Как правильно разбавлять концентрированную серную кислоту?

Лить кислоту в воду тонкой струйкой, перемешивая

Лить воду в кислоту

Смешивать сразу, порядок не важен

Сначала нагреть кислоту, потом добавить воду

Каким одним реактивом можно отличить раствор сульфита натрия от раствора сульфата натрия?

Гидроксидом натрия

Кислородные соединения серы — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

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

Халькогены — элементы VIA-группы. Сера

Коротко о главном

С кислородом сера образует соединения в степенях окисления +4 и +6. Сера +4 — это $\mathrm{SO_2}$ , сернистая кислота $\mathrm{H_2SO_3}$ и сульфиты: они бывают и окислителями, и восстановителями. Сера +6 — это $\mathrm{SO_3}$ , серная кислота $\mathrm{H_2SO_4}$ и сульфаты: здесь сера может быть только окислителем.

\mathrm{\overset{+4}{S}O_2 \rightarrow H_2\overset{+4}{S}O_3 \rightarrow \text{сульфиты}; \quad \overset{+6}{S}O_3 \rightarrow H_2\overset{+6}{S}O_4 \rightarrow \text{сульфаты}}

Подробное объяснение

Когда зажигают спичку, на секунду чувствуется резкий удушливый запах. Это сернистый газ $\mathrm{SO_2}$ : в головке спички есть сера. Тот же газ выходит из вулканов, им окуривают подвалы от плесени. А его «старший брат» по цепочке превращений — серная кислота, главный продукт химической промышленности.

Таблица из двух столбцов — сера +4 и сера +6. Оксиды SO₂ и SO₃, кислоты H₂SO₃ и H₂SO₄, сульфиты и сульфаты; сера +4 — окислитель и восстановитель, сера +6 — только окислитель; BaSO₃ растворяется в кислотах, BaSO₄ — нет. — Сера +4 может и отдавать, и принимать электроны, сера +6 — только принимать.

Оксид серы(IV) и сернистая кислота

$\mathrm{SO_2}$ — бесцветный газ с резким запахом, ядовит. Это кислотный оксид: хорошо растворяется в воде и даёт сернистую кислоту, реагирует с основными оксидами и щелочами, образуя сульфиты:

\mathrm{SO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2SO_3}, \qquad \mathrm{SO_2 + 2KOH \rightarrow K_2SO_3 + H_2O}

В лаборатории $\mathrm{SO_2}$ получают из сульфита и сильной кислоты: $\mathrm{Na_2SO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + SO_2\uparrow + H_2O}$ .

Сернистая кислота — кислота средней силы, существует только в разбавленном растворе и при нагревании разлагается обратно на $\mathrm{SO_2}$ и воду. Поэтому в ионных уравнениях её пишут молекулой.

У серы +4 есть «запас» в обе стороны: она может отдать два электрона (до +6) и может принять (до 0). Восстановительные свойства выражены сильнее: с кислородом на катализаторе, с хлором, с азотной кислотой $\mathrm{SO_2}$ окисляется. Окислитель он только для сильных восстановителей, например для сероводорода: $\mathrm{SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S + 2H_2O}$ . Сернистый газ обесцвечивает красители, поэтому им отбеливают шерсть и шёлк, а ещё он убивает микробы.

Оксид серы(VI) и серная кислота

$\mathrm{SO_3}$ получают окислением $\mathrm{SO_2}$ кислородом при нагревании с катализатором $\mathrm{V_2O_5}$ . Это бесцветная жидкость с ярко выраженными кислотными свойствами: с водой даёт серную кислоту, со щелочами — сульфаты.

Разбавленная серная кислота — сильный электролит, у неё все свойства кислот: меняет окраску индикаторов, реагирует с металлами до водорода (выделяя $\mathrm{H_2}$ ), с основными оксидами, основаниями, солями.

