Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Элементы группы VIA



Слева от галогенов в периодической системе элементов находятся кислород О, сера S, селен Se, теллур Те и полоний Ро. У элементов этой группы есть еще довольно редко употребляемое название халькогены.Особое значение в химии и жизни имеет первый элемент группы VIA - кислород. Редкий день, когда мы не произнесем или не услышим слово кислород. Большое практическое значение имеет также сера. Последний элемент группы - полоний - настолько неустойчив, что его лишь считанное число раз получали в виде микроскопических порций индивидуального вещества.

Элементы группы VIA имеют шесть электронов на орбиталях внешнего энергетического уровня, из них два неспаренных электрона:

задание 10.1. Напишите полные электронные формулы кислорода и серы и сокращенную электронную формулу селена.

Для всех элементов группы VIA характерно двухвалентное состояние. Ранее нам встречались такие ве-

щества, как вода, сероводород, углекислый газ, хлорид серы(II):

Валентность кислорода не может повышаться, так как у него нет свободных орбиталей, достаточно близких по энергии к подуровню 2р. В этом отношении свойства кислорода совпадают со свойствами фтора. Сера и все остальные элементы группы VIA имеют свободные d-орбитали на внешнем уровне и в возбужденных состояниях становятся четырех- и шестивалентными:

Состояния повышенной валентности стабилизируются только в соединениях с кислородом, фтором и хлором. В соединениях со всеми другими элементами сера, селен и теллур бывают только двухвалентными.

задание 10.2. Какие формулы соответствуют существующим веществам: CaS, H2Se, Те03, Ca3Se, Na4S, K2S, Rb6S, CSe2?

Кислород имеет высокую электроотрицательность (Х = 3,5), занимая второе место после фтора. Электроотрицательность серы значительно ниже (% = 2,6). У последующих элементов х продолжает понижаться, но различие между серой и селеном незначительно. При переходе в группе VIA сверху вниз усиливаются металлические свойства элементов. Кислород, сера и селен в простых веществах являются неметаллами, теллур - полуметалл, а полоний - металл.

задание10.3. Может ли кислород иметь положительную степень окисления? При утвердительном ответе приведите пример.

Кислород

Своим положением в периодической системе кислород не выделяется среди других элементов. Это первый элемент группы VIA и только. Однако он сыграл исключительно большую роль в развитии химии. Известно высказывание Берцеллиуса, что кислород - это ось, вокруг которой вращается химия. Вспомним также, что два важных класса неорганических веществ - оксиды и гидроксиды - кислородные соединения по определению. С чем связана особая роль кислорода в химии? Материал, рассмотренный в предшествующих разделах, показывает, сколь велика в химии роль воды в качестве среды (растворителя), в которой протекает множество химических реакций. Следовательно, сама среда представляет собой кислородное соединение - оксид водорода Н20. Поэтому именно оксиды оказываются особыми веществами, образующими при соединении с водой кислоты и основания. Если представить себе, что при химических исследованиях главнейшим веществом в качестве растворителя оказался бы фтороводород, то фториды выделили бы в особый класс веществ, а оксиды металлов рассматривали бы как разновидность бинарных солей. Таким образом, особая роль кислорода в значительной мере определяется тем, что одно из соединений кислорода - вода - жидкость, в большом количестве имеющаяся в природе и способная в той или иной мере растворять разнообразные вещества.

Кислород - самый распространенный элемент в биосфере. Он не только образует воду и множество кристаллических минералов с кремнием, углеродом, серой, фосфором, металлами, но также в виде простого вещества является составной частью атмосферы. Кислород - один из известнейших элементов жизни. Во-первых, не менее 60% массы живых организмов

составляет вода, служащая внутренней средой каждой жизнедеятельной клетки. Во-вторых, кислород входит в состав молекул белков, жиров, углеводов, т. е. всех веществ, образующих живую материю. В-третьих, кислород в виде простого вещества 02 необходим как окислитель для протекания реакций, дающих клеткам необходимую для жизнедеятельности энергию1. Хорошо известно, что без поступления кислорода жизнь прекращается за считанные минуты. Это единственное необходимое для жизни простое вещество.

