Из каких молекул состоит кристаллическая сера?

Циклических S₈ — кольцо из восьми атомов

Отдельных атомов S

Халькогены. Сера — 9 класс, химия: объяснение, примеры, задачи

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Общая характеристика неметаллов

Коротко о главном

Халькогены — элементы VIA-группы: O, S, Se, Te, Po, Lv. У их атомов 6 внешних электронов, поэтому низшая степень окисления −2. Сера — типичный неметалл: с металлами и водородом она окислитель, с кислородом, галогенами и кислотами-окислителями — восстановитель.

\mathrm{\overset{-2}{S} \;\leftarrow\; \overset{0}{S} \;\rightarrow\; \overset{+4}{S},\ \overset{+6}{S}}

Подробное объяснение

Спичечная головка вспыхивает с характерным запахом, а яичный желток чернит серебряную ложку. В обоих случаях работает один элемент — сера. Посмотрим, почему она так легко вступает в реакции и с металлами, и с кислородом.

Халькогены — VIA-группа

В VIA-группу входят кислород, сера, селен, теллур, полоний и искусственный ливерморий. Название «халькогены» означает «рождающие руды»: кислород и сера входят в состав множества минералов.

У всех халькогенов на внешнем уровне 6 электронов, до устойчивой восьмёрки не хватает двух. Поэтому типичная низшая степень окисления −2: $\mathrm{H_2O}$ , $\mathrm{H_2S}$ , $\mathrm{H_2Se}$ . Сверху вниз по группе радиус атома растёт, электроны внешнего уровня держатся слабее. Неметаллические свойства ослабевают: кислород — второй по силе окислитель после фтора, а полоний уже относят к металлам.

Кислород в группе особенный. Обычно у него степень окисления −2. В пероксидах ( $\mathrm{H_2O_2}$ , $\mathrm{Na_2O_2}$ ) атомы кислорода связаны друг с другом, и степень окисления −1. Положительная — только в соединениях с фтором, например $\mathrm{OF_2}$ .

Атом серы

Сера — элемент № 16, 3-й период. Электроны: 2, 8, 6. Если сера принимает 2 электрона, её степень окисления −2 (сульфиды, сероводород). Если отдаёт — +4 или +6, реже +2.

Шкала степеней окисления серы −2, 0, +4, +6 с примерами веществ. От простой серы (0) стрелка влево, +2e⁻, к −2 — сера окислитель; стрелки вправо, −4e⁻ и −6e⁻, к +4 и +6 — сера восстановитель. — Сера в степени окисления 0 стоит посередине, поэтому бывает и окислителем, и восстановителем.

Сера в природе

Самородная сера встречается у вулканов. Ещё больше серы в минералах:

сульфиды — пирит $\mathrm{FeS_2}$ , цинковая обманка $\mathrm{ZnS}$ , свинцовый блеск $\mathrm{PbS}$ , киноварь $\mathrm{HgS}$ ;
сульфаты — гипс $\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}$ , глауберова соль $\mathrm{Na_2SO_4 \cdot 10H_2O}$ .

Аллотропия серы

Сера образует несколько простых веществ — это аллотропия. Кристаллическая сера — жёлтые хрупкие кристаллы из кольцевых молекул $\mathrm{S_8}$ , в воде не растворяется. Если расплав серы вылить в холодную воду, получится пластическая сера — коричневая тягучая масса из длинных цепочек атомов. Со временем она снова становится кристаллической. В уравнениях реакций серу записывают просто S.

Химические свойства

Сера — окислитель (принимает электроны, $\mathrm{S^0 \rightarrow S^{-2}}$ ) с металлами и водородом:

\mathrm{Fe + S \xrightarrow{t} FeS}

\mathrm{H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S}

С ртутью сера реагирует уже при комнатной температуре, поэтому разлитую ртуть засыпают серным порошком.

