Глава III. Неметаллы и их соединения. § 13. Общая характеристика элементов VIA-группы — халькогенов. Сера — с. 77
§ 13. Примените свои знания.
5. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
а) H₂O₂ → O₂ → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → MgSO₄
б) KMnO₄ → O₂ → Li₂O → Li₂S → SO₂
в) S → ZnS → H₂S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → FeSO₄ → BaSO₄
Укажите тип каждой реакции по числу и составу реагентов и образующихся веществ. Для реакций ионного обмена запишите также ионные уравнения реакций. Для окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
а) H₂O₂ → O₂ → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → MgSO₄
б) KMnO₄ → O₂ → Li₂O → Li₂S → SO₂
в) S → ZnS → H₂S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → FeSO₄ → BaSO₄
Укажите тип каждой реакции по числу и составу реагентов и образующихся веществ. Для реакций ионного обмена запишите также ионные уравнения реакций. Для окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
а) H₂O₂ → O₂ → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → MgSO₄
1) 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑ (катализатор MnO₂) — реакция разложения, ОВР.
Электронный баланс: O⁻¹ − 1ē → O⁰ | ×2 (восстановитель); O⁻¹ + 1ē → O⁻² | ×2 (окислитель). Окислитель и восстановитель — пероксид водорода (за счёт атомов кислорода в степени окисления −1).
2) S + O₂ = SO₂ (при горении) — реакция соединения, ОВР.
S⁰ − 4ē → S⁺⁴ | ×1 — восстановитель (S); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×1 — окислитель (O₂).
3) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (t, V₂O₅) — реакция соединения, ОВР.
S⁺⁴ − 2ē → S⁺⁶ | ×2 — восстановитель (SO₂); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×1 — окислитель (O₂).
4) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ — реакция соединения, не ОВР.
5) H₂SO₄ + Mg(OH)₂ = MgSO₄ + 2H₂O — реакция обмена (нейтрализации), не ОВР.
Ионное уравнение: 2H⁺ + SO₄²⁻ + Mg(OH)₂ = Mg²⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O; сокращённое: Mg(OH)₂ + 2H⁺ = Mg²⁺ + 2H₂O (гидроксид магния нерастворим, записан в молекулярном виде). б) KMnO₄ → O₂ → Li₂O → Li₂S → SO₂
1) 2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ (при нагревании) — реакция разложения, ОВР.
Mn⁺⁷ + 1ē → Mn⁺⁶ и Mn⁺⁷ + 3ē → Mn⁺⁴ (всего 4ē приняли два атома Mn); 2O⁻² − 4ē → O₂⁰ | ×1. Окислитель — Mn⁺⁷ (в KMnO₄), восстановитель — O⁻² (в KMnO₄).
2) 4Li + O₂ = 2Li₂O — реакция соединения, ОВР.
Li⁰ − 1ē → Li⁺ | ×4 — восстановитель (Li); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×1 — окислитель (O₂).
3) Li₂O + H₂S = Li₂S + H₂O — реакция обмена, не ОВР. Ионное уравнение: Li₂O + H₂S = 2Li⁺ + S²⁻ + H₂O (оксид и слабая кислота записаны в молекулярном виде).
4) 2Li₂S + 3O₂ = 2Li₂O + 2SO₂ (обжиг) — реакция сложного вещества с простым, ОВР.
S⁻² − 6ē → S⁺⁴ | ×2 — восстановитель (S⁻² в Li₂S); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×3 — окислитель (O₂). в) S → ZnS → H₂S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → FeSO₄ → BaSO₄
1) S + Zn = ZnS (при нагревании) — соединение, ОВР. S⁰ + 2ē → S⁻² | ×1 — окислитель (S); Zn⁰ − 2ē → Zn⁺² | ×1 — восстановитель (Zn).
2) ZnS + 2HCl = ZnCl₂ + H₂S↑ — обмен, не ОВР. Ионное: ZnS + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Zn²⁺ + 2Cl⁻ + H₂S↑; сокращённое: ZnS + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂S↑.
