§ 34. Кислородные соединения серы

Оксид серы(IV)

img
Рис. 79. Структурная формула и шаростержневая модель молекулы сернистого газа

Оксид серы(IV) straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 — 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.

img
Рис. 80. Хранение сжиженного сернистого газа (сернистого ангидрида)

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.

img
Рис. 81. Структурная формула и шаростержневая модель молекулы сернистой кислоты

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:

SO subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H subscript 2 SO subscript 3.

Структурная формула сернистой кислоты изображена на рисунке 81.

img
Реакция сернистого газа с водой

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

straight H subscript 2 SO subscript 3 space rightwards arrow over leftwards arrow space straight Н to the power of plus stack space stack plus space HSO subscript 3 superscript negative space end superscript with гидросульфит minus ион below left parenthesis 1 minus straight я space ступень right parenthesis semicolon with blank below
space HSO subscript 3 superscript negative space end superscript rightwards arrow over leftwards arrow space straight Н to the power of plus space end exponent stack stack plus space space space space SO subscript 3 superscript 2 minus end superscript space space space space space space space space space space space with сульфит minus ион below left parenthesis 2 minus straight я space ст with blank below упень right parenthesis.

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 NaOH space plus space SO subscript 2 space end subscript equals space Na subscript 2 SO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O
2 : 1 или избыток щёлочи
(сульфит натрия)
2 OH to the power of – space plus space SO subscript 2 space equals space SO subscript 3 superscript 2 minus end superscript space plus space straight H subscript 2 straight O
NaOH space plus space SO subscript 2 space equals space NaHSO subscript 3
1 : 1 или избыток кислотного оксида
(гидросульфит натрия)
OH to the power of – space plus space SO subscript 2 space equals space НSO subscript 3 superscript minus

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):

stack 2 straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space straight O with 0 on top subscript 2 space end subscript stack not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with space straight V subscript 2 straight O subscript 5 comma space t comma space p space on top stack space stack 2 straight S with plus 6 on top with blank on top with blank on top stack straight O with negative 2 on top subscript 3 with blank on top,

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).

img

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

begin mathsize 14px style straight S with plus 4 on top straight O subscript 2 space plus space straight С with 0 on top space equals space straight S with 0 on top not stretchy downwards arrow space plus space stack 2 straight С with plus 4 on top straight O subscript 2. end style

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.

img

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:

begin mathsize 14px style Na subscript 2 SO subscript 3 space plus space straight Н subscript 2 SO subscript 4 space equals space Na subscript 2 SO subscript 4 space plus space straight Н subscript 2 straight О space plus space SO subscript 2 not stretchy upwards arrow semicolon
Cu space plus space 2 straight Н subscript 2 SO subscript 4 left parenthesis конц right parenthesis space end subscript stack equals space with t on top CuSO subscript 4 space plus space 2 straight Н subscript 2 straight О space plus space SO subscript 2 not stretchy upwards arrow. end style

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