§17. Сера как простое вещество. Аллотропия и свойства серы.

Подробное решение §16 для учащихся 9 класса, Учебник по химии, авторы: Н.Е. Кузнецова, И.М. Титова, издательский центр «Вентана-Граф».

? Какая связь существует между элементом и простым веществом?

Между элементом и простым веществом (металлом, неметаллом или соединением металлов с неметаллами) существуют разные виды химической связи. Выделяют металлическую, ковалентную и ионную связи. 

Металлическая связь

Возникает в простых веществах — металлах и их сплавах. Атомы металлов легко теряют свои валентные электроны и превращаются в положительные ионы, а электроны становятся общими для всего образца металла.

Особенности:

• Металлическая связь ненасыщаема, так как объединяет большое число атомов.
• Ненаправлена, что обусловлено сферической формой электронных орбиталей, перекрывание которых зависит только от расстояний между ними и не зависит от направлений, по которым они сближаются.
• На прочность металлической связи оказывает влияние радиус атомов металла и количество их валентных электронов.

Ковалентная связь

Возникает между атомами неметаллов. Между ними образуются общие электронные пары из неспаренных электронов. 

Виды ковалентной связи:

• Ковалентная неполярная — образуется между атомами одного и того же элемента неметалла, общие пары электронов одинаково принадлежат обоим атомам. Например, молекулы водорода (H₂), кислорода (O₂), азота (N₂).
• Ковалентная полярная — образуется между атомами с различной электроотрицательностью, где общая электронная пара смещена к более электроотрицательному атому. Примеры: HCl, H₂O, NH₃, HF, CO.

Ионная связь

Возникает в соединениях металлов с неметаллами: в бинарных соединениях, основаниях, солях. При образовании этой связи атомы одного элемента отдают электроны и превращаются в катионы, а атомы другого элемента принимают электроны и превращаются в анионы. Катионы и анионы притягиваются друг к другу.

Особенности:

• Ионная связь формируется между атомами с высокой разностью электроотрицательностей (свыше 1,7 по шкале Полинга), когда электроны переходят от атома с меньшей электроотрицательностью к атому с большей электроотрицательностью.
• На самом деле полностью ионной связи не встречается — обычно связь носит частично ионный, частично ковалентный характер. Однако связь сложных молекулярных ионов может считаться ионной.

Какие общие химические свойства присущи сере как халькогену?

Сера (элемент VI группы периодической таблицы Менделеева) как халькоген (элемент VIA группы Периодической системы) имеет характерные химические свойства, связанные с её электронной конфигурацией (ns² np⁴) и способностью существовать в различных степенях окисления. Некоторые из них: 

• Окислительно-восстановительные свойства. Сера может восстанавливаться до степени окисления –2 (S²⁻), окисляться до +4 (SO₂) и +6 (SO₃, SO₄²⁻). 
• Образование бинарных соединений. Сера легко реагирует со многими металлами, особенно при нагревании, с образованием сульфидов — бинарных соединений металла с серой. 
• Взаимодействие с неметаллами. Сера взаимодействует практически со всеми неметаллами с образованием бинарных соединений, за исключением азота и йода, потому что у них низкая активность. 
• Реакции с кислородом. При нагревании сера горит голубым пламенем, образуется сернистый газ SO₂. 
• Реакции с водородом. Взаимодействие серы с водородом приводит к образованию сероводорода H₂S. 

Реакции с металлами

• Проявление свойств окислителя. Сера образует с металлами сульфиды. С щелочными металлами реакция идёт без нагревания, со всеми остальными — при нагревании. Например, образование сульфида алюминия: 3S + 2Al = Al₂S₃.
• Восстановление железа. Железо восстанавливается только до +2, так как сера хоть и является здесь окислителем, но довольно слабым. Например, Fe + S = FeS.

