Print bookPrint book

§ 32. Элементы VIА-группы. Кислород и сера

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 32. Элементы VIА-группы. Кислород и сера
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 9:38 PM

Кислород и сера как химические элементы

Элементы VIА-группы кислород 8О, сера 16S, селен 34Se и теллур 52Те имеют общее название халькогены, что в переводе означает «рождающие руду». Действительно, подавляющее число природных минералов содержит кислород либо серу, например магнетит Fe3O4, халькопирит CuFeS2.

Как вам известно, кислород — самый распространённый элемент на Земле, он составляет 49 % от массы земной коры.

Сера — шестнадцатый по распространённости элемент, встречается как в виде соединений, так и в самородном состоянии (табл. 26).

Таблица 26. Химические элементы халькогены

Элемент Радиус атома, нм χ Степени окисления Природные соединения
Кислород 8О 0,073 3,5 –2, –1, 0, +2 О2, О3, H2O, минералы, органические соединения
Сера 16S 0,104 2,6 –2, –1, 0, +4, +6 Сера самородная S, медный колчедан (халькопирит) СuFеS2, железный колчедан (пирит) FeS2, глауберова соль Na2SO4  · 10H2O, белки
Селен 34Se 0,117 2,5 –2, 0, +4, +6 Селен самородный Se (встречается изредка), соединения с железом, свинцом, ртутью (селениды) в сульфидных месторождениях, органические соединения — селенобелки
Теллур 52Te 0,137 2,1 –2, 0, +4, +6 Теллур самородный Те (в месторождениях серы и селена), соединения с медью, свинцом, цинком, серебром, золотом (теллуриды) в месторождениях соответствующих металлов

На внешнем электронном слое, общая конфигурация которого ns2np4, атомы халькогенов имеют по 6 электронов, из которых два неспаренных на р-подуровне (Приложение 1):

8O img
16S img

Из приведённых электронных конфигураций внешнего электронного слоя атомов кислорода, серы следует, что низшая степень окисления этих халькогенов –2. Сера проявляет положительные степени окисления +4, +6 при возбуждении s- и p-электронов внешнего слоя на d-подуровень. Сера по электроотрицательности уступает галогенам (кроме йода), азоту и кислороду. Кислород, будучи вторым после фтора по электроотрицательности, проявляет положительную степень окисления +2 только в соединении со фтором straight O with plus 2 on top straight F subscript 2.

img

Неприятные запахи, ощущаемые при гниении трупов животных, можно объяснить выделением соединений серы (меркаптанов и сероводорода), которые образуются при разложении белков.

Кислород как простое вещество

img
Рис. 72. Электронная
и структурная
формулы, масштабная
и шаростержневая
модели молекулы
кислорода

Кислород существует в природе в виде двух простых веществ (аллотропных модификаций) молекулярного строения — кислорода О2 и озона О3. В молекуле кислорода существует двойная ковалентная неполярная связь (рис. 29, 72).

Физические свойства кислорода. Кислород мало растворим в воде: при 20 °С в 1 дм3 воды растворяется 31 см3 кислорода. Тем не менее этого хватает для дыхания рыб в водоёмах. Жидкий кислород — подвижная, слегка голубоватая жидкость, кипящая при температуре –183 °С. Твёрдый кислород представляет собой синие кристаллы, плавящиеся при ещё более низкой температуре –219 °С.

Химические свойства кислорода. Кислород во всех реакциях, кроме взаимодействия со фтором, проявляет свойства окислителя. При окислении кислородом простых и сложных веществ образуются, как правило, оксиды.

1. Кислород взаимодействует с металлами:

4 Fe space plus space 3 straight O with 0 on top subscript 2 stack space stack equals space with t on top 2 Fe subscript 2 straight O with negative 2 on top subscript 3 space plus space with оксид space space железа left parenthesis III right parenthesis below Q semicolon
space 2 Сu space plus space straight O with 0 on top subscript 2 stack space equals with t on top space 2 Cu straight O with negative 2 on top space plus with оксид space space меди left parenthesis II right parenthesis below space Q.

Он окисляет практически все металлы, кроме серебра, золота и платины. С активными металлами кислород может образовывать не только оксиды, но и пероксиды (Na2O2), надпероксиды (KО2) или другие бинарные соединения.

2. Реагируя с неметаллами, кислород образует кислотные или несолеобразующие оксиды:

4 straight P space plus space 5 straight O with 0 on top subscript 2 space stack equals with t on top space 2 straight P subscript 2 straight O with negative 2 on top subscript 5 space plus italic space Q with оксид space space фосфора left parenthesis straight V right parenthesis below semicolon
straight N subscript 2 space plus stack space straight O with 0 on top subscript 2 stack stack space rightwards arrow over leftwards arrow space with t on top 2 straight N straight O with negative 2 on top space italic – italic space Q with italic space оксид space space азота left parenthesis II right parenthesis below.

