Глава III. Неметаллы и их соединения. § 15. Кислородные соединения серы — с. 85
§ 15. Лабораторный опыт 34. В одну пробирку налейте 2 мл раствора сульфата натрия, в другую — 2 мл раствора серной кислоты. Затем прилейте в каждую пробирку по 1 мл раствора хлорида бария. Что наблюдаете?
Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций.
Наблюдения. В обеих пробирках сразу выпадает белый мелкокристаллический осадок сульфата бария; мутная смесь по виду напоминает молоко и долго не оседает. Осадок не растворяется при добавлении кислоты.
Уравнения реакций.
1) Сульфат натрия и хлорид бария:
Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2NaCl
2Na⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻
Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
2) Серная кислота и хлорид бария:
H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl
2H⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + 2H⁺ + 2Cl⁻
Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
Вывод. В обоих случаях сокращённое ионное уравнение одно и то же: белый нерастворимый в кислотах осадок образуют ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻. Поэтому раствор хлорида (или нитрата) бария — реактив на сульфат-ион, т. е. на серную кислоту и её растворимые соли.
Уравнения реакций.
1) Сульфат натрия и хлорид бария:
Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2NaCl
2Na⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻
Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
2) Серная кислота и хлорид бария:
H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl
2H⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + 2H⁺ + 2Cl⁻
Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
Вывод. В обоих случаях сокращённое ионное уравнение одно и то же: белый нерастворимый в кислотах осадок образуют ионы Ba²⁺ и SO₄²⁻. Поэтому раствор хлорида (или нитрата) бария — реактив на сульфат-ион, т. е. на серную кислоту и её растворимые соли.
§ 15. Проверьте свои знания.
1. Дайте сравнительную характеристику оксидов серы в степенях окисления +4 и +6. Свой ответ проиллюстрируйте уравнениями химических реакций в молекулярной и ионной формах.
1. Дайте сравнительную характеристику оксидов серы в степенях окисления +4 и +6. Свой ответ проиллюстрируйте уравнениями химических реакций в молекулярной и ионной формах.
Оксид серы(IV) SO₂ — бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде. Оксид серы(VI) SO₃ — бесцветная жидкость. Оба — кислотные оксиды, но кислотные свойства сильнее выражены у SO₃ (ему соответствует сильная серная кислота, SO₂ — кислота средней силы H₂SO₃).
1) Реакция с водой:
SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃
SO₃ + H₂O = H₂SO₄
2) Реакция с основными оксидами:
SO₂ + CaO = CaSO₃
SO₃ + CaO = CaSO₄
3) Реакция со щелочами:
SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O; SO₂ + 2OH⁻ = SO₃²⁻ + H₂O
SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O; SO₃ + 2OH⁻ = SO₄²⁻ + H₂O
4) Окислительно-восстановительные свойства. В SO₂ сера имеет промежуточную степень окисления +4, поэтому SO₂ проявляет и восстановительные свойства (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ при t, V₂O₅; SO₂ + Cl₂ = SO₂Cl₂), и слабые окислительные (SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O). В SO₃ сера в высшей степени окисления +6, поэтому SO₃ может быть только окислителем.
Применение: SO₂ — отбеливание, дезинфекция, консервирование; SO₃ — получение серной кислоты.
1) Реакция с водой:
SO₂ + H₂O ⇄ H₂SO₃
SO₃ + H₂O = H₂SO₄
2) Реакция с основными оксидами:
SO₂ + CaO = CaSO₃
SO₃ + CaO = CaSO₄
3) Реакция со щелочами:
SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O; SO₂ + 2OH⁻ = SO₃²⁻ + H₂O
SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O; SO₃ + 2OH⁻ = SO₄²⁻ + H₂O
4) Окислительно-восстановительные свойства. В SO₂ сера имеет промежуточную степень окисления +4, поэтому SO₂ проявляет и восстановительные свойства (2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ при t, V₂O₅; SO₂ + Cl₂ = SO₂Cl₂), и слабые окислительные (SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O). В SO₃ сера в высшей степени окисления +6, поэтому SO₃ может быть только окислителем.