Концентрированная кислота ведёт себя иначе:

Отнимает воду — обугливает бумагу, сахар, древесину, сильно обжигает кожу.
Окисляет металлы и до водорода, и после него (медь, серебро) за счёт серы +6. Водород при этом не выделяется: сера восстанавливается до $\mathrm{SO_2}$ , а с активными металлами — до $\mathrm{S}$ или $\mathrm{H_2S}$ .
Алюминий, железо и хром на холоду пассивирует — покрывает защитной плёнкой.

Правило безопасности: при разбавлении кислоту льют в воду, а не наоборот, — иначе вода вскипит и разбрызжет кислоту.

Сульфиты и сульфаты

Большинство сульфитов нерастворимо, кроме солей щелочных металлов и аммония. Сульфиты — восстановители: $\mathrm{Na_2SO_3}$ убирает остатки хлора после отбеливания. Большинство сульфатов, наоборот, растворимо (кроме сульфатов бария, стронция, кальция, свинца). Многие образуют кристаллогидраты: медный купорос $\mathrm{CuSO_4 \cdot 5H_2O}$ , железный купорос $\mathrm{FeSO_4 \cdot 7H_2O}$ .

Качественные реакции. С ионами бария оба иона дают белый осадок. Отличить их помогает кислота: $\mathrm{BaSO_3}$ в соляной кислоте растворяется с выделением $\mathrm{SO_2}$ , а $\mathrm{BaSO_4}$ не растворяется. Азотная кислота для этой пробы не годится: она окисляет сульфит до сульфата, и осадок остаётся.

\mathrm{Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow}

Как решать задачи

Определите степень окисления серы: +4 — окислитель и восстановитель, +6 — только окислитель.
Разбавленная или концентрированная кислота? От этого зависят продукты реакции с металлами.
Для ОВР составьте электронный баланс, для реакций в растворе — полное и сокращённое ионные уравнения ( $\mathrm{H_2SO_3}$ , $\mathrm{SO_2}$ , осадки и воду пишите молекулами).
В расчётах находите количество вещества и идите по коэффициентам уравнения.

Разобранные примеры

База

Как отличить сульфит от сульфата

Условие

В двух пробирках растворы сульфита калия и сульфата калия. Как их распознать? Напишите ионные уравнения.

Решение

Добавим в обе пробирки соляную кислоту. Там, где сульфит, выделится газ с резким запахом:

\mathrm{K_2SO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + SO_2\uparrow + H_2O}

\mathrm{SO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow SO_2\uparrow + H_2O}

С сульфатом калия соляная кислота не реагирует: ни газа, ни осадка, ни слабого электролита не образуется. Для подтверждения в эту пробирку можно прилить хлорид бария — выпадет белый осадок, не растворимый в кислоте:

\mathrm{Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow}

Ответ: Соляной кислотой: с сульфитом выделяется SO₂ (SO₃²⁻ + 2H⁺ → SO₂↑ + H₂O), с сульфатом изменений нет.

Средний

Серебро и концентрированная серная кислота

Условие

Серебро растворяется в горячей концентрированной серной кислоте, выделяется сернистый газ. Составьте уравнение методом электронного баланса.

Решение

Схема: $\mathrm{Ag + H_2SO_4 \rightarrow Ag_2SO_4 + SO_2 + H_2O}$ .

$\mathrm{\overset{0}{Ag} - 1e \rightarrow \overset{+1}{Ag}}$ , множитель 2 — окисление, серебро — восстановитель.

$\mathrm{\overset{+6}{S} + 2e \rightarrow \overset{+4}{S}}$ , множитель 1 — восстановление, $\mathrm{H_2SO_4}$ — окислитель.

Ставим 2 перед серебром. Серы справа $$1 + 1 = 2$$ атома, значит, кислоты 2; водорода слева 4 — воды 2:

\mathrm{2Ag + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} Ag_2SO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}

Ответ: 2Ag + 2H₂SO₄ → Ag₂SO₄ + SO₂↑ + 2H₂O; Ag — восстановитель, H₂SO₄ (S⁺⁶) — окислитель.