С хлором, бромом и йодом кислород не реагирует.

3. Кислород окисляет сложные неорганические и органические вещества:

2 СО space plus stack space straight O with 0 on top subscript 2 space equals space 2 straight С straight O with negative 2 on top subscript 2 semicolon
4 FeS subscript 2 space plus space 11 straight О subscript 2 space equals space 2 Fe subscript 2 straight O subscript 3 space plus space 8 SO subscript 2.

При этом отметим, что горение углеводородов используют как источник тепловой энергии:

CH4(г) + 2O2(г) = CO2(г) + 2H2O(ж)+ 891 кДж.

img

В органическом синтезе кислород широко применяется в реакциях каталитического окисления:

stack 2 CH subscript 2 equals CH subscript 2 space with этилен below plus space straight O subscript 2 space not stretchy rightwards arrow with PdCl subscript 2 comma space CuCl subscript 2 on top space stack 2 CH subscript 3 CHO. with space уксусный space альдегид below

img
Рис. 73. Хранение кислорода
в баллонах и газометре

Получение кислорода

В промышленности кислород получают разделением жидкого воздуха, небольшие порции хранят в баллонах голубого цвета, а в лабораториях — в газометрах (рис. 73). Важнейшим лабораторным способом его получения служит разложение некоторых кислородсодержащих веществ — перманганата калия, бертолетовой соли, воды, пероксида водорода:

1 right parenthesis space 2 KMnO subscript 4 stack space equals with t on top space straight K subscript 2 MnO subscript 4 space plus space MnO subscript 2 space plus space straight O subscript 2 upwards arrow semicolon
2 right parenthesis space 2 KClO subscript 3 equals with MnO subscript 2 comma space t on top 2 KCl space plus space 3 straight O subscript 2 upwards arrow semicolon
3 right parenthesis space 2 straight H subscript 2 straight O subscript 2 equals with MnO subscript 2 on top 2 straight H subscript 2 straight O space plus space straight O subscript 2 upwards arrow semicolon
4 right parenthesis space 2 straight H subscript 2 straight O stack space equals space with ⚡ on top 2 straight H subscript 2 upwards arrow plus space straight O subscript 2 upwards arrow.

В сосуды кислород собирают методом вытеснения воды или воздуха (рис. 74).

img
Рис. 74. Получение кислорода разложением перманганата калия и собирание газа
методом: а — вытеснением воды, б — вытеснением воздуха
Повышенный уровень
§ 32.1

Озон

Озон — газ с резким запахом, имеет бледно-голубой цвет, в жидком состоянии — синий. В процессе реакций озон распадается с образованием атомарного кислорода:

О3 = О2 + О,

поэтому по сравнению с кислородом обладает большей химической активностью. В природе озон образуется из атмосферного кислорода при грозовых разрядах, а на высоте 10–30 км — под действием ультрафиолетового излучения. Озоновый слой над поверхностью Земли задерживает коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, вредное для живых организмов.

img

Озон образуется при работе лазерных принтеров, источников рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м3. Характерный запах озона начинает ощущаться уже при концентрациях 0,004–0,010 мг/м3, то есть во много раз ниже гигиенического норматива, что важно для персонала, работающего с озоном.

Воду обеззараживают хлорированием или озонированием. Озонирование воды более безопасно для человеческого организма, чем хлорирование.

Сера

Состав и строение молекулы серы. Молекулы кристаллической серы имеют форму замкнутых циклов. Если расплавленную серу вылить в стакан с холодной водой (быстро охладить), то образуется пластическая сера. Её молекулы представляют собой длинные цепи (рис. 75). Пластическая сера неустойчива и уже через несколько часов после получения превращается в жёлтые кристаллы ромбической серы как наиболее устойчивой из аллотропных модификаций.

img
Рис. 75. Строение молекул и внешний вид серы различных модификаций:
а — молекулы S8, б — цепи атомов пластической серы, в — кристаллы ромбической серы, г — кристаллы моноклинной серы, д — пластическая сера

Известно несколько аллотропных модификаций серы: две кристаллические — моноклинная S8 (Tпл.= 119,3 °С) и ромбическая S8 (Tпл.= 112,8 °С), а также пластическая S (рис. 75). Наиболее устойчива при комнатной температуре ромбическая сера.

