Вопрос 7. Кислород, сероводород, оксиды серы, серная кислота.
Кислород самый распространённый элемент земной коры. Молекула кислорода двухатомна (O2). Простое вещество – молекулярный кислород – представляет собой газ без цвета и запаха, плохо растворимый в воде. В атмосфере Земли содержится 21 % (по объёму) кислорода. В природных соединениях кислород встречается в виде оксидов (H2O, SiO2) и солей оксокислот. Одно из важнейших природных соединений кислорода – вода, или оксид водорода H2O.
Помимо оксидов, кислород способен образовывать пероксиды – вещества, содержащие следующую группировку атомов: –O–O– . Один из важнейших пероксидов – пероксид водорода H2O2 (H–O–O–H). В пероксидах атомы кислорода имеют промежуточную степень окисления минус 1, поэтому эти соединения могут быть как окислителями, так и восстановителями:
Из величин стандартных электродных потенциалов следует, что окисли
тельные свойства H2O2 наиболее сильно проявляются в кислой среде, а восстановительные – в щелочной. Например, пероксид водорода в кислой среде способен окислять те вещества, стандартный потенциал электрохимической системы которых не превышает +1,776 В, и восстанавливать только те, у которых потенциал больше +0,682 В.
Аллотропной модификацией кислорода является озон (O3) – газ со специфическим запахом. Озон получают действием «тихих» электрических разрядов на кислород в специальных приборах – озонаторах. Реакция превращения кислорода в озон требует затраты энергии:
3O2 ↔ 2O3 – 285 кДж .
Обратный процесс – распад озона – протекает самопроизвольно.
Озон – один из сильнейших окислителей; по окислительной активности он уступает только фтору.
При высокой температуре сера взаимодействует с водородом с образованием сероводорода (H2S) – бесцветного газа с характерным запахом гниющего белка. Поскольку эта реакция обратима, то на практике сероводород обычно получают действием разбавленных кислот на сульфиды металлов:
FeS + 2 HCl → H2S↑ + FeCl2 .
Сероводород – сильный восстановитель; при поджигании на воздухе горит голубоватым пламенем:
2 H2S + 3 O2 → 2 SO2 + 2 H2O (в избытке кислорода).
Поэтому смесь сероводорода с воздухом взрывоопасна. При недостатке кислорода сероводород окисляется только до свободной серы:
2 H2S + O2 → 2 S + 2 H2O .
Сероводород очень ядовит и способен вызвать тяжёлые отравления.
Раствор сероводорода в воде обладает свойствами слабой двухосновной кислоты (К1 = 6×10–8, К2 = 1×10–14). Средние соли сероводородной кислоты – сульфиды – можно получить непосредственным взаимодействием металлов с серой. Малорастворимые сульфиды можно получить, действуя сероводородом на растворы солей соответствующих металлов:
CuSO4 + H2S CuS+ H2SO4 .
Оксид серы (IV) образуется при горении серы на воздухе:
S + O2 → SO2 .
В промышленности SO2 получают при обжиге сульфидов и полисульфидов металлов, а также термическим разложением сульфатов (в частности CaSO4):
Диоксид серы – бесцветный газ с запахом жжёной серы. SO2 хорошо растворяется в воде, образуя сернистую кислоту:
Сернистая кислота – слабая двухосновная кислота (К1=1,6×10–2, К2=6×10–8). H2SO3 и её соли являются хорошими восстановителями и окисляются до серной кислоты или сульфатов:
При высокой температуре в присутствии катализатора (V2O5, сплавы на основе платины) диоксид серы окисляется кислородом до триоксида:
Оксид серы (VI) – это ангидрид серной кислоты:
В газообразном состоянии оксид серы (VI) состоит из молекул SO3, построенных в форме правильного треугольника. При конденсации паров SO3 образуется летучая жидкость (t кипения = +44,8 °C), состоящая преимущественно из тримерных циклических молекул. При охлаждении до +16,8 °C она затвердевает, и образуется так называемая льдовидная модификация SO3 . При хранении она постепенно превращается в асбестовидную модификацию SO3, состоящую из полимерных молекул.
Концентрированная серная кислота, особенно горячая, – энергичный окислитель. Она окисляет бромид- и иодид-ионы до свободных галогенов, уголь – до углекислого газа, серу – до SO2. При взаимодействии с металлами концентрированная серная кислота переводит их в сульфаты, восстанавливаясь до SO2, S или H2S. Чем более активен металл, тем более глубоко восстанавливается кислота.
Например, при взаимодействии концентрированной серной кислоты с медью преимущественно выделяется SO2; при взаимодействии с цинком может наблюдаться одновременное выделение и оксида серы (IV), и свободной серы, и сероводорода:
H2SO4 – сильная двухосновная кислота, диссоциированная по первой стадии
практически нацело; диссоциация по второй стадии протекает в меньшей степени, однако в разбавленных водных растворах серная кислота диссоциирована практически нацело по схеме:
H2SO4 → 2 H+ + SO42-
Большинство солей серной кислоты хорошо растворимо в воде. К практически нерастворимым относятся BaSO4 , SrSO4 , PbSO4; малорастворим CaSO4. Качественная реакция на ионы SO4 2– обусловлена образованием малорастворимых сульфатов. Например, при введении ионов бария в раствор, содержащий сульфатионы, выпадает белый осадок сульфата бария, практически нерастворимый в воде и разбавленных кислотах:
Ba2+ + SO42-→ BaSO4↓ .
Серную кислоту применяют в производстве минеральных удобрений;
как электролит в свинцовых аккумуляторах; для получения различных минеральных кислот и солей; в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ; в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности и т.д.