3) 2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O (избыток кислорода) — реакция между сложным и простым веществами (не соединение, не разложение и не замещение — обычное «горение»), ОВР. S⁻² − 6ē → S⁺⁴ | ×2 — восстановитель (H₂S); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×3 — окислитель (O₂).
4) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (t, V₂O₅) — соединение, ОВР (баланс — как в пункте а-3).
5) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ — соединение, не ОВР.
6) Fe + H₂SO₄(разб.) = FeSO₄ + H₂↑ — замещение, ОВР. Fe⁰ − 2ē → Fe⁺² | ×1 — восстановитель (Fe); 2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | ×1 — окислитель (H⁺ в H₂SO₄).
7) FeSO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + FeCl₂ — обмен, не ОВР. Ионное: Fe²⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + Fe²⁺ + 2Cl⁻; сокращённое: Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓.
1) 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑ (катализатор MnO₂) — реакция разложения, ОВР.
Электронный баланс: O⁻¹ − 1ē → O⁰ | ×2 (восстановитель); O⁻¹ + 1ē → O⁻² | ×2 (окислитель). Окислитель и восстановитель — пероксид водорода (за счёт атомов кислорода в степени окисления −1).
2) S + O₂ = SO₂ (при горении) — реакция соединения, ОВР.
S⁰ − 4ē → S⁺⁴ | ×1 — восстановитель (S); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×1 — окислитель (O₂).
3) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (t, V₂O₅) — реакция соединения, ОВР.
S⁺⁴ − 2ē → S⁺⁶ | ×2 — восстановитель (SO₂); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×1 — окислитель (O₂).
4) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ — реакция соединения, не ОВР.
5) H₂SO₄ + Mg(OH)₂ = MgSO₄ + 2H₂O — реакция обмена (нейтрализации), не ОВР.
Ионное уравнение: 2H⁺ + SO₄²⁻ + Mg(OH)₂ = Mg²⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O; сокращённое: Mg(OH)₂ + 2H⁺ = Mg²⁺ + 2H₂O (гидроксид магния нерастворим, записан в молекулярном виде). б) KMnO₄ → O₂ → Li₂O → Li₂S → SO₂
1) 2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ (при нагревании) — реакция разложения, ОВР.
Mn⁺⁷ + 1ē → Mn⁺⁶ и Mn⁺⁷ + 3ē → Mn⁺⁴ (всего 4ē приняли два атома Mn); 2O⁻² − 4ē → O₂⁰ | ×1. Окислитель — Mn⁺⁷ (в KMnO₄), восстановитель — O⁻² (в KMnO₄).
2) 4Li + O₂ = 2Li₂O — реакция соединения, ОВР.
Li⁰ − 1ē → Li⁺ | ×4 — восстановитель (Li); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×1 — окислитель (O₂).
3) Li₂O + H₂S = Li₂S + H₂O — реакция обмена, не ОВР. Ионное уравнение: Li₂O + H₂S = 2Li⁺ + S²⁻ + H₂O (оксид и слабая кислота записаны в молекулярном виде).
4) 2Li₂S + 3O₂ = 2Li₂O + 2SO₂ (обжиг) — реакция сложного вещества с простым, ОВР.
S⁻² − 6ē → S⁺⁴ | ×2 — восстановитель (S⁻² в Li₂S); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×3 — окислитель (O₂). в) S → ZnS → H₂S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → FeSO₄ → BaSO₄
1) S + Zn = ZnS (при нагревании) — соединение, ОВР. S⁰ + 2ē → S⁻² | ×1 — окислитель (S); Zn⁰ − 2ē → Zn⁺² | ×1 — восстановитель (Zn).
2) ZnS + 2HCl = ZnCl₂ + H₂S↑ — обмен, не ОВР. Ионное: ZnS + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Zn²⁺ + 2Cl⁻ + H₂S↑; сокращённое: ZnS + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂S↑.