В природе наиболее распространен изотоп (99,76%). Имеются еще два устойчивых изотопа (0,048%) и (0,20%). Последний часто используется в научных исследованиях.

Простые вещества.Кислород как элемент образует два простых вещества - кислород (дикислород) 02 и озон (трикислород) 03.

Кислород 02 - бесцветный газ без запаха. Он даже в принципе не может иметь запаха, так как обонятельные рецепторы перестают воспринимать запах при длительном воздействии вещества, а кислород всегда имеется в окружающем нас воздухе. При глубоком охлаждении кислород образует жидкость голубого цвета (tкип = -183 °С).

задание ю.4.Найдите в изученном материале данные о растворимости кислорода в воде.

Издавна считается, что двухвалентные атомы кислорода должны образовывать между собой двойную связь. Тогда у каждого атома остается по две электронные пары. Но кислород парамагнитен, что указывает на наличие в его молекуле двух неспаренных электронов. Это явление, неожиданное для молекулы с четным числом электронов, заставляет считать, что в молекуле 02 на самом деле имеется тройная связь,

1 Известны только некоторые микроорганизмы, не нуждающиеся в молекулярном кислороде.

ослабленная наличием двух электронов на орбиталях с повышенной энергией («разрыхляющих» орбиталях). Из-за этого 02 по устойчивости подобен молекуле с двойной связью:

Большая часть кислорода в атмосфере является продуктом фотосинтеза в листьях растений и клетках зеленых водорослей (реакция на с. 267). В учебниках ботаники описаны опыты, доказывающие выделение кислорода листьями растений.

Под действием световой энергии происходит и превращение обычного кислорода в озон:

Озон тоже хорошо известное вещество. Он содержится в атмосфере Земли на высоте от 20 до 30 км, но в очень малом количестве. Представим себе, что весь озон из атмосферы собран в виде слоя чистого озона при нормальных условиях у поверхности Земли. Толщина этого слоя составит всего 2-3 мм. Если таким же образом собрать весь кислород 02, то толщина его слоя составила бы 1,5 км. Озон неустойчив и распадается на молекулы и атомы кислорода. Поэтому содержание озона в атмосфере не увеличивается. Он находится в состоянии, близком к стационарному: потери на непрерывный распад компенсируются фотохимической реакцией образования. Ничтожный по концентрации слой озона поглощает коротковолновые ультрафиолетовые лучи, способные убивать живые клетки и вызывать мутации. Наблюдающееся в последние десятилетия медленное падение содержания озона в атмосфере представляет собой серьезную экологическую проблему.

Молекула озона не менее странная, чем молекула кислорода. Она полярна, и это единственный случай среди молекул простых веществ:

Атом кислорода в вершине угла близок к трехвалентному состоянию, так как, отдав электрон двум другим атомам, сам имеет три неспаренных электрона. На этом примере видно, что у атомов могут возникать валентные состояния, которые трудно предвидеть теоретически.

Озон в газообразном состоянии имеет голубой цвет, а в жидком - темно-синий. Температура кипения -111,5°С,т.е. значительно выше, чем у обычного кислорода. Это следствие более сильного притяжения полярных молекул. Озон имеет очень резкий и своеобразный запах, который всегда ощущается в физиотерапевтических кабинетах поликлиник и больниц (здесь он образуется из кислорода 02 под действием излучения кварцевых ламп). При малой концентрации примесь озона в воздухе считается полезной, так как он уничтожает болезнетворные микроорганизмы. Но при концентрации в воздухе выше 0,1 мг/м3 становится весьма опасен, так как разрушает слизистую оболочку легких. Для пояснения можно отметить, что воздух, содержащий несколько процентов озона, моментально разрушает резиновые шланги. Из сравнения кислорода 02 и озона можно сделать вывод, что полезны или ядовиты не химические элементы, а образуемые ими вещества, которые тем или иным путем воздействуют на живые организмы.

В настоящее время озон все шире применяют вместо хлора для обеззараживания питьевой воды. Для этой цели он производится непосредственно на водопроводных станциях в специальных озонаторах.

