Диоксид серы и сульфиты

9 заданий

Диоксид серы в воде

Диоксид серы \(\ce{SO2}\) — бесцветный газ с удушливым запахом горящей спички. Его молекула имеет угловое строение: угол между связями составляет 119°, а у атома серы есть неподелённая электронная пара. Диоксид серы легко сжижается (т. кип. −10 °C) и хорошо растворяется в воде: при 20 °C в одном объёме воды растворяется около 40 объёмов газа.

Водный раствор диоксида серы обладает кислотными свойствами. Однако сернистую кислоту \(\ce{H2SO3}\) как отдельное вещество выделить нельзя. В растворе преобладают молекулы растворённого \(\ce{SO2}\); запись \(\ce{SO2*H2O}\) используют для обозначения растворённого диоксида серы и его гидратированных форм. Их кислотные равновесия записывают так:

\[\ce{SO2*H2O <=> H+ + HSO3-}\ (pK_{a1} = 1{,}8)\qquad \ce{HSO3- <=> H+ + SO3^2-}\ (pK_{a2} = 7{,}2)\]

Ион \(\ce{HSO3-}\) называют гидросульфит-ионом, а ион \(\ce{SO3^2-}\) называют сульфит-ионом. Поскольку оба равновесия зависят от кислотности среды, при изменении pH меняется и преобладающая форма растворённого диоксида серы:

pH	Преобладающая форма
< 1,8	\(\ce{SO2*H2O}\)
1,8–7,2	\(\ce{HSO3-}\)
> 7,2	\(\ce{SO3^2-}\)

Соли, содержащие гидросульфит-ион, называют гидросульфитами, а соли, содержащие сульфит-ион, — сульфитами. При концентрировании растворов гидросульфитов ионы соединяются с образованием дисульфит-иона, или метабисульфит-иона: \(\ce{2HSO3- <=> S2O5^2- + H2O}\). \(\ce{Na2S2O5}\) (E223) и \(\ce{K2S2O5}\) (E224) применяют как консерванты вина, сухофруктов и соков.

auto_awesomeСера и вино

Ещё римляне окуривали бочки горящей серой. Образующийся \(\ce{SO2}\) подавляет дикие дрожжи и бактерии, а также защищает вино от окисления. С этим связано обозначение «содержит сульфиты» на винных бутылках.

Окислитель и восстановитель

В диоксиде серы сера имеет промежуточную степень окисления +4, поэтому в одних реакциях она может повышать степень окисления, а в других — понижать. Чаще \(\ce{SO2}\) является восстановителем: он реагирует с веществами, которые окисляют серу. К таким реакциям относятся следующие превращения:

scienceДиоксид серы как восстановитель

\(\ce{SO2 + Br2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HBr}\) — при взаимодействии с диоксидом серы бромная вода обесцвечивается; эту реакцию используют как качественную.
\(\ce{5SO2 + 2KMnO4 + 2H2O -> K2SO4 + 2MnSO4 + 2H2SO4}\) — при взаимодействии с диоксидом серы раствор перманганата обесцвечивается.
\(\ce{SO2 + I2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HI}\) — это упрощённое уравнение окисления диоксида серы иодом, лежащего в основе титрования по Фишеру.
\(\ce{2SO2 + O2 <=>[V2O5] 2SO3}\) — окисление диоксида серы кислородом лежит в основе контактного способа получения серной кислоты.
\(\ce{SO2 + NO2 -> SO3 + NO}\) — окисление диоксида серы диоксидом азота используют в нитрозном (камерном) способе получения серной кислоты.