Сложный

Формула соли по массовым долям

Условие

Соль содержит 32,4 % натрия, 22,5 % серы и 45,1 % кислорода. Выведите её формулу и назовите соль.

Решение

Возьмём 100 г соли и разделим массы элементов на их атомные массы:

$n(\mathrm{Na}) : n(\mathrm{S}) : n(\mathrm{O}) = \dfrac{32{,}4}{23} : \dfrac{22{,}5}{32} : \dfrac{45{,}1}{16} = 1{,}41 : 0{,}70 : 2{,}82$ .

Делим на наименьшее (0,70): $$2 : 1 : 4$$ . Формула $\mathrm{Na_2SO_4}$ .

Проверка: $$M = 142$$ г/моль, $w(\mathrm{Na}) = 46/142 = 32{,}4\,\%$ — сходится.

Ответ: Na₂SO₄ — сульфат натрия.

Типичные ошибки

Считают, что концентрированная серная кислота выделяет с металлами водород

Почему неверно

В концентрированной кислоте окислитель — не ионы $\mathrm{H^+}$ , а сера +6. Она и принимает электроны, превращаясь в $\mathrm{SO_2}$ , $\mathrm{S}$ или $\mathrm{H_2S}$ . Отсюда же «загадка» меди: с разбавленной кислотой она не реагирует, а с концентрированной — реагирует.

Как правильно

Разбавленная: $\mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow}$ . Концентрированная: $\mathrm{Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}$ — водорода среди продуктов нет.

Записывают сернистую кислоту ионами в сокращённом уравнении

Почему неверно

$\mathrm{H_2SO_3}$ — слабая, неустойчивая кислота: в растворе она почти не распадается на ионы, а при образовании сразу даёт $\mathrm{SO_2}$ и воду. Запись « $\mathrm{2H^+ + SO_3^{2-}}$ » в правой части неверна.

Как правильно

$\mathrm{SO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow SO_2\uparrow + H_2O}$ — газ и воду пишем молекулами.

Путают сульфит, сульфат и сульфид

Почему неверно

Названия похожи, но это разные ионы: $\mathrm{SO_3^{2-}}$ — сульфит (сера +4), $\mathrm{SO_4^{2-}}$ — сульфат (сера +6), $\mathrm{S^{2-}}$ — сульфид (сера −2). Ошибка в названии меняет всю химию.

Как правильно

Запомните по степени окисления: «-ит» — низшая из двух кислородных (+4), «-ат» — высшая (+6), «-ид» — бескислородная соль.

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

Запишите уравнения реакций оксида серы(IV) с оксидом натрия и с избытком раствора гидроксида кальция. Какие вещества образуются?

Подсказка

$\mathrm{SO_2}$ — кислотный оксид, ему соответствует сернистая кислота, её соли — сульфиты.

Решение

Кислотный оксид реагирует с основным оксидом и со щёлочью, образуя соль сернистой кислоты:

\mathrm{SO_2 + Na_2O \rightarrow Na_2SO_3}

\mathrm{SO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaSO_3\downarrow + H_2O}

Образуются сульфит натрия и сульфит кальция (он малорастворим и выпадает в осадок).

Ответ

SO₂ + Na₂O → Na₂SO₃; SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃↓ + H₂O — сульфиты натрия и кальция

База Задача 2

Вычислите массовую долю серы в оксиде серы(VI) $\mathrm{SO_3}$ .

Подсказка

Массовая доля элемента — его доля в молярной массе вещества.

Решение

$M(\mathrm{SO_3}) = 32 + 3 \cdot 16 = 80$ г/моль.

$w(\mathrm{S}) = \dfrac{32}{80} = 0{,}4$ , то есть 40 %.

Ответ

40 %

Средний Задача 3

На 25,2 г сульфита натрия подействовали избытком соляной кислоты. Какой объём сернистого газа (н. у.) выделился?

Подсказка

Из одного моль сульфита получается один моль $\mathrm{SO_2}$ .

