В этой статье вы найдете информацию о том, что такое оксид серы. Будут рассмотрены его основные свойства химического и физического характера, существующие формы, способы их получения и отличия между собой. А также будут упомянуты области применения и биологическая роль данного оксида в его разнообразных формах.
Что представляет собой вещество
Оксид серы - это соединение простых веществ, серы и кислорода. Существует три формы оксидов серы, отличающиеся между собой степенью проявленной валентности S, а именно: SO (монооксид, моноокись серы), SO 2 (серный диоксид или сернистый газ) и SO 3 (триоксид или ангидрид серы). Все перечисленные вариации оксидов серы имеют схожие как химические, так и физические характеристики.
Общие данные о моноокисиде серы
Двухвалентный серный монооксид, или иначе серная моноокись - это неорганическое вещество, состоящее из двух простых элементов - серы и кислорода. Формула - SO. В условиях нормальной обстановки является газом без цвета, но с резким и специфическим запахом. Вступает в реакции с водным раствором. Довольно редкое соединение в земной атмосфере. К воздействию температур неустойчив, существует в димерной форме - S 2 O 2 . Иногда способен, взаимодействуя с кислородом, в результате реакции образовывать диоксид серы. Солей не образует.
Получают оксид серы (2) обычно при помощи сжигания серы или разложении ее ангидрида:
- 2S2+O 2 = 2SO;
- 2SO2 = 2SO+O2.
В воде вещество растворяется. В результате оксид серы образует тиосерную кислоту:
- S 2 O 2 +H 2 O = H 2 S 2 O 3 .
Общие данные о сернистом газе
Оксид серы - очередная форма оксидов серы с химической формулой SO 2 . Имеет неприятный специфический запах и не имеет цвета. Подвергаясь давлению, может зажигаться при комнатной температуре. При растворении в воде образует нестойкую сернистую кислоту. Может растворяться в растворах этанола и серной кислоты. Является компонентом вулканического газа.
В промышленности получают сжиганием серы или обжигом ее сульфидов:
- 2FeS 2 +5O 2 = 2FeO+4SO 2 .
В лабораториях, как правило, SO 2 получают при помощи сульфитов и гидросульфитов, подвергая их воздействию сильной кислоты, а также воздействию на металлы с маленькой степенью активности концентрированной H 2 SO 4 .
Как и другие серные оксиды, SO 2 является кислотным оксидом. Взаимодействуя со щелочами, образуя различные сульфиты, вступает в реакции с водой, создавая серную кислоту.
SO 2 чрезвычайно активен, и это ярко выражается в его восстановительных свойствах, где окислительная степень оксида серы возрастает. Может проявлять свойства окислителя, если на него воздействует сильный восстановитель. Последнюю характерную особенность используют для производства фосфорноватистой кислоты, или для отделения S от газов металлургической области деятельности.
Оксид серы (4) широко используется человеком для получения сернистой кислоты или ее солей - это его основная область применения. А также он участвует в процессах виноделия и выступает там в роли консерванта (E220), иногда им протравливают овощехранилища и склады, так как он уничтожает микроорганизмы. Материалы, которые нельзя подвергать отбеливанию хлором, обрабатывают оксидом серы.
SO 2 - довольно токсичное соединение. Характерные симптомы, указывающие на отравление им, - это откашливание, появление проблем с дыханием, как правило, в виде насморка, охриплости, появление необычного привкуса и першение в горле. Вдыхание такого газа может вызвать удушье, нарушение речевой способности индивида, рвоту, затруднение процесса глотания, а также легочный отек в острой форме. Максимально допустимой концентрацией этого вещества в рабочем помещении является 10мг/м 3 . Однако у различных людей организм может проявлять и разную чувствительность к сернистому газу.
Общие данные о серном ангидриде
Серный газ, или, как его называют, серный ангидрид, - это высший оксид серы с химической формулой SO 3 . Жидкость с удушливым запахом, легколетучая при стандартных условиях. Способна застывать, образовывая смеси кристаллического типа из его твердых модификаций, при температуре от 16.9 °C и ниже.
