Print bookPrint book

§ 33. Водородные соединения кислорода и серы

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 33. Водородные соединения кислорода и серы
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 2:14 PM

Важнейшими водородными соединениями кислорода и серы являются вода H2O и сероводород H2S. Кроме того, существуют и другие бинарные соединения кислорода и серы, например пероксид водорода Н2О2.

Вода

Вода — второе по распространённости на Земле химическое соединение. Запасы воды на Земле оцениваются в 1,4 млрд км3. Она составляет от 50 до 99 % массы растений, животных, человека.

Строение молекулы. Молекула воды имеет угловое строение, которое определяют четыре электронные орбитали внешнего электронного слоя атома кислорода: две из них образуют ковалентные полярные связи с атомами водорода, другие две содержат неподелённые электронные пары (рис. 77). Как вам известно, угол между направлениями связей Н—О в молекуле водяного пара составляет 104,5° и молекулы представляют собой диполи (§ 14, рис. 33).

img
Рис. 77. Строение молекулы воды: а — электронно-графическая схема образования связей, б — электронная формула и угловое строение, в — масштабная и шаростержневая модели

Особенности физических свойств. Вода не имеет цвета, вкуса, запаха, обладает высокой теплоёмкостью. Вода существует в природе в трёх агрегатных состояниях (жидком, твёрдом, газообразном). Её температура плавления — 0 °С, кипения — 100 °С при p = 101,325 кПа. Между молекулами воды в жидком и твёрдом состояниях существуют прочные водородные связи (25 кДж/моль) (§ 17, рис. 43).

Вода, являясь очень слабым электролитом, практически не проводит электрический ток. На ионы распадаются приблизительно две молекулы из миллиарда (при 25 °С): straight Н subscript 2 straight О space rightwards arrow over leftwards arrow space straight Н to the power of plus space plus space ОН to the power of –.

Химические свойства воды. Вода вступает в реакции со многими веществами как при комнатной температуре, так и при нагревании: металлами, основными и кислотными оксидами, органическими веществами. Рассмотрим некоторые особенности этих взаимодействий.

1. Характер взаимодействия воды с металлами зависит от активности металла. Так, щелочные и щёлочноземельные (Са, Ва, Sr, Ra) металлы реагируют при комнатной температуре с образованием водорода и щёлочи:

2 Na space plus space 2 stack straight H subscript 2 with plus 1 on top straight O space equals space space 2 NaOH space plus space straight H with 0 on top subscript 2 not stretchy upwards arrow semicolon
Са space plus space 2 straight H with plus 1 on top subscript 2 straight О space equals space Са left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 not stretchy downwards arrow space plus space straight H with 0 on top subscript 2 not stretchy upwards arrow.

img

Большинство металлов, расположенных в ряду активности между алюминием и водородом, вступают в реакцию с парами воды с образованием водорода и оксидов металлов. Металлы, расположенные после водорода, ни при каких условиях с водой не реагируют. Более детально вы изучите реакции взаимодействия металлов с водой в главе 7.

2. Взаимодействие воды с кислотными оксидами приводит к образованию кислот:

SO3 + H2O = H2SO4.

3. Основные оксиды щелочных и щёлочноземельных металлов в реакциях с водой образуют щёлочи:

СаО + Н2О = Са(ОН)2↓.

4. С органическими веществами вода вступает в реакции гидратации (ненасыщенных соединений) и гидролиза (сложных эфиров, углеводов, белков). Например:

СН subscript 2 equals СН subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space not stretchy rightwards arrow with straight H subscript 3 PO subscript 4 comma italic space t comma space p on top space СН subscript 3 СН subscript 2 ОН semicolon
СН subscript 3 СООС subscript 2 straight Н subscript 5 space plus space straight Н subscript 2 straight О stack space not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow space with space straight H to the power of plus comma italic space t on top СН subscript 3 СООН space plus space straight С subscript 2 straight Н subscript 5 ОН.

img

Гидролиз белков, ди- и полисахаридов, жиров — это первый этап усвоения (переваривания) пищи.

ul

5. Вода вступает в реакции с галогенами. Фтор окисляет кислород в молекуле воды:

2H2O + 2F2 = 4HF + O2↑.

Реакции с хлором и бромом протекают обратимо с образованием двух кислот, в одной из которых степень окисления атома галогена повышена, а в другой понижена:

Сl with 0 on top subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space stack rightwards arrow over leftwards arrow space straight H Cl with plus 1 on top straight O with хлорноватистая
кислота below stack space plus space straight H Cl with negative 1 on top semicolon with хлороводородная
кислота below

stack straight B with 0 on top straight r subscript 2 space with blank on top plus space straight H subscript 2 straight O stack space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H Br with plus 1 on top straight O with бромноватистая
кислота below plus space stack straight H Br with negative 1 on top. with table attributes columnalign right center left columnspacing 0px end attributes row blank blank бромоводородная row blank blank кислота end table below

6. С ионными гидридами металлов вода выступает в качестве окислителя:

NaH + H2O = NaOH + H2↑.

