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.

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).

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↓.

Аналитический тест с солями бария:

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!