В промышленности кислород 02 в индивидуальном виде получают дробной перегонкой (ректификацией) жидкого воздуха. После доведения до требуемой степени чистоты кислород помещают в газовые баллоны высокого давления, окрашенные в голубой цвет. Можно видеть связки таких баллонов на автомобильных платформах или на специальных участках больничных территорий.

Из сложных веществ кислород невозможно вытеснить ничем, кроме фтора, но практически такой способ получения не применяется - слишком трудно ра-

ботать с химически активным фтором. Поэтому лабораторные способы получения кислорода основаны на термическом разложении некоторых солей кислородсодержащих кислот (КМп04, с. 43), а также перекиси водорода (с. 215). Кислород выделяется при разложении и некоторых других солей:

задание 10.5.Составьте уравнения этих реакций.

Важное практическое значение имеют вещества и смеси, способные поглощать из воздуха углекислый газ и выделять кислород. Таким веществом является супероксид калия К02. Он реагирует с углекислым газом:

задание 10.6. Где могут применяться вещества, подобным образом реагирующие с углекислым газом?

Кислород действует как окислитель по отношению ко всем элементам, кроме фтора. Он реагирует с большинством веществ, атомы которых могут образовывать связи с кислородом.

пример 10.1.Какие из следующих веществ способны реагировать с кислородом: А1, С, С02, СО, Na2S03, Fe(OH)2, H2S04, HI, CaF2, NH3, C2H5OH, NaCl?

решение. Среди приведенных веществ только углекислый газ и серная кислота содержат элементы в высших степенях окисления и с кислородом не реагируют. Фторид кальция не реагирует с кислородом, так как последний не вытесняет фтор. Хлорид натрия также не реагирует с кислородом, так как хлор не дает прочных связей с кислородом. В остальных веществах атомы могут образовать связи с кислородом и реагируют с ним.

При обычных условиях химическая активность кислорода невелика, и это очень важно для жизни. Все органические вещества, в том числе и входящие в

состав живых организмов, способны окисляться кислородом до углекислого газа и воды. Если бы эти реакции шли быстро, то жизнь в кислородной атмосфере была бы невозможна. На самом деле кислород не только не убивает живые организмы, но и необходим для них. Он окисляет глюкозу, продукты расщепления жиров и некоторые другие вещества, служащие источниками энергии для жизнедеятельности клеток. Но идут эти реакции только при участии специальных белковых катализаторов - ферментов.

С участием кислорода идут реакции горения и окисления. Горение - это быстрая реакция, сопровождающаяся большим выделением энергии. Скорость горения зависит от содержания кислорода в газовой смеси. Известно, что тлеющий на воздухе уголь ярко загорается в кислороде. Ускорить реакцию горения можно как использованием обогащенной кислородом смеси, так и принудительной подачей обычного воздуха в зону горения. Это было известно уже в древности. Металлурги нагнетали воздух в печи с помощью мехов. Иногда за добавочным получением кислорода мы просто выезжаем за город, на свежий воздух.

Обычно как кислород 02, так и озон окисляют вещества до одних и тех же конечных продуктов, но озон реагирует во много раз быстрее. Подкисленный раствор иодида калия постепенно желтеет вследствие окисления 1~ кислородом и выделения иода. Озон с тем же раствором реагирует очень быстро:

Эта реакция применяется для качественного и количественного определения озона.

В большинстве химических реакций с простыми и сложными веществами кислород 02 восстанавливается до степени окисления -2.Однако есть необычные реакции. С некоторыми активными металлами (натрий, барий) кислород образует пероксиды, содержащие ион Ofв котором атомы кислорода соединены между собой и имеют степень окисления -1:

При гидролизе пероксида бария образуется перекись водорода:

Еще более необычно реагирует кислород с калием. Последний легко отдает электрон, присоединяющийся к молекуле кислорода без нарушения ее целостности. Образуется супероксид калия К02, содержащий ион 02. Строение его можно понять, исходя из уточненной структурной формулы кислорода:

Химические соединения. Важнейшие типы соединений кислорода представлены на схеме:

Свойства кислородных соединений подробнее рассматриваются в разделах, посвященных остальным химическим элементам, а также отчасти рассмотрены в предыдущих разделах (кислоты, основания и др.). Здесь же остановимся еще раз на свойствах воды и перекиси водорода.

