последующее окисление и превращения в атмосферной влаге участвуют в образовании кислотных осадков. Это одна из причин очистки топлива и промышленных газов от соединений серы.

Три разобранных примера

1. Масса продукта горения

Пусть 8,0 г кристаллической серы полностью сгорает до SO₂ в избытке кислорода. Используем школьные A_r(S) = 32 и A_r(O) = 16, поэтому M(S₈) = 256 г/моль и M(SO₂) = 64 г/моль:

n(S₈) = 8,0 / 256 = 0,03125 моль; n(SO₂) = 8 · 0,03125 = 0,250 моль.

m(SO₂) = 0,250 · 64 = 16,0 г.

Продукт тяжелее исходной серы на 8,0 г: эта масса принадлежит присоединившемуся кислороду. Закон сохранения массы учитывает оба реагента.

2. Два количества щёлочи

Для 0,10 моль SO₂ и 0,20 моль NaOH стехиометрический итог — 0,10 моль Na₂SO₃. Для тех же 0,10 моль SO₂, но 0,10 моль NaOH — 0,10 моль NaHSO₃. Расчёт относится к водному поглощению без окисления кислородом и без последующего избытка SO₂.

3. Теоретическое окисление

Какое количество O₂ требуется для превращения 0,20 моль SO₂ в SO₃? По уравнению отношение SO₂ : O₂ равно 2 : 1:

n(O₂) = 0,20 / 2 = 0,10 моль; n(SO₃) = 0,20 моль.

Это расчёт для полного превращения заданного количества. В равновесной смеси фактическое количество SO₃ определяют дополнительно по условиям и степени превращения.

Частые ошибки

• Принимать обозначение S в уравнении за доказательство одноатомного строения кристаллической серы.
• Смешивать формулы SO₃, SO₃²⁻ и SO₄²⁻.
• Писать единственную соль для любого количества NaOH.
• Считать катализатор способом изменить константу равновесия.
• Забывать массу кислорода в расчёте горения.

Проверьте себя

1. Определите степени окисления S в SO₂ и SO₃.
2. Расставьте коэффициенты в схеме S₈ + O₂ → SO₂.
3. Какая соль соответствует поглощению 0,20 моль SO₂ раствором, содержащим 0,20 моль NaOH, в рассмотренной модели?
4. Сколько молей O₂ требуется для полного окисления 0,10 моль SO₂ до SO₃?
5. Почему Na₂SO₃ нельзя назвать сульфатом натрия?

Ответы с объяснениями

1. В обоих оксидах O имеет степень окисления −2. Нейтральность состава даёт +4 для S в SO₂ и +6 в SO₃.

2. В молекуле S₈ восемь атомов серы, поэтому нужно восемь молекул SO₂ и восемь O₂:

   S₈ + 8O₂ → 8SO₂.

3. NaHSO₃, гидросульфит натрия: отношение SO₂ : NaOH равно 1 : 1. Для сульфита Na₂SO₃ понадобилось бы 0,40 моль NaOH.

4. Кислорода требуется вдвое меньше по количеству вещества:

   n(O₂) = 0,10 / 2 = 0,050 моль.

5. В Na₂SO₃ находится сульфит-ион SO₃²⁻ с S(+4). Сульфат натрия имеет формулу Na₂SO₄ и S(+6); отличаются состав и свойства.

Связанные темы

Серная кислота и сульфаты, кислород и озон, оксиды, химическое равновесие.

Источники

Элемент и аллотропия: RSC, Sulfur и OpenStax, Properties of Sulfur. Соединения: Purdue University, Oxygen and Sulfur. Контактный процесс: RSC, The Contact Process. Ионные формы растворённого SO₂: исследование спектров растворов, Inorganic Chemistry.