В реакциях с сильными восстановителями диоксид серы, напротив, является окислителем: степень окисления серы понижается. Это происходит при взаимодействии с сероводородом \(\ce{SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O}\) (процесс Клауса) и с оксидом углерода(II) \(\ce{SO2 + 2CO ->[кат.] S + 2CO2}\). Магний также восстанавливает диоксид серы: \(\ce{SO2 + 2Mg ->[t] 2MgO + S}\); при этом магний горит в сернистом газе.

auto_awesomeТитрование по Карлу Фишеру

В 1935 году Карл Фишер предложил определять следы воды с помощью реакции \(\ce{I2 + SO2 + 2H2O -> 2HI + H2SO4}\) в метаноле с основанием. Это уравнение передаёт смысл окислительно-восстановительного превращения, но не состав конечных продуктов реакции в метаноле. Метод до сих пор служит эталоном определения влаги в лекарствах, маслах и пластиках: он позволяет обнаруживать миллионные доли воды.

boltКак отличить диоксид серы от диоксида углерода

Оба газа вызывают помутнение известковой воды. Однако только \(\ce{SO2}\) обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата; кроме того, он пахнет горящей спичкой.

Сульфиты и их превращения

Сульфиты, как и диоксид серы, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Они постепенно окисляются на воздухе, а при нагревании без доступа воздуха могут претерпевать диспропорционирование. Так называют превращение, при котором атомы одного элемента одновременно повышают и понижают степень окисления. Другие реакции сульфитов позволяют получать тиосульфат или выделять альдегиды:

scienceРеакции сульфитов

\(\ce{2Na2SO3 + O2 -> 2Na2SO4}\) — растворы сульфитов постепенно окисляются кислородом воздуха, поэтому сульфиты применяют как антиоксиданты и для удаления кислорода из котельной воды.
\(\ce{4Na2SO3 ->[600 °C] 3Na2SO4 + Na2S}\) — при нагревании без доступа воздуха сульфит диспропорционирует.
\(\ce{Na2SO3 + S ->[t] Na2S2O3}\) — при нагревании сульфита с серой образуется тиосульфат, который рассматривают в уроке 121.
\(\ce{Na2SO3 + H2O2 -> Na2SO4 + H2O}\) — пероксид водорода окисляет сульфит до сульфата.
\(\ce{NaHSO3 + RCHO -> RCH(OH)SO3Na}\) — при взаимодействии гидросульфита с альдегидами образуются гидросульфитные производные; эту реакцию применяют для выделения и очистки альдегидов.

infoОтбеливание сернистым газом

\(\ce{SO2}\) применяют для отбеливания шерсти, шёлка и соломы. При этом он не окисляет окрашенные вещества: они восстанавливаются или образуют бесцветные соединения. Поскольку такое действие может быть обратимым, отбелённые материалы со временем снова желтеют. Хлор, в отличие от сернистого газа, разрушает краситель окислением, и такое отбеливание необратимо.

boltКак различить сульфит, сульфат и тиосульфат

Сульфит и сульфат образуют с \(\ce{BaCl2}\) белые осадки. Однако \(\ce{BaSO3}\) растворяется в соляной кислоте с выделением \(\ce{SO2}\), а \(\ce{BaSO4}\) не растворяется. Тиосульфат при взаимодействии с кислотой образует муть серы и \(\ce{SO2}\). Эти различия позволяют определить каждый из трёх анионов.

push_pinГлавное

\(\ce{SO2}\) — бесцветный газ с резким запахом; его молекула имеет угловое строение (119°), а в одном объёме воды растворяется около 40 объёмов газа. «Сернистая кислота» представляет собой раствор диоксида серы: запись \(\ce{SO2*H2O}\) описывает его растворённую и гидратированные формы. В зависимости от pH преобладают \(\ce{SO2*H2O}\), \(\ce{HSO3-}\) или \(\ce{SO3^2-}\) (\(pK_{a1} = 1{,}8\), \(pK_{a2} = 7{,}2\)); при концентрировании растворов гидросульфитов образуются дисульфиты \(\ce{S2O5^2-}\). Промежуточная степень окисления серы +4 объясняет двойственную роль диоксида серы: чаще он является восстановителем в реакциях с \(\ce{Br2}\), \(\ce{I2}\), \(\ce{KMnO4}\) и \(\ce{O2}\), но с сильными восстановителями, такими как \(\ce{H2S}\) и CO на катализаторе, является окислителем. Сульфиты также окисляются, а при нагревании диспропорционируют: \(\ce{4Na2SO3 -> 3Na2SO4 + Na2S}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.