Вода имеет целый комплекс необычных (аномальных) физических свойств. Она расширяется при охлаждении от +4 до О °С и далее при превращении в лед.

У воды наиболее высокая температура кипения среди легких молекулярных веществ. Вода имеет очень большую теплоемкость и поэтому в природе аккумулирует много теплоты. Этим определяется климат побережий морей и океанов. Вода является прекрасным растворителем благодаря полярности молекул Н20 и их способности образовывать водородные связи (см. выше). Молекулы воды реагируют между собой с переносом протона, вследствие чего у воды появляется электрическая проводимость. Рассмотрим типичные химические реакции воды с веществами разных классов.

Фотохимическое разложение воды на радикалы:

Кислород и водород образуют еще одно соединение - перекись (пероксид) водорода Н202. Это бесцветная жидкость, более плотная, чем вода. Неограниченно смешивается с водой. Перекись водорода получают гидролизом пероксидов металлов (Ва02), электролизом кислых сульфатов и др. В аптеках она продается в виде 3%-го раствора, а для химических целей обычно используют 30%-й раствор, называемыйпергидроль. Разбавленная перекись водорода действует как кровеостанавливающее средство, а пергидроль сильно повреждает кожу, тотчас оставляя белые пятна. Важнейшее свойство перекиси водорода - неустойчивость к разложению на воду и кислород (см. выше). Этим объясняются ее окислительные свойства. Чистое вещество разлагается медленно. Ионы металлов в растворах и некоторые гетерогенные катализаторы сильно ускоряют разложение Н202.

задание 10.7. Приведите пример гетерогенного катализатора для разложения перекиси водорода.

Кислород в молекуле Н202 находится в степени окисления -1,и вещество проявляет окислительно-восстановительную двойственность: действует как сильный окислитель в кислой и щелочной среде, но и само окисляется сильными окислителями с выделением 02.

задание 10.8.Выясните роль Н202 в следующих реакциях и составьте уравнения:

Сера

В группе VIA к очень широко известным химическим элементам относится также сера. Кто не слышал о таких веществах, как серная кислота, сероводород,

просто сера (желтое хрупкое вещество)? Практически применяется множество неорганических (сульфаты, сульфиды) и органических соединений серы (хлорамин C6H5S02NC12, стрептоцид). Следует иметь в виду, что корень «сер» (от лат. serum - сыворотка) встречается и в названиях веществ, не содержащих серы (серии, серотонин). Сера всегда входит в состав белков. Общая масса серы в организме человека -120 г.

Свойства серы сильно отличаются от свойств кислорода, но имеется и важное сходство: в соединениях с большинством химических элементов и кислород, и сера двухвалентны.

задание 10.9. Напишите структурные формулы: а) воды и сероводорода; б) углекислого газа и сероуглерода. Каковы степени окисления атомов в этих веществах?

Атом серы может переходить в четырех- и шестивалентное состояния, о чем уже было сказано выше. В этих состояниях сера почти всегда связана с более электроотрицательными атомами кислорода, фтора, хлора и имеет положительные степени окисления.

Одним из важных и характерных свойств атомов серы является способность образовывать цепочки:

Если кислород дает цепочки не более чем из трех атомов (догадываетесь? Это озон), то сера при определенных условиях дает цепочки из сотен тысяч атомов. Два связанных атома серы -S-S- часто служат перемычкой внутри белковой молекулы.

Сера - весьма распространенный элемент биосферы. Она образует залежи соединений с металлами: пирит FeS2, халькозин Cu2S, ковелин CuS, халькопирит CuFeS2 и др. В природе есть как растворимые, так и нерастворимые соли серной кислоты: гипс CaSO4 • 2Н20, мирабилит Na2S04 • 10Н2О. Известны и богатые залежи самородной серы, т. е. простого веще-

ства. В значительном количестве сера содержится в органических остатках (каменный уголь, нефть).