Применение: SO₂ — отбеливание, дезинфекция, консервирование; SO₃ — получение серной кислоты.
§ 15. Проверьте свои знания.
2. Дайте характеристику сернистой кислоты и её солей. Как распознать сульфит-ион?
Сернистая кислота H₂SO₃ — кислота средней силы, существует только в разбавленных водных растворах; при нагревании и попытке выделить её разлагается: H₂SO₃ = SO₂↑ + H₂O. Проявляет сильные восстановительные свойства, применяется для отбеливания.
Соли — сульфиты. Большинство малорастворимо или нерастворимо в воде, растворимы лишь сульфиты щелочных металлов и аммония. Сильные кислоты вытесняют из сульфитов сернистую кислоту, распадающуюся на SO₂ и воду: Na₂SO₃ + 2HCl = 2NaCl + SO₂↑ + H₂O. Сульфиты — сильные восстановители: Na₂SO₃ + Cl₂ + H₂O = Na₂SO₄ + 2HCl.
Качественная реакция на сульфит-ион — действие растворимой соли бария: белый осадок сульфита бария, растворимый в соляной и азотной кислотах с выделением SO₂ (запах горящей серы):
BaCl₂ + Na₂SO₃ = BaSO₃↓ + 2NaCl; Ba²⁺ + SO₃²⁻ = BaSO₃↓
BaSO₃ + 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ + SO₂↑ + H₂O. Распознать сульфит можно и просто добавлением сильной кислоты — по выделению газа с резким запахом.
Соли — сульфиты. Большинство малорастворимо или нерастворимо в воде, растворимы лишь сульфиты щелочных металлов и аммония. Сильные кислоты вытесняют из сульфитов сернистую кислоту, распадающуюся на SO₂ и воду: Na₂SO₃ + 2HCl = 2NaCl + SO₂↑ + H₂O. Сульфиты — сильные восстановители: Na₂SO₃ + Cl₂ + H₂O = Na₂SO₄ + 2HCl.
Качественная реакция на сульфит-ион — действие растворимой соли бария: белый осадок сульфита бария, растворимый в соляной и азотной кислотах с выделением SO₂ (запах горящей серы):
BaCl₂ + Na₂SO₃ = BaSO₃↓ + 2NaCl; Ba²⁺ + SO₃²⁻ = BaSO₃↓
BaSO₃ + 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ + SO₂↑ + H₂O. Распознать сульфит можно и просто добавлением сильной кислоты — по выделению газа с резким запахом.
§ 15. Проверьте свои знания.
3. Дайте характеристику серной кислоты и её солей. Как распознать сульфат-ион?
Серная кислота H₂SO₄ — бесцветная вязкая маслянистая жидкость, смешивается с водой в любых отношениях, сильная двухосновная кислота; один из важнейших продуктов химической промышленности. В разбавленном растворе — сильный электролит, проявляет общие свойства кислот (действует на индикаторы, реагирует с металлами до водорода, основными оксидами, основаниями, солями). Концентрированная кислота — водоотнимающее средство и сильный окислитель за счёт S⁺⁶.
Соли — сульфаты (средние) и гидросульфаты (кислые). Большинство сульфатов растворимо в воде; нерастворимы BaSO₄, PbSO₄, малорастворим CaSO₄. Многие образуют кристаллогидраты: CuSO₄·5H₂O, FeSO₄·7H₂O, Na₂SO₄·10H₂O.
Качественная реакция на сульфат-ион — раствор хлорида или нитрата бария: выпадает белый осадок BaSO₄, нерастворимый в кислотах.
H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl
Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
Соли — сульфаты (средние) и гидросульфаты (кислые). Большинство сульфатов растворимо в воде; нерастворимы BaSO₄, PbSO₄, малорастворим CaSO₄. Многие образуют кристаллогидраты: CuSO₄·5H₂O, FeSO₄·7H₂O, Na₂SO₄·10H₂O.