3) 2H₂S + 3O₂ = 2SO₂ + 2H₂O (избыток кислорода) — реакция между сложным и простым веществами (не соединение, не разложение и не замещение — обычное «горение»), ОВР. S⁻² − 6ē → S⁺⁴ | ×2 — восстановитель (H₂S); O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | ×3 — окислитель (O₂).
4) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (t, V₂O₅) — соединение, ОВР (баланс — как в пункте а-3).
5) SO₃ + H₂O = H₂SO₄ — соединение, не ОВР.
6) Fe + H₂SO₄(разб.) = FeSO₄ + H₂↑ — замещение, ОВР. Fe⁰ − 2ē → Fe⁺² | ×1 — восстановитель (Fe); 2H⁺ + 2ē → H₂⁰ | ×1 — окислитель (H⁺ в H₂SO₄).
7) FeSO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + FeCl₂ — обмен, не ОВР. Ионное: Fe²⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + Fe²⁺ + 2Cl⁻; сокращённое: Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓.
§ 13. Примените свои знания.
6. При взаимодействии 3,08 г металла с избытком серы получили 4,2 г сульфида этого металла в степени окисления +2. Какой металл был взят в реакцию?
Дано: m(Me) = 3,08 г; m(MeS) = 4,2 г; степень окисления металла +2.
Найти: металл — ?
Решение:
1) Уравнение реакции: Me + S = MeS.
2) Масса серы, вступившей в реакцию: m(S) = m(MeS) − m(Me) = 4,2 г − 3,08 г = 1,12 г.
3) n(S) = m / M = 1,12 г / 32 г/моль = 0,035 моль.
4) По уравнению n(Me) = n(S) = 0,035 моль.
5) M(Me) = m / n = 3,08 г / 0,035 моль = 88 г/моль.
Молярную массу 88 г/моль имеет стронций (Ar(Sr) = 88).
Ответ: металл — стронций Sr (Sr + S = SrS).
Найти: металл — ?
Решение:
1) Уравнение реакции: Me + S = MeS.
2) Масса серы, вступившей в реакцию: m(S) = m(MeS) − m(Me) = 4,2 г − 3,08 г = 1,12 г.
3) n(S) = m / M = 1,12 г / 32 г/моль = 0,035 моль.
4) По уравнению n(Me) = n(S) = 0,035 моль.
5) M(Me) = m / n = 3,08 г / 0,035 моль = 88 г/моль.
Молярную массу 88 г/моль имеет стронций (Ar(Sr) = 88).
Ответ: металл — стронций Sr (Sr + S = SrS).
§ 13. Примените свои знания.
7. Продукт взаимодействия 0,46 г натрия и 0,85 г серы обработали 35 мл воды, полученную смесь профильтровали. Какое вещество оказалось в растворе и какова его массовая доля?
Дано: m(Na) = 0,46 г; m(S) = 0,85 г; V(H₂O) = 35 мл (m = 35 г, ρ = 1 г/мл).
Найти: вещество в растворе — ?; w(вещества) — ?
Решение:
1) 2Na + S = Na₂S.
2) n(Na) = 0,46 г / 23 г/моль = 0,02 моль; n(S) = 0,85 г / 32 г/моль ≈ 0,0266 моль.
По уравнению на 0,02 моль Na нужно 0,01 моль S, т. е. сера взята в избытке (недостаток — натрий). Расчёт ведём по натрию.
3) n(Na₂S) = ½ n(Na) = 0,01 моль; m(Na₂S) = 0,01 моль · 78 г/моль = 0,78 г (M(Na₂S) = 2·23 + 32 = 78 г/моль).
4) Непрореагировавшая сера (0,85 г − 0,01 моль · 32 г/моль = 0,85 г − 0,32 г = 0,53 г) в воде не растворяется и остаётся на фильтре.
5) Масса раствора: m(р-ра) = m(H₂O) + m(Na₂S) = 35 г + 0,78 г = 35,78 г.
6) w(Na₂S) = 0,78 г / 35,78 г ≈ 0,0218, или 2,18 %.