Простые вещества.Обычная сера - желтое, кристаллическое, хрупкое вещество. Встречаются красивые кристаллы природной серы в местах выхода вулканических газов (Камчатка, Курильские острова). Температура плавления серы 119 °С, температура кипения 444,6 °С. Сера не растворяется в воде, но растворяется в сероуглероде и бензоле. Твердая сера и ее растворы состоят из молекул S8. Это кольцевые молекулы, по форме напоминающие корону:

При написании химических реакций молекулярное строение серы обычно не учитывают и записывают ее в виде атомов. Выше температуры плавления сера постепенно темнеет и при -250 °С превращается в вязкую массу, состоящую из очень длинных цепочек Sn. При быстром охлаждении этой массы водой получается резинообразная пластическая сера. В этом состоянии сера неустойчива и довольно быстро затвердевает, образуя обычные молекулы S8. При температуре кипения в парах серы содержатся молекулы S8, S6, S4 и S2. Последние по структуре близки к молекулам кислорода.

Серу добывают непосредственно из природных месторождений. Известно также много реакций, при которых она выделяется из сложных веществ. Сера образуется при смешении газообразных сероводорода и сернистого газа:

Оксиды серы(1У) и углерода(Н) реагируют с выделением серы в присутствии катализатора:

Эту реакцию применяют для очистки продуктов сжигания топлива от примеси серы.

Серу можно получить по реакции в водном растворе. При добавлении соляной кислоты к раствору тиосульфата натрия Na2S203 жидкость мутнеет, и в осадок постепенно выпадает светло-желтая мелкодисперсная сера:

Большое количество серы идет на производство серной кислоты. Реакцией серы с каучуком получают резину. Порошок серы применяют против некоторых вредителей растений и для лечения животных. Для человека сера относительно безвредна.

Химические превращения серы происходят главным образом при нагревании. Без участия других реагентов сера образует целый ряд разных молекул:

Сера соединяется почти со всеми неметаллами и металлами. Реакция с водородом обратима:

На воздухе и в кислороде сера горит голубым пламенем:

При горении серы температура превышает 800 °С, вследствие чего равновесие второй реакции сильно смещается влево, и лишь - 5%серы превращается в S03.

задание ю.ю.В каких условиях продукты сгорания серы содержат большую долю S03: при горении на воздухе или в кислороде?

С металлами сера реагирует с большим выделением теплоты. При поджигании смеси порошков серы и цинка происходит яркая вспышка. Образуется сульфид цинка белого цвета:

С некоторыми d-элементами пятого и шестого периодов сера реагирует легче, чем кислород. Серебро

устойчиво к действию кислорода, но в смеси с серой без нагревания образует бурый сульфид:

задание 10.11. Какие степени окисления имеет сера в соединениях с металлами?

Сера реагирует с оксидами, кислотами и солями, проявляющими сильное окислительное действие:

задание 10.12. Составьте уравнения трех последних реакций.

При нагревании с раствором щелочи сера реагирует по такому же типу, как галогены:

задание 10.13. Объясните сущность превращения серы в последней реакции и составьте уравнение.

Атомы серы из простого вещества могут присоединяться к сере в некоторых сложных веществах:

В образовавшемся полисульфиде имеются цепочки из атомов серы с отрицательными зарядами на концах:

задание 10.14. Какая степень окисления у серы в полисульфиде натрия?

Раствор сульфита натрия реагирует с серой при кипячении:

В образующемся тиосульфате натрия атом серы как бы занимает место атома кислорода:

Химические соединения серы(III).Двухвалентная сера образует устойчивые соединения со всеми элементами, кроме кислорода и фтора. Одним из наиболее важных соединений является сероводород, так как в качестве его замещенных производных можно рассматривать все сульфиды металлов и многие органические соединения серы.

Сероводород H2S -бесцветный газ с неприятным запахом тухлых яиц. Объемный коэффициент растворимости в воде при 20 "С равен 2,58. Сероводород ядовит, его предельно допустимое содержание в воздухе 0,01 мг/м3. Тем не менее минеральные воды, содержащие сероводород, применяются в лечебных целях. В помещениях с сероводородными ваннами ощущается сильный запах сероводорода. Молекула сероводорода по строению похожа на молекулу воды, но угол между связями меньше, чем в воде, и составляет 93°. Водородные связи между молекулами H2S не образуются, и поэтому вещество газообразно в отличие от воды.