Сера — восстановитель (отдаёт электроны) с более электроотрицательными неметаллами и сильными окислителями:

\mathrm{S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2}

\mathrm{S + 3F_2 \rightarrow SF_6}

\mathrm{S + 2H_2SO_4}\text{ (конц.) }\mathrm{\xrightarrow{t} 3SO_2\uparrow + 2H_2O}

Из этих окислителей до +6 серу доводят фтор и концентрированная азотная кислота (

\mathrm{S + 6HNO_3 \rightarrow H_2SO_4 + 6NO_2 + 2H_2O}

); кислород при горении окисляет её только до +4.

Применение

Больше всего серы идёт на серную кислоту. Ещё из неё делают спички, резину (вулканизация), лекарства и средства от вредителей растений. Сера — биогенный элемент: она входит в белки волос, ногтей, шерсти, перьев.

Как решать задачи

Запишите уравнение реакции серы и проверьте коэффициенты.
Найдите количества вещества исходных веществ: $n = \dfrac{m}{M}$ .
Если даны массы обоих реагентов — сравните их с коэффициентами и найдите вещество в недостатке.
По недостатку и коэффициентам найдите количество продукта, затем его массу.
Для ОВР расставьте степени окисления и определите, отдаёт или принимает сера электроны.

Разобранные примеры

База

Роль серы в реакции с алюминием

Условие

Расставьте степени окисления в реакции $\mathrm{2Al + 3S \rightarrow Al_2S_3}$ , составьте электронный баланс и укажите окислитель.

Решение

\mathrm{\overset{0}{Al}} - 3e^- \rightarrow \mathrm{\overset{+3}{Al}} \quad \times 2 \quad \text{окисление}

\mathrm{\overset{0}{S}} + 2e^- \rightarrow \mathrm{\overset{-2}{S}} \quad \times 3 \quad \text{восстановление}

Два атома алюминия отдают 6 электронов, три атома серы принимают 6. Сера принимает электроны — она окислитель, алюминий — восстановитель.

Ответ: Окислитель — сера (S⁰ → S⁻²), восстановитель — алюминий

Средний

Масса сульфида цинка

Условие

Цинк массой 13 г сплавили с избытком серы. Найдите массу образовавшегося сульфида цинка.

Дано

$m(\mathrm{Zn}) = 13$ г

Найти

$m(\mathrm{ZnS})$ . $\mathrm{Zn + S \xrightarrow{t} ZnS}$ $n(\mathrm{Zn}) = \dfrac{13}{65} = 0{,}2$ моль
$n(\mathrm{ZnS}) = 0{,}2$ моль

Решение

$M(\mathrm{ZnS}) = 65 + 32 = 97$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 97 = 19{,}4$ г.

Ответ: 19,4 г

Сложный

Какое вещество в избытке

Условие

Смешали 2,4 г магния и 4 г серы и нагрели. Какая масса сульфида магния получится и сколько граммов какого вещества останется?

Дано

$m(\mathrm{Mg}) = 2{,}4$ г
$m(\mathrm{S}) = 4$ г

Найти

$m(\mathrm{MgS})$
остаток. $\mathrm{Mg + S \xrightarrow{t} MgS}$ $n(\mathrm{Mg}) = \dfrac{2{,}4}{24} = 0{,}1$ моль
$n(\mathrm{S}) = \dfrac{4}{32} = 0{,}125$ моль

Решение

Реагируют 1 : 1, магния меньше — он в недостатке. $n(\mathrm{MgS}) = 0{,}1$ моль, $M(\mathrm{MgS}) = 56$ г/моль, $$m = 5{,}6$$ г.

Серы осталось $(0{,}125 - 0{,}1) \cdot 32 = 0{,}8$ г. Проверка по массе: $$2{,}4 + 4 = 5{,}6 + 0{,}8$$ .

Ответ: 5,6 г MgS, в избытке осталось 0,8 г серы

Типичные ошибки

Считают, что сера всегда окислитель

Почему неверно

Сера — неметалл, и ученики по привычке видят в ней только «принимающего электроны». Но с кислородом, фтором, хлором и кислотами-окислителями сера отдаёт электроны и повышает степень окисления до +4 или +6.

Как правильно

Сравните партнёра с серой. Металл или водород — сера окислитель (S⁰ → S⁻²). Кислород, галоген, концентрированная $\mathrm{H_2SO_4}$ или $\mathrm{HNO_3}$ — сера восстановитель (S⁰ → S⁺⁴ или S⁺⁶).

Путают сульфид, сульфит и сульфат

Почему неверно

Названия похожи, но это разные степени окисления серы: в сульфиде ( $\mathrm{FeS}$ , $\mathrm{Na_2S}$ ) −2, в сульфите ( $\mathrm{Na_2SO_3}$ ) +4, в сульфате ( $\mathrm{Na_2SO_4}$ ) +6. Если спутать, неверными будут и формула, и электронный баланс.

Как правильно

Сульфид — сера без кислорода, ион $\mathrm{S^{2-}}$ . Сульфит — ион $\mathrm{SO_3^{2-}}$ , сульфат — ион $\mathrm{SO_4^{2-}}$ . Запоминайте: «-ид» — бескислородная соль.

Считают продукт по веществу, взятому в избытке

Почему неверно

Если даны массы и металла, и серы, одно из веществ прореагирует не полностью. Расчёт по избытку даёт завышенную массу продукта.

Как правильно

Найдите оба количества вещества, поделите каждое на свой коэффициент в уравнении. Меньшее число — недостаток; по нему и считайте продукт. Остаток избытка проверьте по закону сохранения массы.

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Составьте схему распределения электронов в атоме серы. Сколько электронов не хватает атому серы до завершения внешнего уровня? Какую низшую и высшую степень окисления может иметь сера?

Подсказка

Порядковый номер серы — 16, на первом уровне не больше 2 электронов, на втором — не больше 8.

Решение

У серы 16 электронов: $2,\ 8,\ 6$ . На внешнем уровне 6 электронов, до восьми не хватает двух. Приняв 2 электрона, сера получает низшую степень окисления $$-2$$ (как в $\mathrm{H_2S}$ ). Отдав все 6 внешних электронов — высшую $$+6$$ (как в $\mathrm{SO_3}$ ).

Ответ

2, 8, 6; не хватает двух электронов; низшая −2, высшая +6

База Задача 2

Определите степень окисления серы в веществах $\mathrm{Al_2S_3}$ , $\mathrm{Na_2SO_4}$ , $\mathrm{SCl_2}$ , $\mathrm{SO_2}$ .

Подсказка

Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю; у Al +3, у Na +1, у O −2, у Cl в соединении с серой −1.

Решение

В $\mathrm{Al_2S_3}$ имеем $2 \cdot (+3) + 3x = 0$ , $$x = -2$$ .

В $\mathrm{Na_2SO_4}$ имеем $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +6$$ .

В $\mathrm{SCl_2}$ имеем $x + 2 \cdot (-1) = 0$ , $$x = +2$$ .

В $\mathrm{SO_2}$ имеем $x + 2 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +4$$ .

Ответ

Al₂S₃ −2; Na₂SO₄ +6; SCl₂ +2; SO₂ +4

Средний Задача 3

Железные опилки массой 11,2 г нагрели с избытком серы. Какая масса сульфида железа(II) образовалась?

Подсказка

Запишите уравнение реакции и найдите количество вещества железа.

Решение

Дано

$m(\mathrm{Fe}) = 11{,}2$ г
сера в избытке

Найти

$m(\mathrm{FeS})$ . $\mathrm{Fe + S \xrightarrow{t} FeS}$ $n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ моль
по уравнению $n(\mathrm{FeS}) = 0{,}2$ моль

$M(\mathrm{FeS}) = 56 + 32 = 88$ г/моль, $m(\mathrm{FeS}) = 0{,}2 \cdot 88 = 17{,}6$ г.

Ответ

17,6 г

Средний Задача 4

Составьте уравнения реакций серы с водородом и с кислородом. В каждой реакции расставьте степени окисления и укажите, окислителем или восстановителем выступает сера.

