Сера в химии - классификация, получение, свойства, формулы и определения с примерами

Содержание:

Сера — химический элемент и простое вещество:

Сера, так же как и кислород, является элементом VIA-группы периодической системы, она находится в третьем периоде. Рассмотрим свойства этого химического элемента и образуемых им простых веществ.

Сера в природе

Массовая доля серы в земной коре составляет около 0,05 %, она является распространенным элементом. В природе сера встречается как в виде самородной серы (рис. 49), так и в составе различных минералов и горных пород (рис. 50): сульфидов

Строение атома серы

В атоме серы 16 электронов (рис. 51), из них 6 электронов — на внешнем электронном слое:

В соединениях с металлами и водородом сера обычно проявляет степень окисления, равную –2, например — сульфид алюминия. В соединениях с более электроотрицательными элементами (F, O, N, Cl, Br) атомы серы проявляют положительные степени окисления, чаще +4 и +6, например — оксид серы(IV), — фторид серы(VI).

Строение и физические свойства простых веществ

Простое вещество сера существует в виде нескольких аллотропных модификаций, отличающихся составом и строением. Кристаллическая сера — твердое, легкоплавкое вещество желтого цвета. Кристаллическая сера имеет молекулярное строение — состоит из циклических молекул (рис. 52). Если расплавленную серу вылить в холодную воду, то она застынет в виде светложелтой, прозрачной массы, похожей на резину (рис. 53). Это аморфная модификация — пластическая сера, состоящая из длинных цепей атомов серы S.

Сера в воде не растворяется и даже не смачивается ею. Если бросить в воду немного порошка серы, то частички серы не осядут на дно, а будут плавать на поверхности воды, образуя желтую пленку (рис. 54).

Химические свойства серы

Сера взаимодействует со многими простыми и сложными веществами, хотя ее реакционная способность ниже, чем у кислорода.

Сера реагирует со многими металлами, кроме золота и платины, проявляя при этом окислительные свойства, например (рис. 55):

Продуктами такого взаимодействия являются сульфиды металлов.

  Реакция с серой является основой способа удаления и обезвреживания разлитой ртути, например, из разбитого термометра. Ртуть, которая попала в щели и другие труднодоступные места, засыпают порошком серы. Такой процесс называют демеркуризацией.

Окислительные свойства серы проявляются и в реакциях с некоторыми неметаллами. Сера взаимодействует с водородом при нагревании, образуя летучее соединение — сероводород

Сероводород — бесцветный газ с резким запахом тухлых яиц. Правильнее сказать, что это тухлые яйца пахнут сероводородом, так как этот газ образуется при гниении растительных и животных остатков. Сероводород ядовит. Поэтому его вдыхание может привести к тяжелому отравлению. Однако в небольших количествах сероводород оказывает целебное действие. Он содержится в водах некоторых минеральных источников.

Сера окисляется кислородом, проявляя при этом восстановительные свойства (рис. 56):

Применение серы

Больше половины добытой серы расходуется для получения серной кислоты, одного из самых важных химических продуктов. Нагреванием серы с каучуком получают резину. Как горючее вещество сера входит в состав черного пороха, спичечных головок. Широко применяется сера в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений. В медицине серу используют для лечения кожных заболеваний.

Сера в соединениях с металлами и менее электроотрицательными элементами проявляет степень окисления –2, а в соединениях с более электроотрицательными элементами — +4 и +6.

Простое вещество сера существует в виде нескольких аллотропных модификаций.

Сера при взаимодействии с металлами, водородом и некоторыми неметаллами ведет себя как окислитель.

В реакции с кислородом сера является восстановителем.

Оксид серы(IV) и оксид серы(VI)

Сера образует с кислородом два оксида: оксид серы(IV), или сернистый газ, и оксид серы(VI)

 Оксид серы(IV)

Оксид серы(IV) — это бесцветный газ с характерным запахом. Графическая формула его молекулы:

Оксид серы(IV) является кислотным оксидом, проявляя все соответствующие химические свойства: взаимодействует с водой, щелочами и осно Ђвными оксидами.