Сероводород обычно получают действием соляной кислоты на твердый сульфид железа(П):

задание 10.15. При пропускании сероводорода через раствор дихромата калия наблюдается помутнение. Напишите уравнение реакции.

В водном растворе сероводород проявляет свойства слабой двухосновной кислоты. Сульфиды металлов можно получать как нейтрализацией сероводорода гидроксидами, так и соединением серы с металлами. Обменные реакции растворимых сульфидов с солями металлов применяют для получения нерастворимых сульфидов металлов.

задание 10.16. Напишите уравнения реакций, идущих при постепенном добавлении гидроксида натрия к раствору сероводорода.

задание 10.17. Напишите реакции получения сульфида железа(II) с применением сероводорода, сульфида натрия и серы.

В воде хорошо растворимы сульфиды щелочных металлов и аммония. Последний существует в растворе только в виде кислого сульфида NH4HS. Остальные сульфиды при обменных реакциях образуют осадки, причем некоторые из них имеют характерную окраску: FeS, CuS - черные, CdS - желтый, ZnS - белый, Sb203 - оранжевый. Сульфид цинка дает свечение (люминесценцию) при воздействии потока электронов («электронного луча»), и его используют для покрытия экранов черно-белых телевизоров. Сульфид кадмия применяется в качестве желтой краски для живописи. Растворимые сульфиды сильно гидролизуются. Растворы имеют запах сероводорода. Некоторые сульфиды полностью разлагаются водой (раздел 7.1.3).

задание 10.18. Напишите реакции гидролиза K2S и A12S3.

Неметаллы менее электроотрицательные, чем сера, тоже образуют сульфиды, которые можно получить с помощью реакций соединения:

Сероуглерод CS2 используют как растворитель. Сульфиды фосфора находят применение в качестве самовоспламеняющихся веществ.

Химические соединения cepы(IV).Четырехвалентное состояние серы возможно в кислородных соединениях; помимо них, известен только тетрахлорид серы SC14.

Оксид серы(IV) (сернистый газ) образуется при горении серы и обжиге сульфидов (реакция горения пирита на с. 41). В лаборатории его получают действием сильной кислоты на раствор сульфита натрия или концентрированной серной кислоты на медь:

Оксид серы(IV) бесцветен и обладает неприятным удушливым запахом, который появляется, в частности, при горении каменного угля, всегда содержащего серу. Объемный коэффициент растворимости сернистого газа равен 39,4 при 20 °С. С водой S02 образует сильную, но неустойчивую кислоту H2S03. Вследствие этого сернистая кислота практически проявляет себя как кислота средней силы:

Молекула S02 имеет угловую структуру:

Сернистый газ, его растворы и соли сернистой кислоты - сульфиты и гидросульфиты - проявляют преимущественно восстановительные свойства. Это можно подтвердить реакцией с иодом, сопровождающейся обесцвечиванием последнего:

Сульфиты и гидросульфиты в качестве восстановителей широко используют в текстильной и бумажной промышленности.

Оксид серы(IV) в реакции с сильным восстановителем может играть роль окислителя (реакция с H2S). Соединения серы(IV) участвуют в разнообразных реакциях соединения. Это вы видели на примере реакции сульфита натрия с серой.

Химические соединения cepы(VI). Шестивалентное состояние серы возможно только в соединениях с кислородом и фтором (SF6). Все соединения cepbi(IV) реагируют с кислородом и другими окислителями, превращаясь в соединения серы(VI). Поэтому в природе в больших количествах встречаются соединения серы(II) и серы(VI), а соединения cepu(IV) лишь как временные, промежуточные вещества, подвергающиеся дальнейшим превращениям. Например, сернистый газ, попадающий в атмосферу при сжигании каменного угля, постепенно окисляется кислородом и превращается в опасную для растений и животных серную кислоту. Если бы был налажен процесс очистки дыма от S02 с выделением серы в виде простого вещества, то не потребовалось бы добывать ископаемое сырье, служащее для производства серной кислоты, и было бы значительно улучшено состояние окружающей среды.

