Сера проявляет в соединениях степени окисления от −2 до +6, и поэтому её соединения встречаются в окислительно-восстановительных реакциях на любых ролях: сероводород и сульфиды — восстановители, концентрированная серная кислота — окислитель, сера, сернистый газ и сульфиты — и то и другое. Если понимать, как степень окисления определяет роль и продукты, большую часть уравнений можно вывести, а не заучивать.
В статье — лестница степеней окисления серы, сероводород и сульфиды как восстановители, сера как окислитель и восстановитель, сернистый газ и сульфиты, тиосульфат, концентрированная серная кислота с металлами, неметаллами и восстановителями, ловушки, а для олимпиадников — пероксодисульфаты, политионаты, иодометрия и пирит. В конце — двенадцать заданий с разбором, два из них олимпиадные. Все уравнения и балансы проверены.
- Лестница степеней окисления
- Сера −2: сероводород и сульфиды
- Сера 0: простое вещество
- Сера +4: сернистый газ и сульфиты
- Тиосульфат
- Сера +6: концентрированная серная кислота
- Ловушки
- Для олимпиад
- Задания с разбором
Лестница степеней окисления
| Степень окисления | Вещества | Роль в ОВР | Во что обычно превращается |
|---|---|---|---|
| −2 | H2S, Na2S, FeS, CuS | Только восстановитель | В S (мягкие окислители), SO2 (кислород, горение), H2SO4 или сульфат (сильные окислители в избытке) |
| 0 | S | Окислитель и восстановитель | С металлами и водородом — в −2; с кислородом и кислотами-окислителями — в +4 или +6 |
| +4 | SO2, H2SO3, Na2SO3, NaHSO3 | Чаще восстановитель, с сильными восстановителями — окислитель | В +6 (сульфат) или в 0 (с H2S) |
| +6 | H2SO4(конц.), SO3 | Только окислитель | В SO2, S или H2S — чем активнее восстановитель, тем глубже |
Сульфат-ион в разбавленном растворе окислителем не служит: окислительные свойства проявляет только концентрированная серная кислота. Поэтому разбавленную H2SO4 используют как среду в ОВР.
Сера −2: сероводород и сульфиды
Кислород. При горении в избытке кислорода сероводород даёт сернистый газ, при недостатке кислорода или медленном окислении на воздухе — серу (сероводородная вода на воздухе мутнеет):
2H2S + 3O2 t° 2SO2 + 2H2O
2H2S + O2 = 2S↓ + 2H2O
Перманганат и дихромат в кислой среде окисляют сероводород до серы:
5H2S + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5S↓ + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
3H2S + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = 3S↓ + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
Азотная кислота: концентрированная окисляет серу −2 до +6, разбавленная — до серы:
H2S + 8HNO3(конц.) = H2SO4 + 8NO2↑ + 4H2O
3H2S + 2HNO3(разб.) = 3S↓ + 2NO↑ + 4H2O
Галогены и железо(III) окисляют сероводород до серы; бромная вода в большом избытке может окислить его и до серной кислоты:
H2S + Br2 = S↓ + 2HBr
H2S + 4Br2 + 4H2O = H2SO4 + 8HBr
2FeCl3 + H2S = 2FeCl2 + S↓ + 2HCl
Концентрированная серная кислота окисляет сероводород до серы, а сама восстанавливается до SO2 — поэтому сероводород нельзя сушить концентрированной серной кислотой:
H2S + H2SO4(конц.) = S↓ + SO2↑ + 2H2O
Сульфиды металлов окисляются так же: сульфид-ион ведёт себя как сероводород. Подробно о сульфидах — в статье «Сульфиды, нерастворимые в кислотах».
Сера 0: простое вещество
Как окислитель сера реагирует с металлами и водородом при нагревании. С ртутью — даже без нагревания: на этом основано обезвреживание пролитой ртути (демеркуризация) порошком серы.
