Кислород и сера

Определение. Кислород и сера

Кислород (O) и сера (S) — элементы VIA группы (16 группа) периодической таблицы. На внешнем уровне у них 6 электронов (ns²np⁴). Кислород — самый распространённый элемент на Земле, сера — важный элемент для промышленности.

Положение в периодической системе

Элементы VIA группы: кислород (O), сера (S), селен (Se), теллур (Te), полоний (Po). Электронная конфигурация: ns²np⁴.

Элемент	Символ	Z	Электронная конфигурация
Кислород	O	8	1s²2s²2p⁴
Сера	S	16	1s²2s²2p⁶3s²3p⁴

Аллотропия кислорода

Кислород образует две аллотропные модификации:

Модификация	Формула	Свойства
Кислород	O₂	Газ без цвета и запаха, поддерживает горение и дыхание
Озон	O₃	Газ с резким запахом, сильный окислитель, защищает от УФ-излучения

$3O_2 \xrightarrow{разряд} 2O_3$

Озон образуется из кислорода под действием электрического разряда (гроза) или УФ-излучения.

Аллотропия серы

Сера образует несколько аллотропных модификаций:

Модификация	Цвет	Кристаллическая решётка	Устойчивость
Ромбическая (α-S)	Жёлтая	Ромбическая	Устойчива ниже 96°C
Моноклинная (β-S)	Бледно-жёлтая	Игольчатая	Устойчива 96–119°C
Пластическая	Коричневая	Аморфная	Неустойчива, со временем переходит в ромбическую

Химические свойства кислорода

Кислород — сильный окислитель. Реагирует с большинством элементов:

Горение простых веществ

$C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2$

$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$

$4P + 5O_2 \xrightarrow{t} 2P_2O_5$

$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4$

Горение сложных веществ

$CH_4 + 2O_2 \xrightarrow{t} CO_2 + 2H_2O$

$2H_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2SO_2 + 2H_2O$

Химические свойства серы

Сера реагирует с металлами и неметаллами:

С металлами (образуются сульфиды)

$Fe + S \xrightarrow{t} FeS$

$2Al + 3S \xrightarrow{t} Al_2S_3$

$Cu + S \xrightarrow{t} CuS$

С неметаллами

$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$

$S + H_2 \xrightarrow{t} H_2S$

Цепочка получения серной кислоты

Промышленный способ получения серной кислоты:

$S \xrightarrow{O_2} SO_2 \xrightarrow{O_2, V_2O_5} SO_3 \xrightarrow{H_2O} H_2SO_4$

Стадия 1: Обжиг серы

$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$

Стадия 2: Окисление SO₂ до SO₃

$2SO_2 + O_2 \xrightarrow{V_2O_5, 450°C} 2SO_3$

Стадия 3: Получение серной кислоты

$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

Свойства серной кислоты

Физические свойства

Свойство	Значение
Формула	H₂SO₄
Состояние	Маслянистая жидкость
Цвет	Бесцветная
Плотность	1,84 г/см³
Температура кипения	337°C
Гигроскопичность	Сильная (поглощает влагу)

Химические свойства

Разбавленная серная кислота проявляет общие свойства кислот:

$H_2SO_4 + Zn \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$

$H_2SO_4 + CuO \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Концентрированная серная кислота — сильный окислитель:

$Cu + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

$C + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$

Соединения серы

Сероводород (H₂S)

$H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S$

Газ с запахом тухлых яиц, ядовит, хорошо растворим в воде.

Сульфиды

Соли сероводородной кислоты:

$Na_2S, FeS, CuS, ZnS$

Сульфаты

Соли серной кислоты:

$Na_2SO_4, CaSO_4, BaSO_4, CuSO_4 \cdot 5H_2O$

Качественная реакция на сульфат-ион:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Белый осадок, нерастворимый в кислотах.

Применение

Кислород

• Дыхание (медицина, авиация, подводные аппараты)
• Сварка и резка металлов
• Окисление в химической промышленности
• Ракетное топливо (окислитель)

Сера и её соединения

• Производство серной кислоты (важнейший продукт химпрома)
• Вулканизация каучука
• Серная мазь (медицина)
• Удобрения (сульфаты)
• Отбеливание бумаги и тканей (SO₂)

Пример 1. Цепочка превращений серы

Осуществите превращения: S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → CuSO₄

Дано: S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ → CuSO₄

Формула: S + O₂ → SO₂; 2SO₂ + O₂ → 2SO₃; SO₃ + H₂O → H₂SO₄; H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O

Подстановка: 1) S + O₂ → SO₂ (горение серы). 2) 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ (катализатор V₂O₅). 3) SO₃ + H₂O → H₂SO₄. 4) H₂SO₄ + CuO → CuSO₄ + H₂O.

Ответ: Цепочка завершена, получен сульфат меди(II).

Пример 2. Качественная реакция на сульфат-ион

Как определить, что в растворе присутствуют сульфат-ионы?

Дано: Раствор, предположительно содержащий SO₄²⁻

Формула: BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl (Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓)

Подстановка: Добавляем раствор хлорида бария. Выпадает белый осадок BaSO₄, нерастворимый в кислотах.

Ответ: Белый осадок BaSO₄ подтверждает наличие сульфат-ионов.

Важно!

⚠️ Серная кислота — опасное вещество! Концентрированная серная кислота вызывает сильные химические ожоги. При разбавлении всегда лейте кислоту в воду (не наоборот!), так как реакция идёт с выделением большого количества тепла.

⚠️ Сероводород (H₂S) — ядовит! Газ с запахом тухлых яиц. При высоких концентрациях парализует обоняние и вызывает отравление. Работать только в вытяжном шкафу!

⚠️ Озон (O₃) — токсичен! Хотя озон защищает нас в стратосфере, в приземном слое он ядовит и вызывает раздражение дыхательных путей.