Качественная реакция на сульфат-ион — раствор хлорида или нитрата бария: выпадает белый осадок BaSO₄, нерастворимый в кислотах.
H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl
Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
§ 15. Проверьте свои знания.
4. Почему свойства разбавленной и концентрированной серной кислоты различаются?
Причина — в различной природе частиц, определяющих свойства. В разбавленном водном растворе серная кислота почти полностью диссоциирует: H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻. Свойства раствора определяются катионами водорода H⁺: он реагирует с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода (Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑), и окислителем служат ионы H⁺.
В концентрированной кислоте воды мало, молекул H₂SO₄ много, диссоциация почти не идёт. Окислителем выступают атомы серы в высшей степени окисления +6, поэтому кислота реагирует и с металлами после водорода (Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O), а продуктами восстановления являются SO₂, S или H₂S, но не водород. Кроме того, концентрированная кислота — сильное водоотнимающее средство (обугливает бумагу, древесину), а Al, Fe, Cr она пассивирует.
В концентрированной кислоте воды мало, молекул H₂SO₄ много, диссоциация почти не идёт. Окислителем выступают атомы серы в высшей степени окисления +6, поэтому кислота реагирует и с металлами после водорода (Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O), а продуктами восстановления являются SO₂, S или H₂S, но не водород. Кроме того, концентрированная кислота — сильное водоотнимающее средство (обугливает бумагу, древесину), а Al, Fe, Cr она пассивирует.
§ 15. Проверьте свои знания.
5. Какое правило должно соблюдаться при разбавлении серной кислоты?
Серную кислоту нужно приливать в воду тонкой струйкой при перемешивании, а не наоборот. При растворении серной кислоты в воде выделяется большое количество теплоты. Если воду влить в кислоту, то более лёгкая вода останется на поверхности, сильно разогреется, закипит и разбрызгает едкую кислоту, что может вызвать тяжёлые ожоги. Мнемоническое правило с плаката: «При разбавлении серной кислоты лей кислоту в воду».
§ 15. Примените свои знания.
6. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
а) S → SO₂ → SO₃ → Na₂SO₄ → BaSO₄
б) H₂SO₄ → SO₂ → K₂SO₃ → MgSO₃ → SO₂
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения, а в уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
а) S → SO₂ → SO₃ → Na₂SO₄ → BaSO₄
б) H₂SO₄ → SO₂ → K₂SO₃ → MgSO₃ → SO₂
Для реакций, протекающих в растворах, запишите ионные уравнения, а в уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.
а)
1) S + O₂ = SO₂ (при нагревании, горение)
S⁰ − 4ē → S⁺⁴ | 1 — окисление, S — восстановитель
O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | 1 — восстановление, O₂ — окислитель
2) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (t, V₂O₅)
S⁺⁴ − 2ē → S⁺⁶ | 2 — SO₂ (за счёт S⁺⁴) — восстановитель