7. Соли слабых кислот и соли неактивных металлов, а также соли аммония в водной среде подвергаются гидролизу (см. § 27.1.):

СН3СОО + НОН rightwards arrow over leftwards arrow СН3СООН + ОН;

 Сu to the power of 2 plus end exponent to the power of blank plus space HOH space rightwards arrow over leftwards arrow space CuOH to the power of plus space plus space straight H to the power of plus semicolon

 NH subscript 4 superscript plus space plus space HOH space rightwards arrow over leftwards arrow space NH subscript 3 space bold · bold space straight H subscript 2 straight O space plus space straight H to the power of plus.

Сероводород

Строение молекулы. Строение молекулы сероводорода можно объяснить перекрыванием атомных 3р-орбиталей серы и 1s-орбитали атомов водорода (§ 14, рис. 32). При этом происходит отталкивание областей повышенной электронной плотности, возникших при образовании σ-связи. Вследствие этого валентный угол немного увеличивается — возрастает от 90° до 92° (рис. 78).

img
Рис. 78. Структурная формула, масштабная и шаростержневая модели молекулы сероводорода

Физические свойства. Сероводород — бесцветный газ с запахом тухлых яиц. Он тяжелее воздуха и имеет более низкие температуры кипения (–60 °С) и плавления (–86 °С) по сравнению с водой. В одном объёме воды растворяется три объёма сероводорода. При этом образуется раствор очень слабой кислоты — сероводородной:

straight H subscript 2 straight S space rightwards arrow over leftwards arrow space stack straight H to the power of plus space end exponent plus space HS to the power of – semicolon with гидросульфид minus ион below
space HS to the power of – space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space stack plus space straight S to the power of 2 minus end exponent. with сульфид minus ион below

Из уравнений диссоциации следует, что кислоте соответствуют два ряда солей — кислые (гидросульфиды, например NaHS, Ca(HS)2) и средние (сульфиды, например Na2S, CaS).

Влияние на организм человека. Сероводород очень ядовит. При его вдыхании быстро наступает паралич дыхательных нервов, человек перестаёт ощущать запахи, что таит в себе смертельную угрозу. Попадая в кровь, сероводород разрушает гемоглобин и образует сульфид железа чёрного цвета — «кровь чернеет». Работать с сероводородом в лабораториях можно только в вытяжном шкафу.

В природе сероводород образуется в небольших количествах при гниении белков, содержится в вулканических газах, в атмосфере промышленных регионов. Сероводород тяжелее воздуха, поэтому скапливается в канализационных колодцах, ямах. Насчитывается немало случаев, когда пострадавшими становились рабочие, обслуживающие трубопроводы.

В организме сероводород образуется из аминокислоты — цистеина. Эндогенный (вырабатываемый внутри организма) сероводород является спазмолитиком — расслабляет гладкие мышцы, а также считается одним из важных факторов, защищающих организм от сердечно-сосудистых заболеваний.

Применение сероводорода и сульфидов. Сероводород находит ограниченное применение. Сероводородную воду и газообразный сероводород используют в аналитической химии для определения (осаждения) катионов металлов, сульфиды которых малорастворимы и нерастворимы.

img

Сульфиды многих металлов ярко окрашены: HgS, Ag2S, PbS, CuS — чёрные, Sb2S3 — оранжевый, CdS — жёлтый, MnS — розовый, ZnS — белый. Сульфиды щелочных и щёлочноземельных металлов бесцветны.

Одной из основных причин потемнения картин старых мастеров является использование ими свинцовых белил. Взаимодействуя даже со следовым количеством сероводорода в воздухе, белила за несколько веков превращаются в чёрный сульфид свинца(II) PbS. При реставрации его окисляют пероксидом водорода: PbS(чёрный) + 4H2O2 = PbSO4(белый) + 4H2O.

В технике сульфиды применяют как источники нетеплового излучения — люминофоры (CdS, ZnS), смазочные материалы (МоS2), полупроводники (CuS, CdS, PbS и другие).

В медицине используют искусственные и природные сероводородные ванны, сероводородную минеральную воду.

В химической промышленности сероводород служит сырьём для получения серы, серной кислоты, сульфидов и серосодержащих органических соединений. Например, меркаптаны как одни из самых зловонных веществ служат добавкой к природному газу для обнаружения его утечки в трубопроводах.

*Химические свойства сероводорода

Для сероводорода наиболее характерны восстановительные свойства за счёт атомов серы в степени окисления –2. Примером может служить взаимодействие сероводорода с кислородом и оксидом серы(IV).

1. При взаимодействии с кислородом (горение) в избытке кислорода образуется оксид серы(IV), а при его недостатке — сера:

2 straight H subscript 2 stack straight S space with negative 2 on top plus space 3 straight O subscript 2 space stack rightwards arrow over leftwards arrow space with 900 – 1350 space degree straight C on top 2 straight H subscript 2 straight O space plus space 2 straight S with plus 4 on top straight O subscript 2;

2 straight H subscript 2 stack straight S space with negative 2 on top plus space straight O subscript 2 space rightwards arrow over leftwards arrow space 2 straight H subscript 2 straight O space plus space 2 straight S with 0 on top.