Fe + S t° FeS
2Al + 3S t° Al2S3
H2 + S t° H2S
Hg + S = HgS
Как восстановитель сера горит в кислороде и окисляется кислотами-окислителями. Обратите внимание: в кислороде сера сгорает только до SO2, а не до SO3.
S + O2 t° SO2
S + 6HNO3(конц.) t° H2SO4 + 6NO2↑ + 2H2O
S + 2H2SO4(конц.) t° 3SO2↑ + 2H2O
S + 3F2 = SF6
Диспропорционирование в горячей концентрированной щёлочи:
3S + 6KOH t° 2K2S + K2SO3 + 3H2O
Подробнее о реакциях этого типа — в статье «Диспропорционирование и конпропорционирование».
Сера +4: сернистый газ и сульфиты
Как восстановитель (главная роль) сера +4 окисляется до +6:
5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O = 2MnSO4 + K2SO4 + 2H2SO4
SO2 + Br2 + 2H2O = H2SO4 + 2HBr
SO2 + I2 + 2H2O = H2SO4 + 2HI
2SO2 + O2 V2O5, t° 2SO3
3Na2SO3 + K2Cr2O7 + 4H2SO4 = 3Na2SO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 4H2O
Обесцвечивание бромной воды и раствора перманганата — способ обнаружить сернистый газ. Окисление SO2 до SO3 на ванадиевом катализаторе — главная стадия промышленного получения серной кислоты. Продукты восстановления перманганата сульфитом в разных средах разобраны в статье «Перманганат, дихромат и хромат в разных средах».
Как окислитель сера +4 выступает с сильными восстановителями:
SO2 + 2H2S = 3S↓ + 2H2O
SO2 + 2Mg t° S + 2MgO
SO2 + 2C t° S + 2CO
Диспропорционирование сульфита при прокаливании без воздуха:
4Na2SO3 t° 3Na2SO4 + Na2S
Тиосульфат
Тиосульфат натрия Na2S2O3 получают кипячением раствора сульфита с серой. Средняя степень окисления серы в нём +2; по строению это сульфат-ион, в котором один атом кислорода заменён атомом серы. При подкислении тиосульфат разлагается: раствор мутнеет от серы и пахнет сернистым газом. Эту реакцию используют в школьных опытах по скорости реакции — время помутнения измеряют секундомером.
Na2SO3 + S t° Na2S2O3
Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + S↓ + SO2↑ + H2O
Тиосульфат — восстановитель. Иодом он окисляется до тетратионата, хлором — до сульфата (поэтому его применяли как «антихлор»):
2Na2S2O3 + I2 = Na2S4O6 + 2NaI
Na2S2O3 + 4Cl2 + 5H2O = 2H2SO4 + 2NaCl + 6HCl
Сера +6: концентрированная серная кислота
В концентрированной серной кислоте окислитель — сера +6 (а не водород, как в разбавленной), поэтому водород в её реакциях не выделяется. Продукт восстановления зависит от силы восстановителя.
С металлами
Малоактивные металлы (медь, серебро, ртуть) восстанавливают кислоту до SO2. Активные (магний, цинк) — глубже, до серы или сероводорода; что получится, зависит от концентрации кислоты и температуры, и на ЕГЭ встречаются все три варианта.
Cu + 2H2SO4(конц.) t° CuSO4 + SO2↑ + 2H2O
2Ag + 2H2SO4(конц.) t° Ag2SO4 + SO2↑ + 2H2O
Zn + 2H2SO4(конц.) = ZnSO4 + SO2↑ + 2H2O
3Zn + 4H2SO4(конц.) = 3ZnSO4 + S↓ + 4H2O
4Zn + 5H2SO4(конц.) = 4ZnSO4 + H2S↑ + 4H2O
Железо, алюминий и хром концентрированная серная кислота на холоду пассивирует: на поверхности образуется плотная оксидная плёнка, и реакция прекращается. Поэтому концентрированную серную кислоту перевозят в стальных цистернах. При нагревании железо реагирует, превращаясь в сульфат железа(III):
2Fe + 6H2SO4(конц.) t° Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
Золото и платина с ней не реагируют.