При растворении оксида серы(IV) в воде образуется слабая двухосновная сернистая кислота:

В этом легко убедиться по изменению окраски лакмуса с фиолетовой на красную в водном растворе оксида серы(IV). Сернистая кислота неустойчива и существует только в растворе. Соли этой кислоты называются сульфитами.

 Сернистый газ обладает бактерицидным действием. Поэтому его широко используют для обработки овощехранилищ, плодов и фруктов, чтобы предотвратить их загнивание. Сернистый газ, как и соли сернистой кислоты, применяют для отбеливания соломы, шерсти, бумаги, тканей.

В оксиде серы(IV) сера находится в промежуточной степени окисления +4. Поэтому сернистый газ может проявлять как окислительные свойства, реагируя с восстановителями:

так и восстановительные свойства, взаимодействуя с сильными окислителями:

 Реакция взаимодействия сернистого газа с сероводородом — один из важных процессов, протекающих в природе. При извержении вулканов выделяются SO₂ и H₂S, а при их взаимодействии образуется сера в виде кристаллов. На рисунке вы видите извержение вулкана Килауэа.

Оксид серы(VI)

Оксид серы(VI) SO₃ представляет собой бесцветную жидкость, которая при температуре ниже 17 °С превращается в белое твердое вещество. Графическая формула его молекулы представлена на рисунке 58.

Это типичный кислотный оксид. Он реагирует с водой с выделением теплоты, образуя серную кислоту:

Оксид серы(VI) реагирует с основными оксидами:

и щелочами:

Оксид серы(VI) применяется для промышленного получения серной кислоты.

 Попадание оксидов серы в атмосферу при сжигании топлива приводит к образованию в облаках кислот и выпадению кислотных дождей. Они губительно действуют на все живое: разрушается почва, изменяется состав почвенных организмов, гибнут ценные виды рыб, исчезает растительность (см. рис.).

Оксид серы(IV) и оксид серы(VI) представляют собой типичные кислотные оксиды.

При взаимодействии с водой оксид серы(IV) и оксид серы(VI) образуют соответственно сернистую и серную кислоты.

Серная кислота

Серная кислота является важнейшим кислородсодержащим соединением серы. Она была получена алхимиками еще в XIII в. и называлась тогда «купоросное масло». С помощью серной кислоты удалось получить и другие минеральные (неорганические) кислоты — соляную, азотную.

Строение молекулы серной кислоты

Модель молекулы серной кислоты представлена на рисунке 59. В молекуле атом серы соединен с четырьмя атомами кислорода за счет образования двух двойных связей S=O и двух одинарных S=OH.

Связи в молекуле серной кислоты являются сильно полярными, поэтому у ярко выражены кислотные свойства. Серная кислота — сильный электролит, в разбавленных водных растворах диссоциирует на ионы полностью:

Физические свойства серной кислоты

Чистая серная кислота — бесцветная маслянистая нелетучая жидкость без запаха, примерно в 2 раза тяжелее воды. Она смешивается с водой в любых соотношениях. При приготовлении водных растворов серной кислоты выделяется большое количество теплоты, происходит разогревание смеси, которое может сопровождаться ее разбрызгиванием.

Помните!

Кислоту осторожно тонкой струйкой вливают в воду при непрерывном перемешивании раствора.

Обычно водный раствор серной кислоты с массовой долей более 70 % называют концентрированной серной кислотой, а менее 70 % — разбавленной серной кислотой.

 Концентрированная серная кислота используется как водоотнимающий агент, например для осушения газов (см. рис. слева).

Она способна отнимать воду и у сложных веществ, в состав которых входят водород и кислород. Так, под действием концентрированной серной кислоты сахар обугливается и реакционная масса чернеет и вспучивается (см. рис. справа):

Химические свойства серной кислоты

Разбавленная серная кислота, как и соляная, проявляет все характерные для кислот свойства. Она изменяет окраску индикаторов: лакмус и метилоранж в растворе  становятся красными. Разбавленная  взаимодействует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с выделением водорода:

являясь окислителем за счет ионов водорода Н⁺ .