2. При взаимодействии с оксидом серы(IV) образуется свободная сера:

2 straight H subscript 2 straight S with negative 2 on top space plus space SO subscript 2 stack space rightwards arrow over leftwards arrow with 220 – 250 space degree straight C comma space кат. on top space 2 straight H subscript 2 straight O space plus space 3 straight S with 0 on top.

Эти процессы лежат в основе промышленного получения серы при нефтепереработке, а также из отходящих газов металлургических и коксовых печей.

Сероводородная кислота и её соли

Слабая двухосновная сероводородная кислота проявляет все общие свойства кислот: реагирует с металлами, основными оксидами, основаниями и солями. Вступая в реакции обмена, она образует два ряда солей — сульфиды и гидросульфиды:

2NaOH + H2S = Na2S + 2H2O (cульфид натрия, средняя соль);

NaOH + H2S = NaHS + H2O (гидросульфид натрия, кислая соль).

Сульфиды и гидросульфиды щелочных и щёлочноземельных металлов (NaHS, KНS, Ba(HS)2) хорошо растворяются в воде. Сульфиды других металлов в подавляющем большинстве нерастворимы. Сульфиды свинца, меди, ртути, серебра и некоторых других металлов не растворяются даже в соляной и серной кислотах. По этой причине сульфиды можно осаждать сероводородом из растворов солей:

CuSO4 + H2S = CuS↓ + H2SO4.

Сульфид-ионы легко обнаружить, используя качественную реакцию на сероводородную кислоту и её соли. Реактивом на сероводородную кислоту и её растворимые в воде соли могут быть, например, сульфат меди(II) или нитрат свинца(II), при взаимодействии с которыми из раствора выпадает чёрный осадок сульфида меди(II) или свинца(II):

Pb(NO3)2 + Na2S = PbS↓ + 2NaNO3;

Pb2+ + S2– = PbS↓.

Сульфиды большинства металлов, причём даже нерастворимые в воде, обнаруживают по их взаимодействию с кислотой, в результате которого выделяется сероводород, имеющий специфический неприятный запах.

Молекулы воды и сероводорода имеют угловое строение.

Вода реагирует при комнатной температуре с активными металлами, кислотными и основными оксидами.

Водный раствор сероводорода — слабая кислота.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите химические формулы водородных соединений кислорода и серы.

2. Перечислите физические свойства:

  • а) воды;
  • б) сероводорода.

Каково физиологическое воздействие сероводорода на организм?

3. Опишите пространственное строение:

  • а) молекулы воды;
  • б) молекулы сероводорода.

Сравните валентные углы в данных молекулах.

4. Назовите вещества и укажите степени окисления атомов:

Н2S, H2O2, ZnS, FeS, Al2S3, NaHS.

5. Составьте уравнения реакций:

  • а) Na + H2O →;    Ba + H2O →;    P2O5 + H2O →;    SO2 + H2O →;
  • б) H2S + FeCl2;    H2S + NaOH →;    H2S + Ba(OH)2;    H2S + CuSO4.

На основании составленных уравнений реакций сделайте вывод о химических свойствах водородного соединения.

6. Составьте схему образования водородных связей:

  • а) между молекулами воды;
  • б) молекулами воды и метанола.

Объясните, почему не растворяются в воде бензол, гексан.

7. Используя данные рисунка 44 из § 17, объясните:

  • а) изменение температуры кипения веществ в ряду H2S — H2Sе — H2Те;
  • б) аномально высокое значение температуры кипения воды.

8. Рассчитайте массовую долю сероводорода в сероводородной воде, полученной при растворении газа (н. у.) объёмом 3 дм3 в воде объёмом 1 дм3 (4 °С).

9. Через раствор, содержащий гидроксид натрия массой 20 г, пропустили сероводород объёмом 11,2 дм3 (н. у.). Определите молярную концентрацию соли в конечном растворе, если известно, что объём раствора равен 2,5 дм3.

10. Cероводород объёмом 1,12 дм3 (н. у.) пропустили через раствор массой 125 г с массовой долей сульфата меди(II), равной 10 %. Рассчитайте массовую долю соли в образовавшемся растворе.

*Самоконтроль

1. К водородным соединениям элементов VIA-группы относятся:

  • а) H2O;
  • б) H2O2;
  • в) H2S2;
  • г) H2S.

2. Назовите вещество, которое при попадании в кровь разрушает гемоглобин:

  • а) H2O;
  • б) O2;
  • в) С6H12О6 (глюкоза);
  • г) H2S.

3. При комнатной температуре реагируют:

  • а) вода и калий;
  • б) сероводородная кислота и гидроксид натрия;
  • в) магний и вода;
  • г) вода и оксид бария.

4. Реагирует с водой с образованием гидроксида:

  • а) цинк;
  • б) кальций;
  • в) железо;
  • г) медь.

5. Перекрыванию электронных орбиталей в молекуле воды соответствует схема:

а) Вариант <i>а</i>
б) Вариант <i>б</i>
в) Вариант <i>в</i>
г) Вариант <i>г</i>