§ 34. Кислородные соединения серы

Сера, проявляя степени окисления +4 и +6, образует два устойчивых оксида состава  — оксид серы(IV), или сернистый газ, и  — оксид серы(VI).

Оксид серы(IV)

Оксид серы(IV)  — вещество молекулярного строения (рис. 79).

Физические свойства. Оксид серы(IV) при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом — запахом загорающейся спички. Газ токсичен. В одном объёме воды растворяется около 40 объёмов газа при 20 °С, что гораздо ниже, чем в случае хлороводорода и аммиака.

Температура его кипения намного выше, чем у кислорода, и равна –10 °С. Газ легко сжижается при комнатной температуре уже при небольшом давлении, что позволяет хранить и транспортировать сжиженный газ в баллонах (рис. 80).

Химические свойства. В химических реакциях, протекающих без изменения степени окисления, оксид серы(IV) должен проявлять свойства кислотного оксида: с водой он должен образовывать кислоту, со щелочами и основными оксидами — соли. Поскольку низшая степень окисления серы равна –2, а высшая +6, следует предположить, что для сернистого газа характерны реакции как с повышением степени окисления серы, так и с её понижением.

При повышении степени окисления атомы серы «теряют» электроны. Это означает, что оксид проявляет свойства восстановителя, то есть реагирует с окислителями, например с кислородом, хлором. Понижая степень окисления, атомы серы присоединяют электроны, а сернистый газ выступает в роли окислителя. Это происходит при взаимодействии с сильными восстановителями, например, СО, РН₃.

Прокомментируем выше сказанное и поясним уравнениями химических реакций.

I. Реакции без изменения степени окисления.

1. Реакция с водой. При пропускании сернистого газа через воду, в которую добавлен лакмус, окраска меняется от фиолетовой до красной — образуется сернистая кислота:

Структурная формула сернистой кислоты изображена на рисунке 81.

Сернистая кислота является слабой. Как двухосновная кислота она диссоциирует ступенчато:

Это также означает, что сернистая кислота образует два ряда солей — средние (сульфиты) и кислые (гидросульфиты).

2. Реакция с растворами щелочей приводит к образованию солей. Состав продуктов зависит от мольного соотношения реагентов:

2 : 1 или избыток щёлочи	(сульфит натрия)
1 : 1 или избыток кислотного оксида	(гидросульфит натрия)

3. С основными оксидами сернистый газ также образует соли:

СаО + SO₂ = СаSO₃.

II. Реакции с изменением степени окисления.

Реакции с окислителями. Взаимодействие с кислородом приводит к образованию оксида серы(VI):

,

что свидетельствует о восстановительных свойствах оксида серы(IV).

Реакция обратимая, протекает со значительной скоростью лишь при повышенной температуре (более 440 °С) в присутствии катализаторов (например, V₂O₅).

Реакции с восстановителями. Примером такой реакции может служить утилизация сернистого газа углеродом. Так получают серу из отходящих газов в металлургической промышленности:

Применение оксида серы(IV). Сернистый газ в промышленных масштабах является промежуточным продуктом при получении серной кислоты. Как пищевая добавка (Е220) он используется в пищевой промышленности в качестве консерванта. Им окуривают хранилища овощей, плодов и фруктов для обеззараживания. Его применяют для отбеливания шёлка и шерсти, так как хлор в данном случае использовать нельзя.

Сернистый газ образуется при сжигании серы и обжиге сульфидов металлов (например, пирита, сульфида цинка).

Оксид серы(IV) в лаборатории получают действием серной кислоты на сульфиты или медь:

Следует отметить, что сернистый газ — один из загрязнителей атмосферы. Его источником являются предприятия чёрной и цветной металлургии, теплоэлектростанции.

Оксид серы(VI)

Оксид серы(VI)  — высший оксид серы (рис. 82).