Разбавленная серная кислота реагирует также с оксидами металлов:

с основаниями:

с солями:

Концентрированная серная кислота по своим свойствам отличается от разбавленной. Она является более сильным окислителем за счет атомов серы, имеющих степень окисления +6. Концентрированная  способна взаимодействовать с металлами, стоящими в ряду активности не только до, но и после водорода (кроме золота и платины).

Продемонстрируем действие концентрированной серной кислоты на медь. При приливании концентрированной серной кислоты в пробирку с медью и нагревании смеси раствор окрашивается в серовато-синий цвет и наблюдается выделение газа  (рис. 60):

Железо, алюминий и некоторые другие металлы при обычных условиях не реагируют с концентрированной серной кислотой из-за образования защитной пленки на поверхности металла. Поэтому концентрированную серную кислоту можно хранить и перевозить в стальных цистернах (рис. 61).

Концентрированная серная кислота способна взаимодействовать с простыми веществами — неметаллами, а также со многими сложными, в том числе органическими соединениями. Серная кислота обугливает бумагу и древесину, разрушает одежду и кожу — это очень опасное вещество, способное вызывать труднозаживающие химические ожоги.

• Серная кислота — бесцветная, маслянистая жидкость. В водных растворах является сильным электролитом.
• Разбавленная серная кислота проявляет все характерные для кислот свойства: взаимодействует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с выделением водорода; с оксидами металлов; с основаниями; с солями.
• При взаимодействии концентрированной серной кислоты с медью выделяется оксид серы(IV).

Сульфаты — соли серной кислоты

Серная кислота — один из главных продуктов химической промышленности. Об этом говорят и масштабы мирового производства, достигающие 200 млн т в год.

Соли серной кислоты

Как вы уже знаете из предыдущего параграфа, соли серной кислоты — сульфаты могут образовываться при ее взаимодействии с металлами, оксидами металлов, основаниями и солями.

Большинство сульфатов хорошо растворимы в воде. Растворимые сульфаты, главным образом сульфат магния, содержатся в морской воде и обуславливают ее горький вкус.

Многие сульфаты способны связывать воду, образуя кристаллогидраты. Кристаллогидраты солей серной кислоты часто называют купоросами, например: — медный купорос, — железный купорос, — цинковый купорос (рис. 63). При нагревании они легко выделяют содержащуюся в них воду.

Плохо растворимы сульфаты металлов IIА-группы (кроме сульфатов бериллия и магния), меньше других растворим сульфат бария. При добавлении раствора соли бария, например хлорида бария  к водным растворам серной кислоты или сульфатов образуется осадок сульфата бария белого цвета:

Поэтому для обнаружения серной кислоты и ее солей в водных растворах используют растворимые соли бария.

Применение серной кислоты и сульфатов

Серная кислота — один из важнейших продуктов, широко используемых в различных областях промышленности (рис. 64). Основными ее потребителями являются производства минеральных удобрений, соляной, уксусной и других кислот, моющих средств, взрывчатых веществ, красителей, лекарств. Серная кислота применяется также в металлургии, для очистки нефтепродуктов, в качестве электролита в кислотных аккумуляторах и т. д.

Соли серной кислоты используются в качестве минеральных удобрений, в строительстве, в медицине, для борьбы с вредителями растений, в производстве соды и стекла. Например, кристаллогидраты сульфата меди(II) (медный купорос) и сульфата железа(II) (железный купорос) используются в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями растений, как антисептическое средство для обработки древесины, в производстве красителей. Гидратированный сульфат магния (горькая, или английская, соль) широко применяется в медицине, в том числе как сильное слабительное средство.

Природный гипс  служит для улучшения почвы, алебастр нашел широкое применение в строительном деле, для формовки всевозможных изделий, при изготовлении гипсовых скульптур и т. п.

• Серная кислота — один из главных продуктов химической промышленности.
• Большинство сульфатов хорошо растворимы в воде.
• Для обнаружения серной кислоты и ее солей в водных растворах используют растворимые соли бария.