С неметаллами
C + 2H2SO4(конц.) t° CO2↑ + 2SO2↑ + 2H2O
2P + 5H2SO4(конц.) t° 2H3PO4 + 5SO2↑ + 2H2O
С восстановителями
2HBr + H2SO4(конц.) = Br2 + SO2↑ + 2H2O
8HI + H2SO4(конц.) = 4I2 + H2S↑ + 4H2O
2FeSO4 + 2H2SO4(конц.) = Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 2H2O
С бромоводородом кислота восстанавливается до SO2, а с более сильным восстановителем иодоводородом — до H2S. Хлороводород концентрированная серная кислота не окисляет.
Обугливание. Концентрированная серная кислота жадно отнимает воду: сахар в ней чернеет и вспучивается, превращаясь в углерод, а бумага и дерево обугливаются. Это не окисление, а дегидратация: C12H22O11 → 12C + 11H2O. Но образующийся углерод частично окисляется кислотой, и выделяются CO2 и SO2.
Ловушки
| Ошибка | Как правильно |
|---|---|
| S + O2 → SO3 | Сера горит до SO2; SO3 получают каталитическим окислением SO2 |
| Cu + H2SO4(разб.) → CuSO4 + H2 | Медь с разбавленной кислотой не реагирует; с концентрированной даёт SO2 |
| Fe + H2SO4(конц.) на холоду → соль | Пассивация |
| Zn + H2SO4(конц.) → H2 | С концентрированной водород не выделяется |
| HI + H2SO4(конц.) → SO2 | Иодоводород восстанавливает глубже — до H2S |
| Сушка H2S концентрированной H2SO4 | Нельзя: идёт ОВР |
Повторить тему можно в уроках «Кислоты-окислители» и «Продукты окисления восстановителей».
Для олимпиад
Пероксодисульфаты
Пероксодисульфат калия K2S2O8 — один из сильнейших окислителей в водном растворе. Подвох в степенях окисления: сера в нём не +7, а +6, а окислитель — два атома кислорода пероксидного мостика (−1). В присутствии ионов серебра он окисляет марганец(II) до перманганата — эта реакция служит для обнаружения марганца:
2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O Ag+ 2KMnO4 + 4K2SO4 + 8H2SO4
Политионаты и иодометрия
Тетратионат Na2S4O6 — соль, в которой четыре атома серы соединены в цепочку; средняя степень окисления серы +2,5. Реакция тиосульфата с иодом идёт быстро и точно, поэтому она лежит в основе иодометрии — метода, которым определяют окислители: окислитель выделяет из иодида иод, а иод титруют тиосульфатом с крахмалом до исчезновения синей окраски.
Пирит
В пирите FeS2 сера образует дисульфид-ионы S22−, её степень окисления −1, железа +2. При окислении азотной кислотой окисляются оба элемента:
FeS2 + 18HNO3(конц.) = Fe(NO3)3 + 2H2SO4 + 15NO2↑ + 7H2O
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Из предложенного перечня выберите два вещества, в которых сера может быть и окислителем, и восстановителем.
- сероводород
- сернистый газ
- серная кислота
- сера
- сульфид натрия
Разбор
Ответ: 24. Сера +4 и 0 — промежуточные степени окисления. В сероводороде и сульфиде — низшая (−2), в серной кислоте — высшая (+6).
Задание 2
Составьте уравнение реакции сероводорода с перманганатом калия в сернокислой среде методом электронного баланса.
Разбор
5H2S + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 5S↓ + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
Марганец +7 (перманганат калия) — окислитель, сера −2 (сероводород) — восстановитель.
Задание 3
Напишите уравнения реакций концентрированной серной кислоты с медью и с иодоводородом. Почему продукты восстановления серы разные?
Разбор
Cu + 2H2SO4(конц.) t° CuSO4 + SO2↑ + 2H2O
8HI + H2SO4(конц.) = 4I2 + H2S↑ + 4H2O
Медь — слабый восстановитель и восстанавливает серу +6 только до +4. Иодоводород — сильный восстановитель и восстанавливает её до −2.