O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | 1 — O₂ — окислитель
3) SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O (реакция в растворе)
SO₃ + 2Na⁺ + 2OH⁻ = 2Na⁺ + SO₄²⁻ + H₂O; SO₃ + 2OH⁻ = SO₄²⁻ + H₂O
4) Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2NaCl
2Na⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
б)
1) Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
Cu⁰ − 2ē → Cu⁺² | 1 — Cu — восстановитель
S⁺⁶ + 2ē → S⁺⁴ | 1 — H₂SO₄ (за счёт S⁺⁶) — окислитель
2) SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O
SO₂ + 2K⁺ + 2OH⁻ = 2K⁺ + SO₃²⁻ + H₂O; SO₂ + 2OH⁻ = SO₃²⁻ + H₂O
3) K₂SO₃ + MgCl₂ = MgSO₃↓ + 2KCl
2K⁺ + SO₃²⁻ + Mg²⁺ + 2Cl⁻ = MgSO₃↓ + 2K⁺ + 2Cl⁻; Mg²⁺ + SO₃²⁻ = MgSO₃↓
4) MgSO₃ + 2HCl = MgCl₂ + SO₂↑ + H₂O
MgSO₃ + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Mg²⁺ + 2Cl⁻ + SO₂↑ + H₂O; MgSO₃ + 2H⁺ = Mg²⁺ + SO₂↑ + H₂O
1) S + O₂ = SO₂ (при нагревании, горение)
S⁰ − 4ē → S⁺⁴ | 1 — окисление, S — восстановитель
O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | 1 — восстановление, O₂ — окислитель
2) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (t, V₂O₅)
S⁺⁴ − 2ē → S⁺⁶ | 2 — SO₂ (за счёт S⁺⁴) — восстановитель
O₂⁰ + 4ē → 2O⁻² | 1 — O₂ — окислитель
3) SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O (реакция в растворе)
SO₃ + 2Na⁺ + 2OH⁻ = 2Na⁺ + SO₄²⁻ + H₂O; SO₃ + 2OH⁻ = SO₄²⁻ + H₂O
4) Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2NaCl
2Na⁺ + SO₄²⁻ + Ba²⁺ + 2Cl⁻ = BaSO₄↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻; Ba²⁺ + SO₄²⁻ = BaSO₄↓
б)
1) Cu + 2H₂SO₄(конц.) = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O
Cu⁰ − 2ē → Cu⁺² | 1 — Cu — восстановитель
S⁺⁶ + 2ē → S⁺⁴ | 1 — H₂SO₄ (за счёт S⁺⁶) — окислитель
2) SO₂ + 2KOH = K₂SO₃ + H₂O
SO₂ + 2K⁺ + 2OH⁻ = 2K⁺ + SO₃²⁻ + H₂O; SO₂ + 2OH⁻ = SO₃²⁻ + H₂O
3) K₂SO₃ + MgCl₂ = MgSO₃↓ + 2KCl
2K⁺ + SO₃²⁻ + Mg²⁺ + 2Cl⁻ = MgSO₃↓ + 2K⁺ + 2Cl⁻; Mg²⁺ + SO₃²⁻ = MgSO₃↓
4) MgSO₃ + 2HCl = MgCl₂ + SO₂↑ + H₂O
MgSO₃ + 2H⁺ + 2Cl⁻ = Mg²⁺ + 2Cl⁻ + SO₂↑ + H₂O; MgSO₃ + 2H⁺ = Mg²⁺ + SO₂↑ + H₂O
§ 15. Примените свои знания.
7. Массовые доли химических элементов в соли составляют: калий — 49,4 %, сера — 20,2 %, кислород — 30,4 %. Определите формулу соли, назовите её.
Дано: w(K) = 49,4 %; w(S) = 20,2 %; w(O) = 30,4 %.
Найти: формулу соли.
Решение. Берём 100 г соли: m(K) = 49,4 г, m(S) = 20,2 г, m(O) = 30,4 г.
n(K) = 49,4 : 39 = 1,267 моль; n(S) = 20,2 : 32 = 0,631 моль; n(O) = 30,4 : 16 = 1,9 моль.
n(K) : n(S) : n(O) = 1,267 : 0,631 : 1,9 = 2 : 1 : 3 (делим на наименьшее 0,631).
Формула K₂SO₃. Проверка: M = 2·39 + 32 + 3·16 = 158 г/моль; w(K) = 78 : 158 = 49,4 %.
Ответ: K₂SO₃ — сульфит калия (соль сернистой кислоты).
Найти: формулу соли.
Решение. Берём 100 г соли: m(K) = 49,4 г, m(S) = 20,2 г, m(O) = 30,4 г.
n(K) = 49,4 : 39 = 1,267 моль; n(S) = 20,2 : 32 = 0,631 моль; n(O) = 30,4 : 16 = 1,9 моль.
n(K) : n(S) : n(O) = 1,267 : 0,631 : 1,9 = 2 : 1 : 3 (делим на наименьшее 0,631).