Оксид серы(VI) SOg образуется при сгорании серы в незначительном количестве. Для его получения окисляют S02 при температуре не выше 500 °С. В этих условиях реакция идет достаточно быстро только с участием катализатора. Из многих известных катализаторов в промышленности применяют оксид ванадия V205. Хорошо очищенная от воды-и других нежелательных примесей смесь оксида серы(IV) с воздухом проходит через контактный аппарат, заполненный катализатором, где и образуется оксид серы(VI) - серный ангидрид.

В газообразном состоянии оксид серы(VI) состоит из плоских молекул (с. 36). Это вещество очень активно в реакциях присоединения по одной из двойных связей. В частности, при охлаждении S03 образует различные

олигомеры, т. е. продукты соединения небольшого числа молекул между собой, например (S03)3:

Наибольшее значение имеют реакции соединения S03 с водой, серной кислотой и хлороводородом:

задание 10.19. Напишите структурные формулы H2S207 и HSO3Cl.

Серную кислоту не получают прямым взаимодействием оксида серы(VI) с водой, так как при этом образуется стойкий туман из мельчайших капелек H2S04. Сначала S03 растворяют в серной кислоте с образованием олеума. Это раствор, содержащий, кроме S03, дисерную кислоту H2S207 и другие продукты соединения S03 и H2S04. Затем, смешивая олеум с водой, получают серную кислоту желаемой концентрации, так как все имеющиеся в олеуме вещества реагируют с водой, превращаясь в H2S04. Серная кислота - один из важнейших продуктов химической промышленности, производимый ежегодно в количестве десятков миллионов тонн.

пример 10.2. Какую массу воды следует добавить к 300 г олеума, содержащего 40% оксида серы(VI), чтобы получить водный раствор с массовой долей серной кислоты 70% ?

РЕШЕНИЕ. В задаче этого типа можно не учитывать, что S03 соединен в олеуме с серной кислотой, и проводить расчет на основе реакции S03 с водой.

Определяем массы веществ в исходном растворе:

На основе последней строчки табличной записи составим уравнение:

т. е. к олеуму следует добавить 167 г воды.

Серная кислота известна нам как устойчивая, сильная и нелетучая. В индивидуальном состоянии - это тяжелая, бесцветная, маслянистая жидкость, которую раньше называли купоросным маслом. Она обжигает и разрушает кожные покровы тела и поэтому очень опасна. Однако действие ее не мгновенно. Кислоту, попавшую на тело, немедленно смывают большим количеством холодной воды, и после этого никаких следов не остается.

Концентрированная серная кислота проявляет сильное водоотнимающее действие. Если в закрытом объеме (в эксикаторе, с. 48) поместить кристаллогидрат CuS04 • 5Н20 и отдельно серную кислоту в стеклянном сосуде, то последняя будет поглощать пары воды из воздуха в объеме эксикатора. Это вызовет смещение равновесия в правую сторону:

Постепенно синий кристаллогидрат превращается в белое безводное вещество, а в серной кислоте образуются гидраты H2S04 • nH20.

Концентрированная серная кислота обугливает сахар, отнимая от него водород и кислород, которые образуют воду, связанную с серной кислотой:

Она также разрушает многие материалы: ткани из хлопка, шелка, шерсти, синтетические ткани. Поэтому работать с серной кислотой следует очень аккуратно. Часто возникает необходимость применения водных растворов серной кислоты, называемых разбавленной серной кислотой. При их приготовленииконцентрированную кислоту медленно вливают в воду. В противном случае (при вливании воды в H2S04) вода остается на поверхности более плотной кислоты и вскипает. Жидкость, содержащая кислоту, разбрызгивается.

Концентрированная серная кислота проявляет умеренно сильные окислительные свойства. Она реагирует с медью (см. выше) и выделяет иод из солей:

Гораздо более сильным окислителем является аналог серной кислоты - селеновая кислота H2Se04, окисляющая даже золото.