Ответ: в растворе сульфид натрия Na₂S, w(Na₂S) ≈ 2,18 %; избыток серы (0,53 г) отфильтрован.
Оговорка: гидролиз сульфида натрия при расчёте не учитывался.
Найти: вещество в растворе — ?; w(вещества) — ?
Решение:
1) 2Na + S = Na₂S.
2) n(Na) = 0,46 г / 23 г/моль = 0,02 моль; n(S) = 0,85 г / 32 г/моль ≈ 0,0266 моль.
По уравнению на 0,02 моль Na нужно 0,01 моль S, т. е. сера взята в избытке (недостаток — натрий). Расчёт ведём по натрию.
3) n(Na₂S) = ½ n(Na) = 0,01 моль; m(Na₂S) = 0,01 моль · 78 г/моль = 0,78 г (M(Na₂S) = 2·23 + 32 = 78 г/моль).
4) Непрореагировавшая сера (0,85 г − 0,01 моль · 32 г/моль = 0,85 г − 0,32 г = 0,53 г) в воде не растворяется и остаётся на фильтре.
5) Масса раствора: m(р-ра) = m(H₂O) + m(Na₂S) = 35 г + 0,78 г = 35,78 г.
6) w(Na₂S) = 0,78 г / 35,78 г ≈ 0,0218, или 2,18 %.
Ответ: в растворе сульфид натрия Na₂S, w(Na₂S) ≈ 2,18 %; избыток серы (0,53 г) отфильтрован.
Оговорка: гидролиз сульфида натрия при расчёте не учитывался.
§ 13. Используйте дополнительную информацию.
8. Используя дополнительные источники информации, расскажите о происхождении названий и истории открытия халькогенов.
Название группы «халькогены» происходит от греческих слов chalkos — медь и genos — рождающий: «рождающие руды» (многие медные руды — оксиды и сульфиды).
Кислород открыли независимо К. Шееле (около 1772 г.) и Дж. Пристли (1774 г.); А. Лавуазье объяснил его роль в горении и дал название oxygenium — «рождающий кислоты» (от греч. oxys — кислый и genos).
Сера известна с глубокой древности: её применяли для окуривания, в пиротехнике, в составе «греческого огня». Латинское sulfur, возможно, восходит к санскритскому слову со значением «светло-жёлтый»; русское название связано со словом «сера» (горючая). Лавуазье в 1789 г. отнёс серу к простым веществам.
Селен открыл в 1817 г. шведский химик Й. Я. Берцелиус в шламе сернокислотного производства; назван по греч. selene — Луна (рядом с теллуром, названным в честь Земли).
Теллур в 1782 г. обнаружил Ф. Мюллер фон Райхенштейн в золотых рудах Трансильвании; в 1798 г. М. Клапрот подтвердил открытие и назвал элемент по лат. tellus — Земля.
Полоний открыли в 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в урановой смоле; назван в честь родины Марии — Польши (лат. Polonia).
Ливерморий (Lv, № 116) синтезирован в 2000 г. в Дубне (Россия) совместно с Ливерморской национальной лабораторией (США), от неё и получил название.
Кислород открыли независимо К. Шееле (около 1772 г.) и Дж. Пристли (1774 г.); А. Лавуазье объяснил его роль в горении и дал название oxygenium — «рождающий кислоты» (от греч. oxys — кислый и genos).
Сера известна с глубокой древности: её применяли для окуривания, в пиротехнике, в составе «греческого огня». Латинское sulfur, возможно, восходит к санскритскому слову со значением «светло-жёлтый»; русское название связано со словом «сера» (горючая). Лавуазье в 1789 г. отнёс серу к простым веществам.
Селен открыл в 1817 г. шведский химик Й. Я. Берцелиус в шламе сернокислотного производства; назван по греч. selene — Луна (рядом с теллуром, названным в честь Земли).
Теллур в 1782 г. обнаружил Ф. Мюллер фон Райхенштейн в золотых рудах Трансильвании; в 1798 г. М. Клапрот подтвердил открытие и назвал элемент по лат. tellus — Земля.