Детальный разбор высшего оксида
При окислении SO 2 воздухом под воздействием высоких температур, необходимым условием является наличие катализатора, например V 2 O 5 , Fe 2 O 3 , NaVO 3 или Pt.
Термическое разложение сульфатов либо взаимодействие озона и SO 2:
- Fe 2 (SO 4)3 = Fe 2 O 3 +3SO 3 ;
- SO 2 +O 3 = SO 3 +O 2 .
Окисление SO 2 при помощи NO 2:
- SO 2 +NO 2 = SO 3 +NO.
К физическим качественным характеристикам относятся: наличие в состоянии газа плоского строения, тригонального типа и D 3 h симметрии, во время перехода от газа к кристаллу или жидкости образует тример циклического характера и зигзагообразную цепь, имеет ковалентную полярную связь.
В твердой форме SO 3 встречается в альфа, бета, гамма и сигма формах, при этом он имеет, соответственно, разную температуру плавления, степень проявления полимеризации и разнообразную кристаллическую форму. Существование такого количества видов SO 3 обусловлено образованием связей донорно-акцепторного типа.
К свойствам ангидрида серы можно отнести множество его качеств, основными из них являются:
Способность взаимодействовать с основаниями и оксидами:
- 2KHO+SO 3 = K 2 SO 4 +H 2 O;
- CaO+SO 3 = CaSO 4 .
Высший серный оксид SO 3 имеет достаточно большую активность и создает серную кислоту, взаимодействуя с водой:
- SO 3 +H 2 O = H2SO 4.
Вступает в реакции взаимодействия с хлороводородом и образует хлоросульфатную кислоту:
- SO 3 +HCl = HSO 3 Cl.
Для оксида серы характерным является проявление сильных окислительных свойств.
Применение серный ангидрид находит в создании серной кислоты. Небольшое его количество выделяется в окружающую среду во время использования серных шашек. SO 3 , образуя серную кислоту после взаимодействия с влажной поверхностью, уничтожает разнообразные опасные организмы, например грибки.
Подводя итоги
Оксид серы может находиться в разных агрегатных состояниях, начиная с жидкости и заканчивая твердой формой. В природе встречается редко, а способов его получения в промышленности довольно много, как и сфер, где его можно использовать. Сам оксид имеет три формы, в которых он проявляет различную степень валентности. Может быть очень токсичным и вызывать серьезные проблемы со здоровьем.
Сера расположена в VIа группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
На внешнем энергетическом уровне серы содержится 6 электронов, которые имеют 3s 2 3p 4 . В соединениях с металлами и водородом сера проявляет отрицательную степень окисления элементов -2, в соединениях с кислородом и другими активными неметаллами – положительные +2, +4, +6. Сера – типичный неметалл, в зависимости от типа превращения может быть окислителем и восстановителем.
Нахождение серы в природе
Сера встречается в свободном (самородном) состоянии и связанном виде.
Важнейшие природные соединения серы:
FeS 2 - железный колчедан или пирит,
ZnS - цинковая обманка или сфалерит (вюрцит),
PbS - свинцовый блеск или галенит,
HgS - киноварь,
Sb 2 S 3 - антимонит.
Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах, в природных водах (в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды). Жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.
Аллотропные модификации серы
Аллотропия
— это способность одного и того же элемента существовать в разных молекулярных формах (молекулы содержат разное количество атомов одного и того же элемента, например, О 2 и О 3 , S 2 и S 8 , Р 2 и Р 4 и т.д).
Сера отличается способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны S 8 , образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера - хрупкое вещество жёлтого цвета.
Открытые цепи имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую).
1) ромбическая — S 8
t°пл. = 113°C; r = 2,07 г/см 3
Наиболее устойчивая модификация.
2) моноклинная — темно-желтые иглы
t°пл. = 119°C; r = 1,96 г/см 3
Устойчивая при температуре более 96°С; при обычных условиях превращается в ромбическую.