Раствор серной кислоты с массовой долей менее 70% окислительных свойств не проявляет, так как в нем вся кислота находится в диссоциированном состоянии. Таким образом, cepa(VI) проявляет окислительные свойства в молекулах H2S04, но не в ионе

SO2-4. В разбавленной H2S04 более сильным окислителем оказывается ион водорода, и металлы реагируют с выделением водорода. Серная кислота дает соли со всеми металлами. Большинство солей растворимы в воде и образуют кристаллогидраты.

задание 10.20. По таблице растворимости солей установите, какие металлы образуют с серной кислотой нерастворимые соли.

Реактивом для обнаружения серной кислоты и ее солей в растворах служит хлорид бария, образующий белый осадок BaS04, нерастворимый в кислотах. Растворимость BaS04 в воде составляет лишь 2,5 мг/л. Превратить сульфат бария в растворимое соединение можно только путем предварительного восстановления его углем:

Сульфаты термически достаточно устойчивы. Сульфаты натрия, калия, кальция и бария плавятся без разложения при температуре -1000 °С и выше. Сульфаты большинства других металлов при нагревании разлагаются с выделением оксидов серы. Если температура разложения ниже 750 °С, то преобладает оксид серы(VI), если выше - оксид серы(IV) и кислород.

171 задание 10.21. Напишите реакции термического разложения сульфатов алюминия (tразл = 770 °С) и железа(III) tразл = 480 °С).

Некоторые ионы металлов при разложении соли могут терять электроны:

Различные сульфаты широко применяются в медицине. Частично обезвоженный гипс CaS04 • 0,5Н2О служит для наложения жестких повязок при переломах костей. Водная кашица гипса быстро затвердевает вследствие связывания воды:

Сульфат бария в виде сметанообразной суспензии в воде применяют при рентгеноскопии желудка, так как атомы тяжелого элемента бария сильно поглощают рентгеновские лучи. Сульфат бария в данном случае выбран потому, что он не растворяется в воде и не реагирует с соляной кислотой желудочного сока. Раствор сульфата магния MgS04 (магнезия) используют для инъекций как средство, быстро понижающее артериальное давление.

ВОПРОСЫ И УПРАЖНЕНИЯ

1. Оксид металла содержит 33,3% кислорода. Определите металл.

2. В соединении металла с серой масса металла в 6,75 раза больше, чем масса серы. Установите формулу соединения.

3. Нарисуйте энергетическую диаграмму атома селена в четырехвалентном состоянии.

4. При пропускании смеси равных объемов азота и кислорода через озонатор давление уменьшилось на 1,25% (без изменения температуры и объема). Рассчитайте состав полученной смеси в массовых долях.

5. При прокаливании 15,25 г нитрата калия выделилось 1353 мл газа (101,3 кПа, 0 °С). Охарактеризуйте состав вещества в пробирке после прокаливания.

6. С помощью какого одного реактива можно различить растворы сульфида натрия, сульфата натрия и сульфата алюминия?

7. В четырех склянках находятся растворы гидросульфита кальция, гидроксида натрия, гидросульфата натрия и сульфида натрия. Как без использования других реактивов определить, где какой раствор?

8. При пропускании 500 см3 воздуха с примесью озона через подкисленный раствор иодида калия выделилось 2,1 • 10~4 моль иода. Рассчитайте содержание озона (г/м3).

9. Газ, полученный при обжиге 6 кг пирита в токе воздуха, пропущен через 100 кг водной суспензии, содержащей 3,6 кг гидроксида кальция. Каковы массовые доли веществ в полученном растворе?

10. Олеум массой 8,8 г с содержанием 37% оксида серы(VI) добавляют к 60 г 30%-й серной кислоты. Охарактеризуйте состав полученного раствора.

11. К олеуму массой 2,9 г с массовой долей оксида серы(VI) 7% добавляли раствор гидроксида калия с концентрацией с(КОН) = 0,1 моль/л до рН7. Рассчитайте объем раствора гидроксида калия.

12. Составьте уравнения реакций: