Цвет оксида серы 4. Оксид серы (IV)

Строение молекулы SO2

Строение молекулы SO2 аналогично строению молекулы озона. Атом серы находится в состоянии sp2-гибридизации, форма расположения орбиталей – правильный треугольник, форма молекулы – угловая. На атоме серы имеется неподеленная электронная пара. Длина связи S – O равна 0,143 нм, валентный угол составляет 119,5°.

Строение соответствует следующим резонансным структурам:

В отличие от озона, кратность связи S – O равна 2, то есть основной вклад вносит первая резонансная структура. Молекула отличается высокой термической устойчивостью.

Соединения серы +4 – проявляют окислительно-восстановительную двойственность, но с преобладанием восстановительных свойств.

1. Взаимодействие SO2 c кислородом

2S+4О2 + О 2 S+6О

2. При пропускании SO2 через сероводородную кислоту образуется сера.

S+4О2 + 2Н2S-2 → 3So + 2 Н2О

4 S+4 + 4 → So 1 - окислитель (восстановление)

S-2 - 2 → Sо 2 - восстановитель (окисление)

3. Сернистая кислота медленно окисляется кислородом воздуха в серную кислоту.

2H2S+4O3 + 2О → 2H2S+6O

4 S+4 - 2 → S+6 2 - восстановитель (окисление)

О + 4 → 2О-2 1 - окислитель (восстановление)

Получение:

1) оксида серы (IV) в промышленности:

горение серы:

обжиг пирита:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3

в лаборатории:

Na2SO3 + H2SO4 = Na2SO4 + SO2 + H2O

Сернистый газ , предупреждая брожение, облегчает осаждение загрязняющих веществ, обрывков тканей винограда с болезнетворной микрофлорой и позволяет проводить алкогольное брожение на чистых культурах дрожжей с целью увеличения выхода этилового спирта и улучшении состава других продуктов алкогольного брожения.

Роль сернистого газа таким образом не ограничивается антисептирующими действиями, оздоровляющими среду, но и распространяется на улучшение технологических условий брожения и хранения вина.

Эти условия при правильном использовании сернистого газа (ограничение дозировки и времени соприкосновения с воздухом) ведут к повышению качества вин и соков, их аромата, вкуса, а также прозрачности и цвета - свойств, связанных с устойчивостью вина и сока к помутнениям.

Сернистый газ - самый распространенный загрязнитель воздуха. Он выделяется всеми энергетическими установками при сжигании органического топлива. Сернистый газ может также выделяться предприятиями металлургической промышленности (источник -коксующиеся угли), а также рядом химических производств (например, производство серной кислоты). Он образуется при разложении содержащих серу аминокислот, входивших в состав белков древних растений, образовавших залежи угля, нефти, горючих сланцев.

Находит применение в промышленности для беления различных продуктов: сукна, шелка, бумажной массы, перьев, соломы, воска, щетины, конского волоса, пищевых продуктов, для дезинфекции фруктов и консервов и т. д. В качестве побочного продукта С. г. образуется и выделяется в воздух рабочих помещений в ряде производств: серной к-ты, целлюлезы, при обжиге руд, содержащих, сернистые металлы, в травилках на металлозаводах, при производстве стекла, ультрамарина и др., весьма часто С. г. содержится в воздухе котельных и зольных помещений, где он образуется при сжигании содержащих серу углей.

При растворении в воде образуется слабая и неустойчивая сернистая кислота H2SO3 (существует только в водном растворе)

SO2 + H2O ↔ H2SO3

Сернистая кислота диссоциирует ступенчато:

H2SO3 ↔ H+ + HSO3- (первая ступень, образуется гидросульфит – анион)

HSO3- ↔ H+ + SO32- (вторая ступень, образуется анион сульфит)

H2SO3 образует два ряда солей - средние (сульфиты) и кислые (гидросульфиты).

Качественной реакцией на соли сернистой кислоты является взаимодействие соли с сильной кислотой, при этом выделяется газ SO2 с резким запахом:

Na2SO3 + 2HCl → 2NaCl + SO2 + H2O 2H+ + SO32- → SO2 + H2O

Оксид серы(IV) обладает кислотными свойствами, которые проявляются в реакциях с веществами, проявляющими основные свойства. Кислотные свойства проявляются при взаимодействии с водой. При этом образуется раствор сернистой кислоты:

Степень окисления серы в сернистом газе (+4) обусловливает восстановительные и окислительные свойства сернистого газа:

вос-тель: S+4 – 2e => S+6

ок-тель: S+4 + 4e => S0

Восстановительные свойства проявляются в реакциях с сильными окислителями: кислородом, галогенами, азотной кислотой, перманганатом калия и другими. Например:

2SO2 + O2 = 2SO3

S+4 – 2e => S+6 2

O20 + 4e => 2O-2 1

С сильными восстановителями газ проявляет окислительные свойств. Например, если смешать сернистый газ и сероводород, то они взаимодействуют при обычных условиях:

2H2S + SO2 = 3S + 2H2O

S-2 – 2e => S0 2

S+4 + 4e => S0 1

Сернистая кислота существует только в растворе. Она неустойчива и разлагается на сернистый газ и воду. Сернистая кислота не относится к сильным кислотам. Она является кислотой средней силы и диссоциирует ступенчато. При добавлении к сернистой кислоте щёлочи образуются соли. Сернистая кислота даёт два ряда солей: средние – сульфиты и кислые – гидросульфиты.

Оксид серы(VI)

Триоксид серы проявляется кислотные свойства. Он бурно реагирует с водой, при этом выделяется большое количество теплоты. Эту реакцию используют для получения важнейшего продукта химической промышленности – серной кислоты.

SO3 + H2O = H2SO4

Поскольку сера в триоксиде серы имеет высшую степень окисления, то оксид серы(VI) проявляет окислительные свойства. Например, он окисляет галогениды, неметаллы с низкой электроотрицательностью:

2SO3 + C = 2SO2 + CO2

S+6 + 2e => S+4 2

C0 – 4e => C+4 2

Серная кислота вступает в реакции трёх типов: кислотно-основные, ионообменные, окислительно-восстановительные. Так же активно она взаимодействует с органическими веществами.

Кислотно-основные реакции

Серная кислота проявляет кислотные свойства в реакциях с основаниями и основными оксидами. Эти реакции лучше проводить с разбавленной серной кислотой. Поскольку серная кислота является двухосновной, то она может образовывать как средние соли (сульфаты), так и кислые (гидросульфаты).

Ионообменные реакции

Для серной кислоты характерны ионообменные реакции. При этом она взаимодействует с растворами солей, образуя осадок, слабую кислоту либо выделяя газ. Эти реакции осуществляются с большей скоростью, если брать 45%-ную или ещё более разбавленную серную кислоту. Выделение газа происходит в реакциях с солями неустойчивых кислот, распадающихся с образованием газов (угольной, сернистой, сероводородной) либо с образованием летучих кислот, таких как соляная.

Окислительно-восстановительные реакции

Наиболее ярко серная кислота проявляет свои свойства в окислительно-восстановительных реакциях, так как в её составе сера имеет высшую степень окисления +6. Окислительные свойства серной кислоты можно обнаружить в реакции, например, с медью.

В молекуле серной кислоты два элемента-окислителя: атом серы с С.О. +6 и ионы водорода H+. Медь не может быть окислена водородом в степени окисления +1, но сера может. Это является причиной окисления серной кислотой такого неактивного металла, как медь.

Сернистый газ имеет молекулярное строение, аналогичное озону. Атом серы, находящийся в центре молекулы, связан с двумя атомами кислорода. Этот газообразный продукт окисления серы не имеет цвета, издает резкий запах, при изменении условий легко конденсируется в прозрачную жидкость. Вещество хорошо растворимо в воде, обладает антисептическими свойствами. В больших количествах получают SO 2 в химической промышленности, а именно в цикле сернокислотного производства. Газ широко используется для обработки сельскохозяйственных и пищевых продуктов, отбеливания тканей в текстильной промышленности.

Систематические и тривиальные названия вещества

Необходимо разобраться в многообразии терминов, относящихся к одному и тому же соединению. Официальное название соединения, химический состав которого отражает формула SO 2 , — диоксид серы. ИЮПАК рекомендует использовать этот термин и его английский аналог — Sulfur dioxide. Учебники для школ и ВУЗов чаще упоминают еще такое название — оксид серы (IV). Римской цифрой в скобках обозначена валентность атома S. Кислород в этом оксиде двухвалентен, а окислительное число серы +4. В технической литературе используются такие устаревшие термины, как сернистый газ, ангидрид сернистой кислоты (продукт ее дегидратации).

Состав и особенности молекулярного строения SO 2

Молекула SO 2 образована одним атомом серы и двумя атомами кислорода. Между ковалентными связями имеется угол, составляющий 120°. В атоме серы происходит sp2-гибридизация — выравниваются по форме и энергии облака одного s и двух p-электронов. Именно они участвуют в образовании ковалентной связи между серой и кислородом. В паре О—S расстояние между атомами составляет 0,143 нм. Кислород более электроотрицательный элемент, чем сера, значит, связывающие пары электронов смещаются от центра к внешним углам. Вся молекула тоже поляризована, отрицательный полюс — атомы О, положительный — атом S.

Некоторые физические параметры диоксида серы

Оксид четырехвалентной серы при обычных показателях окружающей среды сохраняет газообразное агрегатное состояние. Формула сернистого газа позволяет определить его относительную молекулярную и молярную массы: Mr(SO 2) = 64,066, М = 64,066 г/моль (можно округлять до 64 г/моль). Этот газ почти в 2,3 раза тяжелее воздуха (М(возд.) = 29 г/моль). Диоксид обладает резким специфическим запахом горящей серы, который трудно перепутать с каким-либо другим. Он неприятный, раздражает слизистые покровы глаз, вызывает кашель. Но оксид серы (IV) не такой ядовитый, как сероводород.

Под давлением при комнатной температуре газообразный сернистый ангидрид сжижается. При низких температурах вещество находится в твердом состоянии, плавится при -72…-75,5 °C. При дальнейшем повышении температуры появляется жидкость, а при -10,1 °C вновь образуется газ. Молекулы SO 2 являются термически устойчивыми, разложение на атомарную серу и молекулярный кислород происходит при очень высоких температурах (около 2800 ºС).

Растворимость и взаимодействие с водой

Диоксид серы при растворении в воде частично взаимодействует с ней с образованием очень слабой сернистой кислоты. В момент получения она тут же разлагается на ангидрид и воду: SO 2 + Н 2 О ↔ Н 2 SO 3 . На самом деле в растворе присутствует не сернистая кислота, а гидратированные молекулы SO 2 . Газообразный диоксид лучше взаимодействует с прохладной водой, его растворимость понижается с повышением температуры. При обычных условиях может раствориться в 1 объеме воды до 40 объемов газа.

Сернистый газ в природе

Значительные объемы диоксида серы выделяются с вулканическими газами и лавой во время извержений. Многие виды антропогенной деятельности тоже приводят к повышению концентрации SO 2 в атмосфере.

Сернистый ангидрид поставляют в воздух металлургические комбинаты, где не улавливаются отходящие газы при обжиге руды. Многие виды топливных ископаемых содержат серу, в результате значительные объемы диоксида серы выделяется в атмосферный воздух при сжигании угля, нефти, газа, полученного из них горючего. Сернистый ангидрид становится токсичным для человека при концентрации в воздухе свыше 0,03 %. У человека начинается одышка, могут наступить явления, напоминающие бронхит и воспаление легких. Очень высокая концентрация в атмосфере диоксида серы может привести к сильному отравлению или летальному исходу.

Сернистый газ — получение в лаборатории и в промышленности

Лабораторные способы:

При сжигании серы в колбе с кислородом или воздухом получается диоксид по формуле: S + O 2 = SO 2 .
Можно подействовать на соли сернистой кислоты более сильными неорганическими кислотами, лучше взять соляную, но можно разбавленную серную:

Na 2 SO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 SO 3 ;
Na 2 SO 3 + H 2 SO 4 (разб.) = Na 2 SO 4 + H 2 SO 3 ;
H 2 SO 3 = Н 2 О + SO 2 .

3. При взаимодействии меди с концентрированной серной кислотой выделяется не водород, а диоксид серы:

2H 2 SO 4 (конц.) + Cu = CuSO 4 + 2H 2 O + SO 2 .

Современные способы промышленного производства сернистого ангидрида:

Окисления природной серы при ее сжигании в специальных топках: S + О 2 = SO 2 .
Обжиг железного колчедана (пирита).

Основные химические свойства диоксида серы

Сернистый газ является активным соединением в химическом плане. В окислительно-восстановительных процессах это вещество чаще выступает в качестве восстановителя. Например, при взаимодействии молекулярного брома с диоксидом серы продуктами реакции являются серная кислота и бромоводород. Окислительные свойства SO 2 проявляются, если пропускать этот газ через сероводородную воду. В результате выделяется сера, происходит самоокисление-самовосстановление: SO 2 + 2H 2 S = 3S + 2H 2 O.

Диоксид серы проявляет кислотные свойства. Ему соответствует одна из самых слабых и неустойчивых кислот — сернистая. Это соединение в чистом виде не существует, обнаружить кислотные свойства раствора диоксида серы можно с помощью индикаторов (лакмус розовеет). Сернистая кислота дает средние соли - сульфиты и кислые — гидросульфиты. Среди них встречаются стабильные соединения.