3) пластическая — коричневая резиноподобная (аморфная) масса
Неустойчива, при затвердевании превращается в ромбическую
Получение серы
- Промышленный метод — выплавление из руды с помощью водяного пара.
- Неполное окисление сероводорода (при недостатке кислорода):
2H 2 S + O 2 → 2S + 2H 2 O
- Реакция Вакенродера:
2H 2 S + SO 2 → 3S + 2H 2 O
Химические свойства серы
Окислительные свойства серы
(S
0
+ 2ē
→ S
-2
)
1) Сера реагирует со щелочными без нагревания:
S + O 2 – t° → S +4 O 2
2S + 3O 2 – t °; pt → 2S +6 O 3
4) (кроме йода):
S + Cl 2 → S +2 Cl 2
S + 3F 2 → SF 6
Со сложными веществами:
5) c кислотами — окислителями:
S + 2H 2 SO 4 (конц) → 3S +4 O 2 + 2H 2 O
S + 6HNO 3 (конц) → H 2 S +6 O 4 + 6NO 2 + 2H 2 O
Реакции диспропорционирования:
6) 3S 0 + 6KOH → K 2 S +4 O 3 + 2K 2 S -2 + 3H 2 O
7) сера растворяется в концентрированном растворе сульфита натрия:
S 0 + Na 2 S +4 O 3 → Na 2 S 2 O 3 тиосульфат натрия
Сера относится к элементу, находящемуся в VI-й группе главной подгруппы периодической системы Д.И.Менделеева. Его электронная конфигурация атома 1s22s22p63s23p4.
Химические свойства.
1. Свойства простого вещества.
Сера может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. Окислителем сера является в первую очередь по отношению к металлам:
S + 2Na = Na2S S + Ca = CaS 3S +2Al = Al2S3
В качестве окислителя сера проявляет свои свойства и при взаимодействии с неметаллами:
S + H2 = H2S 3S + 2P = P2S3 2S + C = CS2
Однако с неметаллами, имеющими электроотрицательность бóльшую, чем у серы, она реагирует в качестве восстановителя:
S +3F2 = SF6 S + Cl2 = SCl2
Сера реагирует со сложными веществами, как правило, окислителями. Причём азотная кислота окисляет её до серной кислоты:
S + 6HNO3 = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O
Другие окислители окисляют серу до степени окисления (+4):
S + 2H2SO4 = 3SO2 + 2H2O 3S + 2KClO3 = 3SO2 + 2KCl
По механизму реакции ДИСПРОПОРЦИОНИРОВАНИЯ сера реагирует с щелочами. В процессе этой реакции образуются соединения серы (-2) и (+4):
3S + 6KOH = K2SO3 + 2K2S + 3H2O
Непосредственно с водой сера не реагирует, однако при нагревании подвергается дисмутации в атмосфере водяного пара.
Сера может быть получена в процессе реакций:
SO2 + 2CO = S + 2CO2 Na2S2O3 + 2HCl = S + SO2 + 2NaCl + H2O
Соединение серы (-2) с водородом называется сероводород – H2S. Сероводород – газ без цвета, неприятного запаха, тяжелее воздуха, очень ядовит, мало растворим в воде. Сероводород можно получить различными способами. Oбычно, в лаборатории, сероводород получают, действуя на сульфиды сильными кислотами:
FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S
Для сероводорода и его солей характерны восстановительные свойства:
H2S + SO2 = 3S + 2H2O
В лаборатории сероводород получают:
FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S
Cероводород легко окисляется галогенами, оксидом серы, хлоридом железа (III):
H2S + Cl2 = 2HCl + S 2H2S + SO2 = 2H2O + 3S H2S + 2FeCl3 = 2FeCl2 + S + 2HCl
На воздухе сероводород окисляет серебро, чем и объясняется почернение серебряных изделий со временем:
2H2S + 4Ag + O2 = 2Ag2S + 2H2O
Взаимодействие с кислородом
Оксид серы (IV)
Сернистый газ SO2 – бесцветный газ с удушливым резким запахом. При растворении его в воде (при 00С 1 объем воды растворяет более 70 объемовSO2) образуется сернистая кислотаH2SO3, которая известна только в растворах.