Задание 4
Сернистый газ пропустили через раствор сероводорода. Что наблюдается? Напишите уравнение и укажите роль каждого вещества.
Разбор
SO2 + 2H2S = 3S↓ + 2H2O
Раствор мутнеет от выпавшей серы. Сернистый газ — окислитель, сероводород — восстановитель (конпропорционирование).
Задание 5
К раствору тиосульфата натрия добавили серную кислоту. Через некоторое время раствор помутнел, появился резкий запах. Напишите уравнение реакции. Какой это тип ОВР?
Разбор
Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + S↓ + SO2↑ + H2O
Сера тиосульфата (средняя степень окисления +2) переходит в 0 и +4 — диспропорционирование.
Задание 6
Почему концентрированную серную кислоту можно перевозить в стальных цистернах, а разбавленную — нельзя?
Разбор
1) Концентрированная серная кислота пассивирует железо: образуется плотная оксидная плёнка, и реакция прекращается. 2) Разбавленная кислота плёнку не образует и реагирует с железом с выделением водорода:
Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2↑
Задание 7
Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить превращения: FeS → H2S → S → SO2 → SO3 → H2SO4.
Разбор
FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S↑
2H2S + O2 = 2S↓ + 2H2O
S + O2 t° SO2
2SO2 + O2 V2O5, t° 2SO3
SO3 + H2O = H2SO4
Задание 8
Напишите уравнения реакций сернистого газа с бромной водой и с магнием. В каком случае он окислитель, а в каком — восстановитель?
Разбор
SO2 + Br2 + 2H2O = H2SO4 + 2HBr
SO2 + 2Mg t° S + 2MgO
С бромом сера +4 окисляется до +6 — сернистый газ восстановитель. С магнием сера +4 восстанавливается до 0 — сернистый газ окислитель.
Задание 9
Цинк растворили в концентрированной серной кислоте, выделился газ с запахом тухлых яиц. Напишите уравнение реакции с электронным балансом.
Разбор
4Zn + 5H2SO4(конц.) = 4ZnSO4 + H2S↑ + 4H2O
Задание 10
Почему ртуть, пролитую в помещении, засыпают порошком серы? Напишите уравнение.
Разбор
Hg + S = HgS
Пары ртути ядовиты. Сера реагирует с ртутью даже при комнатной температуре, образуя нелетучий и нерастворимый сульфид ртути, который можно собрать и удалить.
Задание 11 (олимпиадное)
Определите степени окисления элементов в пероксодисульфате калия K2S2O8, если известно, что в анионе два атома серы соединены через пероксидный мостик –O–O–. Почему ошибочно приписывать сере степень окисления +7? Составьте баланс реакции окисления сульфата марганца(II) пероксодисульфатом.
Разбор
Сера +6, калий +1; из восьми атомов кислорода шесть имеют степень окисления −2, а два атома мостика — −1. Сумма: 2·(+1) + 2·(+6) + 6·(−2) + 2·(−1) = 0. Степень окисления +7 у серы невозможна: на внешнем электронном слое у её атома шесть электронов.
2MnSO4 + 5K2S2O8 + 8H2O Ag+ 2KMnO4 + 4K2SO4 + 8H2SO4
Задание 12 (олимпиадное)
К 10,0 мл раствора иода добавили крахмал и титровали раствором тиосульфата натрия с концентрацией 0,100 моль/л. Синяя окраска исчезла после добавления 12,5 мл раствора тиосульфата. Определите молярную концентрацию иода и массу иода в 10,0 мл раствора.
Разбор
2Na2S2O3 + I2 = Na2S4O6 + 2NaI
n(Na2S2O3) = 0,0125 · 0,100 = 1,25·10⁻³ моль; n(I2) = 6,25·10⁻⁴ моль; c(I2) = 6,25·10⁻⁴ / 0,0100 = 0,0625 моль/л; m(I2) = 6,25·10⁻⁴ · 254 = 0,159 г.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…