Химические свойства. Сера — достаточно активный неметалл. При нагревании легко окисляется кислородом и галогенами, реагирует как окислитель с водородом и металлами (кроме золота и платины):

Сера как восстановитель Сера как окислитель
straight S with 0 on top space plus space straight O subscript 2 stack space equals with t on top space straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space Q space left parenthesis оксид space серы left parenthesis IV right parenthesis right parenthesis straight S with 0 on top space plus space straight Н subscript 2 stack space equals with t on top space straight Н subscript 2 straight S with negative 2 on top space left parenthesis сероводород right parenthesis semicolon
Zn space plus space straight S with 0 on top space equals with t on top space Zn straight S with negative 2 on top space left parenthesis сульфид space цинка right parenthesis semicolon
2 Al space plus space 3 straight S with 0 on top space equals with t on top space Al subscript 2 straight S with negative 2 on top subscript 3 space left parenthesis cульфид space алюминия right parenthesis

Применение кислорода и серы. Наиболее значимые области применения кислорода и серы указаны в таблице 27.

Таблица 27. Области применения кислорода, озона и серы

О2 Сварка и резка металлов. Окислитель ракетного топлива. Дыхательные смеси — космос, подводные лодки, медицина. Химическая промышленность — получение оксидов, кислот и др. Органический синтез — альдегиды, карбоновые кислоты. Металлургия
О3 Отбеливающее средство. Дезинфицирующее средство в медицине. Обеззараживание питьевой воды и сточных вод
S Производство серной кислоты. Производство резины. Производство спичек. Производство красителей, пигментов

Кислород нашёл применение в дыхательных аппаратах (рис. 76).

img
Рис. 76. Портативный аппарат
искусственной вентиляции
лёгких (ИВЛ)

Электронная конфигурация валентного слоя халькогенов ns2np4. Низшая степень их окисления –2.

Кислород как окислитель реагирует с простыми и сложными веществами, образуя, как правило, оксиды.

Сера является окислителем в реакциях с металлами и водородом, но восстановителем в реакции с кислородом.

Вопросы, задания, задачи

1. Перечислите наиболее характерные степени окисления:

  • а) кислорода;
  • б) серы;
  • в) селена.

Приведите примеры соответствующих соединений.

2. Назовите аллотропные модификации:

  • а) кислорода;
  • б) серы.

3. Составьте формулы оксидов и сульфидов лития, магния, алюминия.

4. Рассчитайте массу порции серы количеством 3,5 моль.

5. Заполните таблицу «Кислород и сера в окислительно-восстановительных реакциях», составив уравнения соответствующих реакций.

Реагенты Кислород Сера
Н2
Mg
Ca
Fe
Li
Na

6. Составьте 10 уравнений возможных реакций между веществами, формулы которых Ba, K, Рt, ZnS, S, H2, O2. Укажите при этом степени окисления элементов.

7. Чему равен объём воздуха, необходимый для сжигания:

  • а) серы массой 12 г;
  • б) бутана объёмом 10 м3 (н. у.)?

8. Рассчитайте объём кислорода, который может быть получен при разложении бертолетовой соли массой 49 г.

9. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

  • a) begin mathsize 14px style CH subscript 4 stack space rightwards arrow with 1 on top space straight Н subscript 2 straight O space stack rightwards arrow space with 2 on top straight Н subscript 2 stack space rightwards arrow space with 3 on top straight Н subscript 2 straight S space stack space rightwards arrow space with 4 on top space SO subscript 2 end style;
  • б) begin mathsize 14px style KClO subscript 3 stack space rightwards arrow space with 1 on top straight O subscript 2 stack space rightwards arrow with 2 on top space straight Н subscript 2 straight О stack space rightwards arrow space with 3 on top straight Н subscript 2 stack space rightwards arrow with 4 on top space СН subscript 3 minus СН subscript 3 end style.

10. При нагревании перманганата калия массой 3,16 г получен кислород объёмом 168 см3 (н. у.). Определите массовую долю разложившейся соли.

*Самоконтроль

1. Низшая степень окисления атомов халькогенов равна:

  • а) −4;
  • б) −2;
  • в) +4;
  • г) +6.

2. Укажите выражения, характеризующие серу как простое вещество:

  • а) при горении серы в кислороде возникает голубое пламя;
  • б) на внешнем энергетическом уровне атома серы находится 6 электронов;
  • в) сера используется для вулканизации каучука;
  • г) сера входит в состав пирита и медного колчедана.

3. С кислородом могут реагировать:

  • a) СuS;
  • б) С2Н6;
  • в) Cl2;
  • г) H2.

4. К халькогенам относятся элементы с конфигурацией внешнего электронного слоя атома:

  • а) ns2np2;
  • б) 2s22p4;
  • в) ns2np4;
  • г) 4s24p4.

5. Число атомов в порции озона количеством 0,1 моль равно:

  • а) 6,02 ∙ 10−22;
  • б) 6,02 ∙ 1022;
  • в) 1,204 ∙ 1023;
  • г) 1,806 ∙ 1023.