В лабораторных условиях для получения SO2действуют на твердый сульфит натрия концентрированной серной кислотой:
Na2SO3 + 2H2SO4 = 2NaHSO4 + SO2 + H2O
В промышленности SO2получают при обжиге сульфидных руд, например пирита:
Сера горит в кислороде при 280 °С, на воздухе при 360 °С, при этом образуется смесь оксидов:
Оксид серы (VI)
Серный ангидрид SO3при комнатной температуре представляет собой бесцветную легко летучую жидкость (tкип=44,80С,tпл=16,80С), которая со временем переходит в асбестовидную модификацию, состоящую из блестящих шелковистых кристаллов. Волокна серного ангидрида устойчивы лишь в запаянном сосуде. Поглощая влагу воздуха, они превращаются в густую бесцветную жидкость – олеум (от лат.oleum– «масло»). Хотя формально олеум можно рассматривать как растворSO3 вH2SO4, на самом деле он представляет собой смесь различных пиросерных кислот:H2S2O7,H2S3O10и т.д. С водойSO3взаимодействует очень энергично: при этом выделяется так много теплоты, что образующиеся мельчайшие капельки серной кислоты создают туман. Работать с этим веществом нужно крайне осторожно.
2S + 3O2 = 2SO3.
Оксид серы (VI) энергично соединяется с водой, образуя серную кислоту:
SO3 + H2O = H2SO4
Нахождение серы в природе
Сера широко распространена в природе. Она составляет 0,05% массы земной коры. В свободном состоянии (самородная сера) в больших количествах встречается в Италии (остров Сицилия) и США. Месторождения самородной серы имеются в Куйбышевской области (Поволжье), в государствах Средней Азии, в Крыму и других районах.
Сера часто встречается в виде соединений с другими элементами. Важнейшими ее природными соединениями являются сульфиды металлов: FeS2– железный колчедан, или пирит;HgS – киноварь и др., а также соли серной кислоты (кристаллогидраты):CaSO4ּ2H2O – гипс,Na2SO4ּ10H2O– глауберова соль,MgSO4ּ7H2O– горькая соль и др.
Физические свойства серы
Природная сера состоит из смеси четырех устойчивых изотопов: ,.
Сера образует несколько аллотропных модификаций. Устойчивая при комнатной температуре ромбическая серапредставляет собой желтый порошок, плохо растворимый в воде, но хорошо растворимый в сероуглероде, анилине и некоторых других растворителях. Плохо проводит теплоту и электричество. При кристаллизации из хлороформаCHCl3 или из сероуглеродаCS2 она выделяется в виде прозрачных кристаллов октаэдрической формы. Ромбическая сера состоит из циклических молекулS8, имеющих форму короны. При 1130Cона плавится, превращаясь в желтую легкоподвижную жидкость. При дальнейшем нагревании расплав загустевает, так как в нем образуются длинные полимерные цепочки. А если нагреть серу до 444,60С, она закипает. Выливая кипящую серу тонкой струйкой в холодную воду, можно получить пластическую серу –резиноподобную модификацию, состоящую из полимерных цепочек. При медленном охлаждении расплава образуются темно-желтые игольчатые кристаллы моноклинной серы. (tпл=1190C). Подобно ромбической сере, эта модификация состоит из молекулS8. При комнатной температуре пластическая и моноклинная сера неустойчивы и самопроизвольно превращаются в порошок ромбической серы.
Так как сера встречается в природе в самородном состоянии, она была известна человеку уже в глубокой древности. Большое внимание уделяли сере алхимики. Многим из них была уже известна серная кислота. Василий Валентин в XV в. подробно описал ее получение (нагреванием железного купороса). Фабричным способом серная кислота была получена впервые в Англии в середине XVIII в.
