Кислород и сера (VIA группа)

Элементы VIA группы (халькогены, «рождающие руды») — кислород O, сера S, селен Se, теллур Te и полоний Po. Кислород — самый распространённый элемент земной коры (почти половина её массы), окислитель, необходимый для дыхания и горения. Из серы получают «хлеб» химической промышленности — серную кислоту: из неё производят удобрения, красители, лекарства, электролит для аккумуляторов и множество других веществ. На экзамене часто спрашивают о реакциях конц. H₂SO₄ с металлами и неметаллами, двойственных свойствах SO₂ и цепочке производства серной кислоты.

§1. Общая характеристика группы и кислород

Вниз по группе неметаллические свойства ослабевают: кислород и сера — типичные неметаллы, у теллура и полония появляются металлические свойства. У кислорода нет d-орбиталей, поэтому он только двухвалентен; сера в возбуждённом состоянии может быть четырёх- и шестивалентной.

Кислород — бесцветный газ без запаха, мало растворим в воде (для дыхания рыб этого достаточно), составляет 21 % воздуха по объёму. Поступает в атмосферу в результате фотосинтеза.
Получение: в лаборатории 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂; 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂ (катализатор MnO₂); 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ (MnO₂); в промышленности — фракционной перегонкой жидкого воздуха.
Свойства: кислород образует оксиды почти со всеми элементами (кроме благородных газов, золота, платины). Быстрое окисление — горение (выделяются свет и теплота), медленное — дыхание, гниение, ржавление. При горении сложных веществ образуются оксиды элементов: 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O.

Пример

Полностью разложили 24,5 г бертолетовой соли KClO₃. Сколько литров кислорода (н.у.) выделится?

1. n(KClO₃) = 24,5/122,5 = 0,2 моль.
2. 2KClO₃ → 3O₂: n(O₂) = 0,2·3/2 = 0,3 моль.
3. V = 0,3·22,4 = 6,72 л.

§2. Озон и пероксид водорода

Озон O₃ — аллотропная модификация кислорода, бледно-голубой газ с резким запахом. Образуется в электрическом разряде (при грозе): 3O₂ → 2O₃. Он более сильный окислитель, чем кислород: O₃ + 2KI + H₂O → I₂ + 2KOH + O₂ — эту реакцию используют для обнаружения озона (крахмал синеет). Озоновый слой в стратосфере защищает Землю от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца. Озон применяют для обеззараживания воды как альтернативу хлору.

Пероксид водорода H₂O₂ — кислород в степени −1, то есть промежуточной, поэтому он может быть и окислителем, и восстановителем; медленно разлагается сам по себе. Его 3 %-ный раствор используют в медицине для обработки ран.

§3. Сера и её соединения

Сера — жёлтое кристаллическое вещество, в воде не растворяется и не смачивается (порошок плавает на поверхности воды). Аллотропия: ромбическая (устойчивая), моноклинная, пластическая. Кристаллические формы состоят из циклических молекул S₈.

• С металлами и водородом сера — окислитель: S + Fe → FeS, S + H₂ → H₂S; с кислородом — восстановитель: S + O₂ → SO₂. С ртутью реагирует даже на холоду — на этом основано обезвреживание пролитой ртути порошком серы.
• H₂S — ядовитый газ с запахом тухлых яиц; сильный восстановитель (S⁻²), его водный раствор — слабая кислота. С Pb²⁺ и Cu²⁺ даёт чёрные осадки сульфидов: Pb²⁺ + S²⁻ → PbS↓.
• SO₂ — газ с резким запахом, кислотный оксид (SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃). Сера +4 — промежуточная степень, поэтому SO₂ и восстановитель (SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr — бромная вода обесцвечивается), и окислитель (SO₂ + 2H₂S → 3S + 2H₂O). Виновник кислотных дождей.
• SO₃ очень бурно, с выделением большого количества теплоты, соединяется с водой: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

§4. Серная кислота

Разбавленная H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, окислитель — ион H⁺: с металлами до водорода выделяет H₂ (Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂), реагирует с основными оксидами, основаниями и солями. Образует два ряда солей: кислые (NaHSO₄, гидросульфаты) и средние (Na₂SO₄, сульфаты).
Концентрированная H₂SO₄ — сильный окислитель (окислитель — S⁺⁶), водород не выделяет:

На холоду пассивирует Fe, Al, Cr, поэтому конц. кислоту перевозят в стальных цистернах. Сильно отнимает воду: обугливает сахар и бумагу, применяется для осушки газов.

Безопасность: при разбавлении кислоту вливают в воду тонкой струёй, а не наоборот.

§5. Промышленное получение серной кислоты

Контактный способ состоит из трёх стадий:

SO₃ не поглощают непосредственно водой, так как образуется кислотный туман. Вторая стадия экзотермическая и обратимая, поэтому выбирают компромиссную температуру и используют катализатор.

Пример

Сколько граммов серной кислоты можно получить из 120 г пирита (FeS₂, M = 120) при выходе 100 %?

1. n(FeS₂) = 120/120 = 1 моль.
2. Баланс серы: в 1 моль FeS₂ 2 моль S → n(H₂SO₄) = 2 моль.
3. m = 2·98 = 196 г.

§6. Задача из официального теста

Сколько граммов 80 %-ного раствора конц. H₂SO₄ нужно для растворения 54 г смеси Fe₃O₄, C и Cu в мольном отношении 2 : 1 : 1 (продукт восстановления SO₂)?

Пример

1. 2x·232 + x·12 + x·64 = 540x = 54 → x = 0,1: Fe₃O₄ 0,2, C 0,1, Cu 0,1 моль.
2. 2Fe₃O₄ + 10H₂SO₄ → 3Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 10H₂O → 0,2·5 = 1,0 моль кислоты.
3. C + 2H₂SO₄ → 0,2 моль; Cu + 2H₂SO₄ → 0,2 моль.
4. Всего 1,4 моль = 137,2 г → раствора 137,2/0,8 = 171,5 г.

Проверьте себя

1. 6,4 г меди растворили в конц. H₂SO₄. Сколько литров SO₂ (н.у.) выделится?

2. Какие свойства проявляет SO₂ и почему?

3. Сколько граммов NaOH нужно для полной нейтрализации 24,5 г H₂SO₄?

4. Какой металл не растворяется в холодной конц. H₂SO₄: Cu, Fe, Zn?

5. Какая соль образуется при реакции 0,1 моль SO₂ и 0,1 моль NaOH?

6. В каком веществе кислород в степени −1: H₂O, Na₂O₂, OF₂, O₃?

7. С помощью какого катиона обнаруживают сульфат-ион?

8. Сколько литров SO₂ (н.у.) образуется при сгорании 9,6 г серы?

Типичные ошибки

• Писать, что конц. H₂SO₄ с металлом даёт H₂.
• Вливать воду в кислоту — опасно!
• Считать, что железо растворяется в холодной конц. H₂SO₄: оно пассивируется.
• Считать железо в Fe₃O₄ только +3 и забывать про SO₂: в нём есть и Fe²⁺.
• Писать, что в промышленности SO₃ поглощают непосредственно водой.