Оксид серы(VI) образуется при окислении сернистого газа кислородом или озоном:

Физические свойства. Оксид серы(VI) является бесцветной жидкостью в узком интервале температур: от 16,9 °С до 44,9 °С. Обладает удушающим запахом. При попадании на кожу вызывает тяжёлые ожоги.

Химические свойства.  — типичный кислотный оксид и сильный окислитель. Как кислотный оксид реагирует с водой, образуя серную кислоту:

В реакциях со щелочами и основными оксидами образует соли:

Особым свойством оксида серы(VI) является его способность растворяться в серной кислоте.

Такой раствор называют олеумом. Он представляет собой дымящую на воздухе бесцветную маслянистую вязкую жидкость или даже кристаллы.

Олеум перевозят в стальных цистернах. Из него разбавлением получают серную кислоту нужной концентрации. При этом первоначально разбавляют серной кислотой, так как при вливании олеума в воду происходит вскипание, в результате чего образуется ядовитый сернокислотный туман.

В составе олеума, помимо серной кислоты, содержатся и другие кислоты серы(VI), например дисерная (или пиросерная):

SO₃ + H₂SO₄ = H₂S₂O₇.

Как окислитель SO₃ реагирует с восстановителями. Атомы серы в составе оксида имеют высшую степень окисления +6 и могут её только понижать, принимая электроны от восстановителей. Примером окислительных свойств оксида серы(VI) может служить реакция с фосфором как восстановителем:

Вопросы, задания, задачи

1. Запишите формулы оксидов серы и соответствующих им кислот, укажите их названия.

2. Назовите области использования сернистого газа.

3. В колбу с дистиллированной водой непродолжительное время пропускали сернистый газ, а затем добавили несколько капель индикатора. Назовите окраску содержимого колбы, если этим индикатором был:

• а) лакмус;
• б) метилоранж;
• в) фенолфталеин.

4. Для сернистого газа рассчитайте:

• а) плотность при н. у. по формуле ;
• б) относительную плотность по водороду;
• в) относительную плотность по воздуху.

5. Заполните таблицу «Химические свойства оксидов серы» соответствующими уравнениями реакций для реагентов Н₂О, КОН, CaO, O₂.

Сделайте вывод о сходстве и различии химических свойств указанных оксидов серы.

6. Рассчитайте, чему равен объём (н. у.) оксида серы(IV), прореагировавшего с раствором гидроксида натрия, если при этом образовалась средняя соль массой 37,8 г.

7. Составьте уравнения реакций согласно схеме, назовите каждое из исходных веществ:

• а) ;
• б) .

8. Рассчитайте минимальный объём (н. у.) сернистого газа, который нужно пропустить через раствор массой 200 г с массовой долей гидроксида натрия 2 %, чтобы получить только кислую соль.

9. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса:

• а) ;
• б) .

Укажите, окислителем или восстановителем является SO₂.

10. Рассчитайте массовую долю серы в смеси, содержащей сульфит натрия количеством 0,5 моль и гидросульфит натрия количеством 0,2 моль.

*Самоконтроль

1. С наименьшими потерями сернистым газом можно наполнить сосуд:

а) 

б) 

в) 

г) 

2. При нормальных условиях оксид серы(VI):

• а) не существует;
• б) газ;
• в) жидкость;
• г) твёрдое вещество.

3. Относительно обоих оксидов серы(IV, VI) верно, что:

• а) при растворении в воде образуют кислоты;
• б) являются причиной загрязнения атмосферы и выпадения кислотных дождей;
• в) реагируя со щелочами, могут образовывать и кислые, и средние соли;
• г) могут реагировать с оксидом бария.

4. Оксид серы(VI) проявляет свойства кислотного оксида, реагируя с:

• а) О₂;
• б) Na₂O;
• в) Са(ОН)₂;
• г) СаО.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции cернистого газа с избытком гидроксида калия в полной ионной форме равна:

• а) 5;
• б) 7;
• в) 8;
• г) 9.