Полоний открыли в 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в урановой смоле; назван в честь родины Марии — Польши (лат. Polonia).
Ливерморий (Lv, № 116) синтезирован в 2000 г. в Дубне (Россия) совместно с Ливерморской национальной лабораторией (США), от неё и получил название.
§ 13. Используйте дополнительную информацию.
9. «Химической энциклопедией» можно назвать роман Жюля Верна «Таинственный остров». Найдите в романе отрывок, в котором упоминается производство одного из соединений серы.
В романе колонисты острова Линкольна во главе с инженером Сайресом Смитом, чтобы добыть нитроглицерин для взрыва скалы, вырабатывают серную кислоту. В описании этого эпизода говорится о том, что для получения серной кислоты нужна сера, которую берут из серного колчедана (пирита FeS₂), обильно встречающегося на острове. Колчедан обжигают, при этом получается сернистый газ SO₂, который затем окисляют и растворяют в воде; Смит подробно объясняет спутникам, что серная кислота нужна для получения азотной кислоты из селитры, а затем и нитроглицерина (смесь серной и азотной кислот с глицерином).
Схема производства в современной записи:
4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂
2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃
SO₃ + H₂O = H₂SO₄
Оговорка: точные слова и номер главы (вторая часть романа, эпизод изготовления нитроглицерина) нужно проверить по тексту книги; здесь дан пересказ.
Схема производства в современной записи:
4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂
2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃
SO₃ + H₂O = H₂SO₄
Оговорка: точные слова и номер главы (вторая часть романа, эпизод изготовления нитроглицерина) нужно проверить по тексту книги; здесь дан пересказ.
§ 14. Вопрос в начале параграфа. В сероводороде и сульфидах сера имеет минимальную степень окисления −2, следовательно, эти соединения проявляют в химических реакциях только восстановительные свойства. В какие реакции вступают сероводород и сульфиды?
Сероводород и сульфиды вступают в реакции, где сера S⁻² отдаёт электроны и окисляется (до S⁰, S⁺⁴ или S⁺⁶):
1) с кислородом: 2H₂S + O₂(недостаток) = 2S↓ + 2H₂O; 2H₂S + 3O₂(избыток) = 2SO₂ + 2H₂O; обжиг сульфидов 2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑;
2) с другими окислителями: H₂S + Br₂ = S↓ + 2HBr; 2H₂S + SO₂ = 3S↓ + 2H₂O; H₂S + 3H₂SO₄(конц.) = 4SO₂↑ + 4H₂O; H₂S + 8HNO₃(конц.) = H₂SO₄ + 8NO₂↑ + 4H₂O.
Кроме того, сероводородная кислота (слабая) вступает в обычные реакции кислот: со щелочами (H₂S + 2NaOH = Na₂S + 2H₂O) и растворимыми солями с образованием нерастворимых сульфидов (H₂S + Pb(NO₃)₂ = PbS↓ + 2HNO₃); сульфиды получают также взаимодействием металлов с серой.
1) с кислородом: 2H₂S + O₂(недостаток) = 2S↓ + 2H₂O; 2H₂S + 3O₂(избыток) = 2SO₂ + 2H₂O; обжиг сульфидов 2ZnS + 3O₂ = 2ZnO + 2SO₂↑;
2) с другими окислителями: H₂S + Br₂ = S↓ + 2HBr; 2H₂S + SO₂ = 3S↓ + 2H₂O; H₂S + 3H₂SO₄(конц.) = 4SO₂↑ + 4H₂O; H₂S + 8HNO₃(конц.) = H₂SO₄ + 8NO₂↑ + 4H₂O.
Кроме того, сероводородная кислота (слабая) вступает в обычные реакции кислот: со щелочами (H₂S + 2NaOH = Na₂S + 2H₂O) и растворимыми солями с образованием нерастворимых сульфидов (H₂S + Pb(NO₃)₂ = PbS↓ + 2HNO₃); сульфиды получают также взаимодействием металлов с серой.