Нахождение в природе, получение:
В природе часто встречаются значительные залежи серы (большей частью вблизи вулканов). Наиболее часто встречающиеся сульфиды: железный колчедан (пирит) FeS 2 , медный колчедан CuFeS 2 , свинцовый блеск PbS и цинковая обманка ZnS. Еще чаще сера встречается в виде сульфатов, например сульфат кальция (гипс и ангидрит), сульфат магния (горькая соль и кизерит), сульфат бария (тяжелый шпат), сульфат стронция (целестин), сульфат натрия (глауберова соль).
Получение.
1. Выплавление самородной серы из природных залежей, например с помощью водяного пара, и очистка сырой серы перегонкой.
2. Выделение серы при десульфурации продуктов газификации угля (водяной, воздушный и светильный газы), например, под действием воздуха и катализатора-активного угля:
2H 2 S + O 2 = 2H 2 O + 2S
3. Выделение серы при неполном сгорании сероводорода (уравнение см. выше), при подкислении раствора тиосульфата натрия:
Na 2 S 2 O 3 +2HCI = 2NaCI + SO 2 + H 2 O + S
и при перегонке раствора полисульфида аммония:
(NH 4) 2 S 5 =(NH 4) 2 S + 4S
Физические свойства:
Сера - твердое хрупкое вещество желтого цвета. В воде практически нерастворима, но хорошо растворяется в сероуглероде, анилине и некоторых других растворителях. Плохо проводит теплоту и электричество. Сера образует несколько аллотропных модификаций. ???...
...
При 444,6°С сера кипит, образуя пары темно-бурого цвета.
Химические свойства:
Атом серы, имея незавершенный внешний энергетический уровень, может присоединять два электрона и проявлять степень окисления -2. При отдаче или оттягивании электронов к атому более электроотрицательного элемента степень окисления серы может быть +2, +4 и +6.
Сера при сгорании на воздухе или в кислороде образуется оксид серы (IV) SO 2 и частично оксид серы(VI) SO 3 . При нагревании непосредственно соединяется с водородом, галогенами (кроме иода), фосфором, углем, а также со всеми металлами, кроме золота, платины и иридия. Например:
S + H 2 = H 2 S; 3S + 2P = P 2 S 3 ; S + CI 2 = SCI 2 ; 2S + C = CS 2 ; S + Fe = FeS
Как следует из примеров, в реакциях с металлами и некоторыми неметаллами сера является окислителем, в реакциях же с более активными неметаллами, как например, с кислородом, хлором, - восстановителем.
По отношению к кислотам и щелочам...
...
Важнейшие соединения:
Диоксид серы
, SO 2 - бесцветный, тяжелый газ с острым запахом, очень легко растворяется в воде. В растворе SO 2 легко окисляется.
Сернистая кислота
, H 2 SO 3: двухосновная кислота, ее соли называются сульфиты. Сернистая кислота и ее соли являются сильными восстановителями.
Триоксид серы
, SO 3: бесцветная жидкость, очень сильно поглощает влагу образуя серную кислоту. Обладает свойствами кислотных оксидов.
Серная кислота
, H 2 SO 4: очень сильная двухосновная кислота уже при умеренном разбавление практически полностью диссоциирует на ионы. Серная кислота малолетуча и вытесняет многие другие кислоты из их солей. Образующиеся соли называются сульфатами, кристаллогидраты - купоросами. (например, медный купорос CuSO 4 *5H 2 O, образует кристаллы голубого цвета).
Сероводород
, H 2 S: бесцветный газ с запахом гнилых яиц, Ткип = - 61°С. Одна из самых слабых кислот. Соли - сульфиды
...
...
...
Применение:
Сера широко применяется в промышленности и сельском хозяйстве. Около половины ее добычи расходуется для получения серной кислоты. Используют серу для вулканизации каучука. В виде серного цвета (тонкого порошка) сера применяется для борьбы с болезнями виноградника и хлопчатника. Она употребляется для получения пороха, спичек, светящихся составов. В медицине приготовляют серные мази для лечения кожных заболеваний.
Мякишева Е.А.
ХФ ТюмГУ, 561 гр.
Источники:
1. Химия: Справ. Изд./В. Шретер. – М.: Химия, 1989.
2. Г.Реми «Курс неорганической химии» - М.: Химия,1972.