Реакции с неметаллами

• Образование галогенидов (кроме иода). Например, хлорид серы: S + Cl₂ = SCl₂.
• Реакция с фосфором — образуется сульфид фосфора: 2S + 3S = P₂S₃.
• Реакция с углеродом — при нагревании без доступа воздуха сера реагирует с фосфором и углеродом, проявляя окислительные свойства: P + S = P₂S₃, S + C = CS₂.

Реакции с кислородом

• Образование оксидов (SO₂ и SO₃). Сера активно реагирует с кислородом (при нагревании).
• Гидратация оксидов — они могут гидратироваться, образуя соответствующие кислоты (H₂SO₃ и H₂SO₄).
• Окислительно-восстановительные свойства — сера в низших степенях окисления (например, в H₂S) может выступать в роли восстановителя, а в высоких степенях (например, в SO₃) — в роли окислителя.

Реакции с водородом

• Образование сероводорода — H₂ + S = H₂S. Реакция протекает при 150–200°С. 
• Окислительные свойства — сера проявляет окислительные свойства при взаимодействии с водородом. 

Вопросы и задания

1. В каком виде сера встречается в природе?

Ответ:

Сера встречается в природе как в виде простого вещества (самородная сера), так и в виде соединений (сульфиды и сульфаты).

2. Какие аллотропные модификации серы вы знаете и чем они отличаются друг от друга?

Ответ:

Сера в свободном виде образует две относительно устойчивые аллотропные модификации: ромбическую и моноклинную. Они отличаются формой кристалла, ромбическая сера имеет октаэдрическую форму, а моноклинная – призматическую.

3. Объясните, почему сера в соединениях с металлами проявляет степень окисления -2, а в соединениях с кислородом и галогенами +4 и +6.

Ответ:

Сера, по сравнению с металлами, более электроотрицательный элемент, поэтому в соединениях с металлами она проявляет степень окисления -2. Сера, по сравнению с кислородом и галогенами, менее электроотрицательный элемент, поэтому в соединениях с ними она проявляет степень окисления +4 и +6.

4. Какой объём воздуха расходуется на сжигание 4 г серы? (Объёмное содержание кислорода в воздухе примерно 20%).

Ответ:

Дано:

m(S) = 4г

φ(O₂) = 20%

Найти: V(воздуха) = ?

Решение:

S + O₂ = SO₂

n(S) = m(S)/M(S) = 4/32 = 0,125 моль

n(O₂) = n(S) = 0,125 моль

V(O₂) = n(O₂)⋅Vm = 0,125⋅22.4 = 2.8л

V(воздуха) = 100⋅V(O₂)/φ(O₂) = 100⋅2.820 = 14 л

Ответ: V(воздуха) = 14 л.

5. Как изменяются окислительные и восстановительные свойства серы в соединениях: H₂S, S, SO₂, SO₃? Назовите из этих веществ наиболее сильный окислитель и восстановитель.

Ответ:

H₂S – проявляет сильные восстановительные свойства, так как сера в данном соединении имеет минимальную степень окисления -2, т. е. она уже не способна принимать электроны.

S – проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства, так как сера в данном соединении имеет промежуточную степень окисления 0, т. е. она может как принимать, так и отдавать электроны.

SO₂ – проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства, так как сера в данном соединении имеет промежуточную степень окисления +4, т. е. она может как принимать, так и отдавать электроны.

SO₃ – проявляет сильные окислительные свойства, так как сера в данном соединении имеет максимальную степень окисления +6, т. е. она уже не способна отдавать электроны.

6. При образовании 1 моль оксида серы (IV) из простых веществ выделяется 332,8 кДж. Определите количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 г серы.

Ответ:

Дано:

n₁(SO₂) = 1 моль

Q₁ = 332,8 кДж

m₂(S) = 1 г

Найти: Q₂ = ?

Решение:

S + O₂ = SO₂

n₂(S) = m₂(S)/M(S) = 1/32 = 0,03125 моль

Q₂ = n₂(S)⋅Q₁/n₁(SO₂) = 0,03125⋅332,81 = 10,4 кДж

Ответ: Q₂=10,4 кДж.