Сероводород и сульфиды
Сероводород
Сероводород образуется при гниении белков, содержится в вулканических газах и воде сероводородных источников. В Чёрном море ниже глубины 150–200 м вода насыщена \(\ce{H2S}\), поэтому жизнь там представлена только бактериями.
errorОпасность сероводорода и утрата обоняния
Запах тухлых яиц отчётливо ощущается уже при миллионных долях процента сероводорода в воздухе. Однако при концентрации около 0,01–0,02 % обоняние быстро перестаёт воспринимать этот запах. Человек может не чувствовать газ, который при концентрации 0,1 % убивает за минуты. По токсичности сероводород сравним с синильной кислотой.
В воде сероводород проявляет кислотные свойства: он является слабой двухосновной кислотой, то есть способен последовательно отдавать два иона водорода. Первую ступень диссоциации выражает уравнение \(\ce{H2S <=> H+ + HS-}\) (\(pK_{a1} = 7{,}0\)). Поэтому водный раствор сероводорода, или сероводородная вода, имеет слабокислую реакцию.
Сероводород является также восстановителем. Степень окисления серы в нём равна \(-2\); это низшая степень окисления серы, поэтому при взаимодействии с окислителями она повышается. Продукт реакции зависит от окислителя и условий.
scienceОкисление сероводорода
- \(\ce{2H2S + 3O2 -> 2SO2 + 2H2O}\) — при горении сероводорода в избытке кислорода образуются диоксид серы и вода; пламя имеет голубую окраску.
- \(\ce{2H2S + O2 -> 2S + 2H2O}\) — при недостатке кислорода образуется сера, которая оседает на холодном предмете.
- \(\ce{H2S + I2 -> S v + 2HI}\) — сероводород восстанавливает иод, поэтому иодная вода обесцвечивается и мутнеет из-за выделения серы.
- \(\ce{H2S + 2FeCl3 -> S v + 2FeCl2 + 2HCl}\) — при взаимодействии с хлоридом железа(III) образуются сера, хлорид железа(II) и соляная кислота.
- \(\ce{H2S + 4Cl2 + 4H2O -> H2SO4 + 8HCl}\) — избыток хлорной воды окисляет сероводород с образованием серной кислоты.
- \(\ce{5H2S + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5S + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O}\) — в кислой среде перманганат калия окисляет сероводород до серы.
Диоксид серы также способен окислять сероводород до серы. Таким образом, при окислении сероводорода могут образовываться сера, диоксид серы или серная кислота.
infoОбразование осадка в кислой среде
Реакция \(\ce{CuSO4 + H2S -> CuS v + H2SO4}\) на первый взгляд кажется необычной: слабая сероводородная кислота вытесняет сильную серную кислоту из её соли. Образование осадка объясняется тем, что \(K_s(\ce{CuS})\) очень мала (\(6\cdot10^{-36}\)). Поэтому сульфид меди осаждается даже в кислой среде (урок 74).
Сульфиды
Сульфиды металлов различаются по растворимости в воде и отношению к кислотам. Эти различия лежали в основе классического анализа веществ (урок 74). Одни сульфиды растворимы в воде, другие разлагаются ею, а среди нерастворимых сульфидов одни реагируют с разбавленными кислотами, тогда как другие в них не растворяются.
| Группа | Примеры | Свойства |
|---|---|---|
| Растворимые в воде | \(\ce{Na2S}\), \(\ce{K2S}\), \(\ce{(NH4)2S}\) | Их растворы имеют сильнощелочную реакцию вследствие гидролиза. |
| Разлагающиеся водой | \(\ce{Al2S3}\), \(\ce{Cr2S3}\) | При взаимодействии с водой происходит совместный гидролиз с выделением \(\ce{H2S}\). |
| Растворимые в разбавленных кислотах | \(\ce{FeS}\), \(\ce{ZnS}\), \(\ce{MnS}\) | Их взаимодействие с кислотой выражает уравнение \(\ce{MS + 2H+ -> M^2+ + H2S}\). |
| Нерастворимые в разбавленных кислотах | \(\ce{CuS}\), \(\ce{PbS}\), \(\ce{HgS}\), \(\ce{Ag2S}\), \(\ce{CdS}\) | Они не растворяются в разбавленных кислотах, но взаимодействуют с окисляющими кислотами. |
Помимо растворимости, при распознавании сульфидов используют их окраску. Сульфид \(\ce{ZnS}\) белый, \(\ce{CdS}\) ярко-жёлтый, \(\ce{MnS}\) телесно-розовый, \(\ce{Sb2S3}\) оранжевый, \(\ce{As2S3}\) лимонно-жёлтый, \(\ce{SnS2}\) золотисто-жёлтый, а \(\ce{SnS}\) бурый. Большинство остальных сульфидов чёрные. Золотистый \(\ce{SnS2}\) известен также под названием «сусальное золото».
auto_awesomeКраски и люминофоры из сульфидов
Киноварь \(\ce{HgS}\) служила красной краской с древности, но она ядовита. Кадмиевая жёлтая \(\ce{CdS}\) была любимой краской импрессионистов, а «сусальное золото» \(\ce{SnS2}\) имитировало позолоту. Сульфид цинка с примесью меди способен светиться при облучении и после него; его использовали как люминофор на циферблатах и экранах старых телевизоров.