Процесс окисления серы в диоксиде до шестивалентного состояния в ангидриде серной кислоты — каталитический. Получившееся вещество энергично растворяется в воде, реагирует с молекулами Н 2 О. Реакция является экзотермической, образуется серная кислота, вернее, ее гидратированная форма.

Практическое использование сернистого газа

Основной способ промышленного производства серной кислоты, для которого нужен диоксид элемента, насчитывает четыре стадии:

Получение сернистого ангидрида при сжигании серы в особых печах.
Очищение полученного диоксида серы от всевозможных примесей.
Дальнейшее окисление до шестивалентной серы в присутствии катализатора.
Абсорбция триоксида серы водой.

Ранее почти всю двуокись серы, необходимую для производства серной кислоты в промышленных масштабах, получали при обжиге пирита как побочный продукт сталеплавильного производства. Новые виды переработки металлургического сырья меньше используют сжигание руды. Поэтому основным исходным веществом для сернокислотного производства в последние годы стала природная сера. Значительные мировые запасы этого сырья, его доступность позволяют организовать широкомасштабную переработку.

Диоксид серы находит широкое применение не только в химической промышленности, но и в других отраслях экономики. Текстильные комбинаты используют это вещество и продукты его химического взаимодействия для отбеливания шелковых и шерстяных тканей. Это один из видов бесхлорного отбеливания, при котором волокна не разрушаются.

Диоксид серы обладает отличными дезинфицирующими свойствами, что находит применение в борьбе с грибками и бактериями. Сернистым ангидридом окуривают хранилища сельскохозяйственной продукции, винные бочки и подвалы. Используется SO 2 в пищевой промышленности как консервирующее и антибактериальное вещество. Добавляют его в сиропы, вымачивают в нем свежие плоды. Сульфитизация
сока сахарной свеклы обесцвечивает и обеззараживает сырье. Консервированные овощные пюре и соки тоже содержат диоксид серы в качестве антиокислительного и консервирующего агента.

Часть I

1. Сероводород.
1) Строение молекулы:

2) Физические свойства: бесцветный газ, с резким запахом тухлых яиц, тяжелее воздуха.

3) Химические свойства (закончите уравнения реакций и рассмотрите уравнения в свете ТЭД или с позиций окисления-восстановления).

4) Сероводород в природе: в виде соединений – сульфидов, в свободном виде – в вулканических газах.

2. Оксид серы (IV) – SO2
1) Получение в промышленности. Запишите уравнения реакций и рассмотрите их с позиций окисления-восстановления.

2) Получение в лаборатории. Запишите уравнение реакции и рассмотрите её в свете ТЭД:

3) Физические свойства: газ с резким удушливым запахом.

4) Химические свойства.

3. Оксид серы (VI)- SO3.
1) Получение синтезом из оксида серы (IV):

2) Физические свойства: жидкость, тяжелее воды, в смеси с серной кислотой – олеум.

3) Химические свойства. Проявляет типичные свойства кислотных оксидов:

Часть II

1. Охарактеризуйте реакцию синтеза оксида серы (VI) по всем классификационным признакам.

а) каталитическая
б) обратимая
в) ОВР
г) соединения
д) экзотермическая
е) горения

2. Охарактеризуйте реакцию взаимодействия оксида серы (IV) с водой по всем классификационным признакам.

а) обратимая
б) соединения
в) не ОВР
г) экзотермическая
д) некаталитическая

3. Объясните, почему сероводород проявляет сильные восстановительные свойства.

4. Объясните, почему оксид серы (IV) может проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства:

Подтвердите этот тезис уравнениями соответствующих реакций.

5. Сера вулканического происхождения образуется в результате взаимодействия сернистого газа и сероводорода. Запишите уравнения реакции и рассмотрите с позиций окисления-восстановления.

6. Запишите уравнения реакций переходов, расшифровав неизвестные формулы:

7. Напишите синквейн на тему «Сернистый газ».
1) Сернистый газ
2) Удушливый и резкий
3) Кислотный оксид, ОВР
4) Используется для получения SO3
5) Серная кислота H2SO4

8. Используя дополнительные источники информации, в том числе и Интернет, подготовьте сообщение о токсичности сероводорода (обратите внимание на его характерный запах!) и первой помощи при отравлении этим газом. Запишите план сообщения в особой тетради.

