Неорганическая химия: неметаллы VIА группы и их соединения

Сера и ее свойства

Сера (S) в природе встречается в соединениях и свободном виде. Распространены и соединения серы, такие как свинцовый блеск PbS, цинковая обманка ZnS, медный блеск \(Cu_2S\). Для получения серы основным источником служит железный колчедан (пирит) \(FeS_2\). Газовую серу получают из газов, образованных при коксовании и газификации угля.

Существует несколько известных аллотропных модификаций серы:

1) циклическая форма;

2) моноклинная форма;

3) кристаллическая ромбическая форма.

При температуре 20-25°C (комнатная) наиболее устойчива желтая ромбическая сера (a-сера, \(r=2,1~г/см^3\)). При температурном интервале от \(95,4^\circ C\) до \(119,3^\circ C\) (температура плавления) наиболее стабильной является моноклинная сера (b-сера). При комнатной температуре кристаллы моноклинной серы постепенно переходят в монолит микроскопических кристаллов ромбической серы. При резком охлаждении сильно нагретой серы происходит образование пластической серы.

Реже встречается пурпурная сера, образующаяся при быстрой конденсации паров серы на поверхности, охлаждаемой жидким азотом.

Сера находится в VI группе третьего периода периодической системы. Имеет на внешнем электронном слое атома шесть электронов.

Проявляет степень окисления от –2 до +6.

Сера не растворима в воде, но растворима в органических растворителях. Является диэлектриком.

Сера – неметалл с типичными для него свойствами. Взаимодействует со многими металлами непосредственно (медью, железом, цинком), выделяя при этом теплоту. Среди металлов лишь золото, платина и рутений не вступают в реакцию с серой. Взаимодействует также с большинством неметаллов, за исключением азота и йода.

Химические свойства:

1) при нагревании сера реагирует с водородом, образуя сероводород: \(S+H_2=H_2S\);

2) взаимодействуя с металлами, сера образует сульфиды: \(S+Fe=FeS;~2Al+3S=Al_2S_3\);

3) при сжигании серы в струе кислорода образуется сернистый газ или сернистый ангидрид \(SO_2:S+O_2=SO_2\);

4) чистая сера способна проявлять восстановительные свойства: \(S+2HNO_3=H_2SO_4+2NO\).

Сера используется в большом количестве в народном хозяйстве. Серу используют для получения резины – при помощи серы происходит ее затвердевание (вулканизация).

Каучук с высоким содержанием серы называется эбонит, являющийся качественным электрическим изолятором. Для уничтожения некоторых сельскохозяйственных вредителей серу применяют в виде серного цвета. Серу используют для приготовления спичек, синей краски (ультрамарина), сероуглерода, серной кислоты.

Свойства серной кислоты и ее практическое значение

Структура формулы серной кислоты:

\(H-OO \\ \backslash ~~~~~~ // \\ ~~~~S \\~/ ~~~~\backslash\backslash \\H-OO\)

Получение: основным методом производства серной кислоты из \(SO_3\) является контактный метод. Вначале получают диоксид серы \(SO_2\) (сжигание серы и др.). Самый распространенный способ получения – обжиг серного колчедана \(FeS_2\), затем диоксид серы \(SO_2\) окисляют в триоксид серы \(SO_3\) контактным методом. Полученный три-оксид серы \(SO_3\) направляют на стадию поглощения, которую проводят концентрированной серной кислотой. Раствор \(SO_3\) в \(H_2SO_4\)называется олеум. Контактным методом получают 92,5%-ную серную кислоту. При нитрозном методе \(H_2SO_4\) получают, окисляя \(SO_2\) в сернокислотном растворе, для этого в качестве катализатора используют смесь оксидов азота \(NO\) и \(NO_2\). Нитрозным методом получают 75%-ную серную кислоту.

Чтобы приготовить раствор серной кислоты, ее необходимо выливать в воду тонкой струйкой, сильно перемешивая, при этом в воде образуются гидраты и происходит выделение теплоты.

Физические свойства: Серная кислота – бесцветная вязкая жидкость, имеющая температуру плавления \(10^\circ C\), температура кипения \(296^\circ C\) (с разложением на \(H_2O\) и \(SO_3\)). Серная кислота – сильная кислота. Концентрированная серная кислота в большом количестве поглощает пары воды, поэтому ее используют для осушения газов.

Химические свойства.

1. Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Окислительно-восстановительные реакции требуют нагревания, а продуктом реакции в основном является \(SO_2\).

2. С металлами вступает в реакцию по-разному в зависимости от концентрации. Разбавленная серная кислота взаимодействует со всеми металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода. Концентрированная серная кислота окисляет все металлы, стоящие в ряду напряжений, и серебро в том числе.

3. Разбавленная серная кислота взаимодействует с основаниями, основными и амфотерными оксидами, солями.

Серная кислота образует два вида солей: средние (сульфаты) и кислые (гидросульфаты).

Применение: серная кислота относится к главным продуктам химической промышленности. Ее используют для изготовления фосфорных и азотных удобрений, искусственных волокон, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов. С ее помощью получают другие кислоты, сульфаты, очищают нефтепродукты, применяют как электролит в свинцовых аккумуляторах, подготавливают поверхность металлов для гальванических покрытий.

Сероводород и сульфиды

Сероводород (\(H_2S\)) – бесцветный газ с резким запахом гниющего белка. В природе встречается вводах минеральных ключей вулканических газах, гниении отбросов, а также при разложении белков погибших растений и животных.

Получение:

1) прямой синтез из элементов, при температуре \(600^\circ C\);

2) воздействием на сульфиды натрия и железа соляной кислотой.

Физические свойства: сероводород тяжелее воздуха, очень ядовит. Сжижение его происходит при \(-60,8^ \circ C\), затвердение – при \(-85,7^ \circ C\). Легко воспламеняется на воздухе. Растворим в воде – при температуре \(20^\circ C\) в 1 литре воды можно растворить 2,5 литра сероводорода, при этом образуется сероводородная кислота.

Химические свойства: сероводород – сильный восстановитель, в зависимости от условий (температура, pH раствора, концентрация окислителя) при взаимодействии с окислителями он окисляется до диоксида серы или серной кислоты:

1) горит голубоватым пламенем на воздухе

2) при высокой температуре разлагается

3) вступает в реакцию с галогенами

4) взаимодействует с окислителями

5) серебро при взаимодействии с сероводородом темнеет

Применение: сероводород используют как химический реактив, а также как сырье для получения серы и серной кислоты.

Сероводородная кислота – слабая кислота. Водный раствор сероводорода.

Сульфиды – средние соли сероводородной кислоты.

Получение сульфидов:

1) взаимодействие металлов с серой при высокой температуре: \(Fe+S=FeS\);

2) взаимодействие сводными растворами солей металлов: \(CuSO_4+H_2S=CuS+H_2SO_4\);

3) сульфиды подвергаются гидролизу

Взбалтывая раствор сульфида с серой можно обнаружить после выпаривания остаток, содержащий полисульфиды (многосернистые металлы).

Полисульфиды – соединения с большим содержанием серы, например \(Na_2S_2\), \(Na_2S_5\).

Для сульфидов характерны соединения переменного состава \((FeS_{1,01}-FeS_{1,14})\).

Природные сульфиды – основа руд цветных и редких металлов, поэтому их используют в металлургии. Некоторые сульфиды используют в производстве серной кислоты(\(FeS_2\) – железный колчедан). В химической и легкой промышленности применяют сульфиды щелочных и щелочноземельных металлов (в качестве основы люминофоров). В электронной технике используются как полупроводники.