Формула K₂SO₃. Проверка: M = 2·39 + 32 + 3·16 = 158 г/моль; w(K) = 78 : 158 = 49,4 %.
Ответ: K₂SO₃ — сульфит калия (соль сернистой кислоты).
§ 15. Примените свои знания.
8. В 1960 г 5%-ного раствора серной кислоты растворили 2,24 л аммиака (н. у.). Рассчитайте массовую долю соли в полученном растворе.
Дано: m(р-ра H₂SO₄) = 1960 г; w(H₂SO₄) = 5 %; V(NH₃) = 2,24 л (н. у.).
Найти: w(соли) в растворе.
Решение.
m(H₂SO₄) = 1960 · 0,05 = 98 г; n(H₂SO₄) = 98 : 98 = 1 моль.
n(NH₃) = 2,24 : 22,4 = 0,1 моль; m(NH₃) = 0,1 · 17 = 1,7 г.
Аммиак в недостатке, кислота в избытке (1 моль против 0,1 моль), поэтому образуется кислая соль — гидросульфат аммония:
NH₃ + H₂SO₄ = NH₄HSO₄
n(NH₄HSO₄) = n(NH₃) = 0,1 моль; M(NH₄HSO₄) = 14 + 5 + 32 + 64 = 115 г/моль; m(соли) = 0,1 · 115 = 11,5 г.
m(р-ра) = 1960 + 1,7 = 1961,7 г.
w(NH₄HSO₄) = 11,5 : 1961,7 · 100 % = 0,586 %.
Ответ: w(NH₄HSO₄) ≈ 0,586 %.
Найти: w(соли) в растворе.
Решение.
m(H₂SO₄) = 1960 · 0,05 = 98 г; n(H₂SO₄) = 98 : 98 = 1 моль.
n(NH₃) = 2,24 : 22,4 = 0,1 моль; m(NH₃) = 0,1 · 17 = 1,7 г.
Аммиак в недостатке, кислота в избытке (1 моль против 0,1 моль), поэтому образуется кислая соль — гидросульфат аммония:
NH₃ + H₂SO₄ = NH₄HSO₄
n(NH₄HSO₄) = n(NH₃) = 0,1 моль; M(NH₄HSO₄) = 14 + 5 + 32 + 64 = 115 г/моль; m(соли) = 0,1 · 115 = 11,5 г.
m(р-ра) = 1960 + 1,7 = 1961,7 г.
w(NH₄HSO₄) = 11,5 : 1961,7 · 100 % = 0,586 %.
Ответ: w(NH₄HSO₄) ≈ 0,586 %.
§ 15. Примените свои знания.
9. Железную пластинку погрузили в раствор сульфата меди(II). Через некоторое время масса пластинки увеличилась на 0,4 г. Вычислите массу меди, выделившейся на пластинке.
Дано: Δm(пластинки) = +0,4 г.
Найти: m(Cu).
Решение. Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓
Fe + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu
На 1 моль растворившегося железа (56 г) выделяется 1 моль меди (64 г), масса пластинки растёт на 64 − 56 = 8 г.
Пусть выделилось x моль меди; тогда 8x = 0,4; x = 0,05 моль.
m(Cu) = 0,05 · 64 = 3,2 г.
Ответ: на пластинке выделилось 3,2 г меди.
Найти: m(Cu).
Решение. Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓
Fe + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu
На 1 моль растворившегося железа (56 г) выделяется 1 моль меди (64 г), масса пластинки растёт на 64 − 56 = 8 г.
Пусть выделилось x моль меди; тогда 8x = 0,4; x = 0,05 моль.
m(Cu) = 0,05 · 64 = 3,2 г.
Ответ: на пластинке выделилось 3,2 г меди.