Отношение сульфидов к кислотам и воде можно проследить по уравнениям реакций. Так, соляная кислота выделяет сероводород из сульфидов натрия и цинка, а для окисления сульфида меди применяют горячую концентрированную азотную кислоту.
scienceРеакции сульфидов
- \(\ce{Na2S + 2HCl -> 2NaCl + H2S ^}\) — при действии соляной кислоты на сульфид натрия выделяется сероводород.
- \(\ce{ZnS + 2HCl -> ZnCl2 + H2S ^}\) — при действии соляной кислоты на сульфид цинка выделяется сероводород.
- \(\ce{CuS + 8HNO3 (конц) ->[t] CuSO4 + 8NO2 + 4H2O}\) — горячая концентрированная азотная кислота окисляет серу сульфида до сульфата.
- \(\ce{Na2S + H2O <=> NaHS + NaOH}\) — вследствие гидролиза раствор сульфида натрия имеет щелочную реакцию и мылкие свойства; над раствором может ощущаться запах сероводорода.
Обжиг сульфидных руд
Большинство цветных металлов, в том числе медь, цинк, свинец, никель и молибден, добывают из сульфидных руд. Первой стадией их переработки служит обжиг: при нагревании сульфид окисляется кислородом воздуха. В приведённых ниже реакциях сульфиды цинка, свинца и молибдена превращаются в оксиды, а сульфид меди — непосредственно в металл.
scienceОбжиг сульфидных руд
- \(\ce{2ZnS + 3O2 ->[t] 2ZnO + 2SO2}\) — при обжиге цинковой обманки образуются оксид цинка и диоксид серы.
- \(\ce{2PbS + 3O2 ->[t] 2PbO + 2SO2}\) — при обжиге галенита образуются оксид свинца и диоксид серы.
- \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\) — при обжиге пирита образуются оксид железа(III) и диоксид серы (урок 77).
- \(\ce{2MoS2 + 7O2 ->[t] 2MoO3 + 4SO2}\) — при обжиге молибденита образуются оксид молибдена и диоксид серы.
- \(\ce{Cu2S + O2 ->[t] 2Cu + SO2}\) — при конвертировании медь восстанавливается непосредственно из сульфида.
Образующийся при обжиге сернистый газ служит ценным сырьём: его перерабатывают в серную кислоту (урок 120). Раньше этот газ выбрасывали в атмосферу. В результате вокруг медеплавильных заводов в Норильске и Садбери в Канаде растительность погибала на десятки километров.
boltРасчёт количества кислорода для обжига
Если при обжиге образуются оксид металла и \(\ce{SO2}\), отдельно учитывайте кислород, который входит в каждый из этих продуктов. При превращении \(\ce{MS}\) в \(\ce{MO + SO2}\) на образование оксида металла расходуется 0,5 моль \(\ce{O2}\), а на образование диоксида серы — 1 моль. Всего требуется 0,5 + 1 = 1,5 моль \(\ce{O2}\) на моль сульфида.
push_pinГлавное
\(\ce{H2S}\) — ядовитый газ с запахом тухлых яиц; при высокой концентрации человек перестаёт ощущать его запах. Сероводород является слабой двухосновной кислотой (\(pK_{a1} = 7{,}0\)) и сильным восстановителем. При действии \(\ce{I2}\), \(\ce{Fe^3+}\), \(\ce{SO2}\) или при недостатке \(\ce{O2}\) он окисляется до S; при горении в избытке кислорода образуется \(\ce{SO2}\), а при действии избытка хлорной воды — \(\ce{H2SO4}\). Среди сульфидов есть растворимые в воде сульфиды щелочных металлов и аммония, разлагаемый водой \(\ce{Al2S3}\), растворимые в разбавленных кислотах \(\ce{FeS}\), \(\ce{ZnS}\) и \(\ce{MnS}\), а также нерастворимые в них \(\ce{CuS}\), \(\ce{PbS}\), \(\ce{HgS}\) и \(\ce{Ag2S}\). Окраска помогает различать осадки: \(\ce{ZnS}\) белый, \(\ce{CdS}\) жёлтый, \(\ce{MnS}\) розовый, \(\ce{Sb2S3}\) оранжевый, а большинство остальных сульфидов чёрные. При обжиге сульфидных руд образуется диоксид серы; например, обжиг сульфида цинка выражает уравнение \(\ce{2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.