Сероводород
Бесцветный газ с запахом тухлых яиц. Обнаруживается в воздухе по запаху даже в малых концентрациях. В природе встречается в воде минеральных источников, морей, вулканических газах. Образуется при разложении белков без доступа кислорода. Может выделяться в воздух в ряде производств химической, текстильной промышленности, при добыче и переработке нефти, из канализации.
Сероводород - сильный яд, вызывающий острые и хронические отравления. Оказывает местное раздражающее и общетоксическое действие. При концентрации 1,2 мг/л отравление развивается молниеносно, смерть наступает вследствие острого угнетения процессов тканевого дыхания. При прекращении воздействия даже при тяжелых формах отравления пострадавший может быть возвращен к жизни.
При концентрации 0,02-0,2 мг/л наблюдается головная боль, головокружение, стеснение в груди, тошнота, рвота, понос, потеря сознания, судороги, поражение слизистой оболочки глаз, конъюнктивит, светобоязнь. Опасность отравления увеличивается в связи с потерей обоняния. Постепенно нарастает сердечная слабость и нарушение дыхания, коматозное состояние.
Первая помощь - удаление пострадавшего из загрязненной атмосферы, вдыхание кислорода, искусственное дыхание; средства, возбуждающие дыхательный центр, согревание тела. Рекомендуются также глюкоза, витамины, препараты железа.
Профилактика - достаточная вентиляция, герметизация некоторых производственных операций. При спуске рабочих в колодцы и емкости, содержащие сероводород, они должны обязательно пользоваться противогазами и спасательными поясами на тросах. Обязательна газоспасательная служба в шахтах, в местах добычи и на предприятиях по переработке нефти.

Диоксид серы - бесцветный газ с резким запахом. Молекула имеет угловую форму.

Температура плавления - -75,46 °С,
Температура кипения - -10,6 °С,
Плотность газа - 2,92655 г/л.

Легко сжижается в бесцветную легкоподвижную жидкость при температуре 25 °С и давлении около 0,5 МПа.

Для жидкой формы плотность равна 1,4619 г/см 3 (при - 10 °С).

Твердый диоксид серы - бесцветные кристаллы, ромбической сингонии.

Диоксид серы заметно диссоциирует только около 2800 °С.

Диссоциация жидкого диоксида серы проходит по схеме:

2SO 2 ↔ SO 2+ + SO 3 2-

Трехмерная модель молекулы

Растворимость диоксида серы в воде зависит от температуры:

при 0 °С в 100 г воды растворяется 22,8 г диоксида серы,
при 20 °С - 11,5 г,
при 90 °С - 2,1 г.

Водный раствор диоксида серы - это сернистая кислота H 2 SO 3.

Диоксид серы растворим в этаноле, H 2 SO 4 , олеуме, CH 3 COOH. Жидкий сернистый ангидрид смешивается в любых соотношениях с SO 3. CHCl 3 , CS 2 , диэтиловым эфиром.

Жидкий сернистый ангидрид растворяет хлориды. Иодиды и роданиды металлов не растворяются.

Соли, растворенные в жидком диоксиде серы, диссоциируют.

Диоксид серы способен восстанавливаться до серы и окисляться до шестивалентных соединений серы.

Диоксид серы токсичен. При концентрации 0,03-0,05 мг/л раздражает слизистые оболочки, органы дыхания, глаза.

Основной промышленный способ получения диоксида серы - из серного колчедана FeS 2 путем его сжигания и дальнейшей обработки слабой холодной H 2 SO 4.

Кроме того, серный диоксид можно получить путем сжигания серы, а также как побочный продукт обжига медных и цинковых сульфидных руд.

Сульфидная сера доступна растениям только после перехода в сульфатную форму. Большая часть серы присутствует в почве в составе органических соединений, не усваиваемых растениями. Только после минерализации органических веществ и перехода серы в сульфатную форму органическая сера становится доступной для растений.

Химическая промышленность не выпускает удобрений с основным действующим веществом диоксидом серы. Однако в качестве примесей он содержится во многих удобрениях. К ним относятся фосфогипс, простой суперфосфат, сульфат аммония, сульфат калия, калимагнезия, гипс, сланцевая зола, навоз, торф и многие другие.

Поглощение диоксида серы растениями

Сера поступает в растения через корни в виде SO 4 2- и листья в виде диоксида серы. При этом поглощение серы из атмосферы обеспечивает до 80 % потребности растений в данном элементе. В связи с этим вблизи промышленных центров, где атмосфера богата диоксидом серы, растения хорошо обеспечены серой. В удаленных районах количество сернистого ангидрида в осадках и атмосфере сильно снижается и питание растений серой зависит от ее наличия в почве.