Подсказка

Сравните электроотрицательность серы с водородом и с кислородом.

Решение

\mathrm{H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S}

$\mathrm{\overset{0}{S}} + 2e^- \rightarrow \mathrm{\overset{-2}{S}}$ — сера принимает электроны, она окислитель (водород менее электроотрицателен).

\mathrm{S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2}

\mathrm{\overset{0}{S}} - 4e^- \rightarrow \mathrm{\overset{+4}{S}}

— сера отдаёт электроны, она восстановитель (кислород более электроотрицателен).

Ответ

H₂ + S → H₂S — сера окислитель; S + O₂ → SO₂ — сера восстановитель

Сложный Задача 5

Смесь 5,4 г алюминиевой пудры и 6,4 г серы подожгли. Какое вещество осталось в избытке и какой массы? Какая масса сульфида алюминия образовалась?

Подсказка

Сравните количества вещества с коэффициентами уравнения $\mathrm{2Al + 3S \rightarrow Al_2S_3}$ .

Решение

Дано

$m(\mathrm{Al}) = 5{,}4$ г
$m(\mathrm{S}) = 6{,}4$ г

Найти

избыток
$m(\mathrm{Al_2S_3})$ . $\mathrm{2Al + 3S \xrightarrow{t} Al_2S_3}$ $n(\mathrm{Al}) = \dfrac{5{,}4}{27} = 0{,}2$ моль
$n(\mathrm{S}) = \dfrac{6{,}4}{32} = 0{,}2$ моль

На 0,2 моль серы нужно $\dfrac{2}{3} \cdot 0{,}2 \approx 0{,}133$ моль алюминия — его больше, значит, сера в недостатке, алюминий в избытке.

$n(\mathrm{Al_2S_3}) = \dfrac{0{,}2}{3} \approx 0{,}0667$ моль, $M = 2 \cdot 27 + 3 \cdot 32 = 150$ г/моль, $m = 0{,}0667 \cdot 150 = 10$ г.

Осталось алюминия $(0{,}2 - 0{,}133) \cdot 27 = 1{,}8$ г (проверка: $$5{,}4 + 6{,}4 - 10 = 1{,}8$$ г).

Ответ

Алюминий в избытке, 1,8 г; Al₂S₃ — 10 г

Сложный Задача 6

Образец руды массой 50 г содержит 96 % пирита $\mathrm{FeS_2}$ , остальное — пустая порода без серы. Какая масса серы содержится в образце?

Подсказка

Найдите массу пирита, затем массовую долю серы в $\mathrm{FeS_2}$ .

Решение

Дано

$m(\text{руды}) = 50$ г
$w(\mathrm{FeS_2}) = 96\%$

Найти

$m(\mathrm{S})$

$m(\mathrm{FeS_2}) = 50 \cdot 0{,}96 = 48$ г.

$M(\mathrm{FeS_2}) = 56 + 2 \cdot 32 = 120$ г/моль, $w(\mathrm{S}) = \dfrac{64}{120}$ .

$m(\mathrm{S}) = 48 \cdot \dfrac{64}{120} = 25{,}6$ г.

Ответ

25,6 г

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите спичку: в головке есть сера, при горении она соединяется с кислородом — получается сернистый газ с резким запахом. Здесь сера отдаёт электроны кислороду. А серебряная ложка, почерневшая от яйца, — это сульфид серебра: тут уже сера забрала электроны у металла. Одна и та же сера в разных парах играет разные роли — в этом главная мысль темы.

Вопросы для проверки понимания: 1) Почему у серы низшая степень окисления −2? 2) С каким веществом сера — окислитель, а с каким — восстановитель: с железом или с кислородом? 3) Чем кристаллическая сера отличается от пластической?

На что обратить внимание. Пусть ребёнок не просто выучит уравнения, а каждый раз объясняет, кто отдаёт электроны. Опыты с серой и ртутью дома не проводятся: продукты горения серы и пары ртути ядовиты.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 13	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9