Подгруппа кислорода: сера, сероводород, серная кислота и сульфаты
Подгруппа кислорода: сера, сероводород, серная кислота и сульфаты
Сера S — элемент VI-А группы 3-го периода (электронная формула [Ne]3s² 3p⁴). В природе встречается как в самородном виде (месторождения серы), так и в виде сульфидов (пирит FeS₂, свинцовый блеск PbS) и сульфатов (гипс CaSO₄·2H₂O, глауберова соль Na₂SO₄·10H₂O).
Сера образует несколько аллотропных модификаций:
1. Ромбическая сера (α-S) — лимонно-желтые октаэдрические кристаллы, состоящие из циклических молекул S₈; устойчива до 95.6 °C, плотность 2.07 г/см³, в воде не растворяется, но растворима в сероуглероде CS₂.
2. Моноклинная сера (β-S) — темно-желтые игольчатые кристаллы молекул S₈; устойчива в интервале 95.6–119.3 °C.
3. Пластическая сера — темно-коричневая резиноподобная масса, состоящая из длинных полимерных цепочек Sₙ; образуется при резком охлаждении кипящей серы (444 °C) в холодной воде, со временем переходит в стабильную ромбическую форму.
Чертеж: Серная кислота, аллотропия серы и качественная реакция на сульфат-ион
Ромбическая сера S₈
Пластическая сера
Флотация серы
Порошок серы не смачивается водой и плавает на ее поверхности (гидрофобность), несмотря на то что плотность серы в 2 раза больше плотности воды.
Плавление ромбической серы
Перегрев расплава
Закалка в воде
Сероводород H₂S — бесцветный газ с резким характерным запахом тухлых яиц, крайне ядовит (парализует дыхательный центр). В лаборатории его получают в аппарате Киппа реакцией сульфида железа(II) с соляной кислотой:
FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑.
Водный раствор сероводорода — сероводородная кислота (очень слабая двухосновная кислота). H₂S — сильный восстановитель, легко окисляется даже кислородом воздуха (помутнение раствора из-за выпадения серы): 2H₂S + O₂ → 2S↓ + 2H₂O.
Качественная реакция на сульфид-ион S²⁻: выпадение черного осадка сульфида свинца(II) PbS при контакте с растворимыми солями свинца или на бумажке, смоченной ацетатом свинца Pb(CH₃COO)₂:
Pb²⁺ + S²⁻ → PbS↓ (черный осадок).
Сероводород H₂S
Сульфид свинца PbS
Потемнение старинных картин
Свинцовые белила 2PbCO₃·Pb(OH)₂ на картинах старых мастеров темнеют со временем из-за образования черного PbS от следов сероводорода в воздухе.
Получение газа в тяге
Индикация свинцовой бумажкой
Фиксация почернения
Серная кислота H₂SO₄ («хлеб химической промышленности») — тяжелая маслянистая жидкость без цвета и запаха (плотность 1.84 г/см³, содержит 98% H₂SO₄). Ее промышленное производство контактным способом состоит из трех стадий: 1) 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂; 2) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (катализатор V₂O₅); 3) SO₃ + H₂SO₄(конц) → олеум.
Разбавленная и концентрированная серная кислота кардинально различаются по свойствам:
• Разбавленная H₂SO₄ реагирует с металлами до водорода с выделением H₂ (Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑);
• Концентрированная H₂SO₄ — сильный окислитель за счет серы S⁺⁶. Она реагирует даже с малоактивными металлами (Cu, Ag), не выделяя водород:
Cu + 2H₂SO₄(конц) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O.
Железо и алюминий на холоду пассивируются концентрированной H₂SO₄ (образуется защитная оксидная пленка), поэтому ее перевозят в стальных цистернах!
Качественная реакция на сульфат-ион SO₄²⁻ — взаимодействие с растворимыми солями бария: выпадает белый осадок сульфата бария BaSO₄, нерастворимый в кислотах:
Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓.
Концентрированная H₂SO₄
Качественная реакция на SO₄²⁻
Обугливание сахара
Концентрированная H₂SO₄ отнимает воду от углеводов (C₁₂H₂₂O₁₁ -> 12C + 11H₂O): смесь сахара с кислотой вспучивается черным пористым столбом угля.
Идентификация концентрации
Выбор продукта восстановления
Аналитическое подтверждение
Аналитический тест с солями бария:
Добавление реагента BaCl₂ или Ba(NO₃)₂
Проверка устойчивости осадка в кислотах
Реакции концентрированной серной кислоты с металлами:
1. Чистый водород H₂ НИКОГДА не выделяется при реакции с H₂SO₄(конц)!
2. Продукты восстановления серы зависят от активности металла:
• С малоактивными металлами (Cu, Ag): восстанавливается до SO₂:
Cu + 2H₂SO₄(конц) —(t)→ CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O;
• С металлами средней активности (Zn, Fe горяч.): восстанавливается до свободной серы S или SO₂;
• С высокоактивными металлами (Mg, Ca): восстанавливается глубоко до сероводорода H₂S (газ с запахом тухлых яиц):
4Mg + 5H₂SO₄(конц) → 4MgSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O.
3. Пассивация: Fe, Al, Cr пассивируются на холоду концентрированной H₂SO₄!
Концентрированная серная кислота — окислитель
H₂SO₄(конц) реагирует с медью с выделением сернистого газа SO₂. Водород H₂ не выделяется ни с одним металлом!
- 1. Элемент сера и её аллотропные видоизменения~5 мин
- 2. Сероводород и сульфиды~5 мин
- 3. Серная кислота: производство, окислительные свойства и сульфаты~5 мин
- 4. Алгоритм распознавания серной кислоты и сульфат-ионов SO₄²⁻~5 мин
- 5. Ловушки ЕНТ: Окислительные свойства концентрированной H₂SO₄ с металлами~5 мин