Решение

Дано

$m(\mathrm{Na_2SO_3}) = 25{,}2$ г
$V_m = 22{,}4$ л/моль

Найти

$V(\mathrm{SO_2})$

\mathrm{Na_2SO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + SO_2\uparrow + H_2O}

$M(\mathrm{Na_2SO_3}) = 2 \cdot 23 + 32 + 3 \cdot 16 = 126$ г/моль, $n = \dfrac{25{,}2}{126} = 0{,}2$ моль.

По уравнению $n(\mathrm{SO_2}) = n(\mathrm{Na_2SO_3}) = 0{,}2$ моль, $V = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48$ л.

Ответ

4,48 л

Средний Задача 4

Сернистый газ обесцвечивает бромную воду: $\mathrm{SO_2 + Br_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 + HBr}$ . Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

Подсказка

Сера повышает степень окисления с +4 до +6, бром понижает с 0 до −1.

Решение

$\mathrm{\overset{+4}{S} - 2e \rightarrow \overset{+6}{S}}$ — окисление, $\mathrm{SO_2}$ — восстановитель.

$\mathrm{\overset{0}{Br_2} + 2e \rightarrow 2\overset{-1}{Br}}$ — восстановление, $\mathrm{Br_2}$ — окислитель.

Числа отданных и принятых электронов равны (по 2), множители 1 и 1:

\mathrm{SO_2 + Br_2 + 2H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 2HBr}

Проверка: водород $$4 = 2 + 2$$ , кислород $$2 + 2 = 4$$ .

Ответ

SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr; SO₂ — восстановитель, Br₂ — окислитель

Сложный Задача 5

К 50 г 9,8%-ного раствора серной кислоты прилили избыток раствора хлорида бария. Найдите массу выпавшего осадка.

Подсказка

Найдите массу кислоты в растворе, затем её количество вещества. Осадок — сульфат бария.

Решение

Дано

$m(\text{р-ра}) = 50$ г
$$w = 0{,}098$$

Найти

$m(\mathrm{BaSO_4})$

\mathrm{H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl}

$m(\mathrm{H_2SO_4}) = 50 \cdot 0{,}098 = 4{,}9$ г, $n = \dfrac{4{,}9}{98} = 0{,}05$ моль.

$n(\mathrm{BaSO_4}) = 0{,}05$ моль; $M(\mathrm{BaSO_4}) = 137 + 32 + 64 = 233$ г/моль; $m = 0{,}05 \cdot 233 = 11{,}65$ г.

Ответ

11,65 г

Сложный Задача 6

Медь массой 9,6 г растворили в избытке концентрированной серной кислоты при нагревании. Какой объём газа (н. у.) выделился и какая масса серной кислоты вступила в реакцию?

Подсказка

По уравнению на 1 моль меди расходуется 2 моль кислоты и выделяется 1 моль $\mathrm{SO_2}$ .

Решение

Дано

$m(\mathrm{Cu}) = 9{,}6$ г

Найти

$V(\mathrm{SO_2})$
$m(\mathrm{H_2SO_4})$

\mathrm{Cu + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}

$n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{9{,}6}{64} = 0{,}15$ моль.

$n(\mathrm{SO_2}) = 0{,}15$ моль, $V = 0{,}15 \cdot 22{,}4 = 3{,}36$ л.

$n(\mathrm{H_2SO_4}) = 2 \cdot 0{,}15 = 0{,}3$ моль, $m = 0{,}3 \cdot 98 = 29{,}4$ г.

Половина кислоты идёт на окисление меди (переходит в $\mathrm{SO_2}$ ), половина — на образование соли.

Ответ

3,36 л SO₂; 29,4 г H₂SO₄

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Нарисуйте две колонки: «сера +4» и «сера +6». В каждой по три строчки: оксид, кислота, соли. Объясните, что сера +6 уже «отдала всё» и может только забирать электроны, а сера +4 — посередине и может и отдать, и забрать. Отдельно — правило «кислоту в воду»: тяжёлая кислота тонет и смешивается, а вода, налитая сверху на кислоту, закипает. Вопросы для проверки понимания: 1) Почему $\mathrm{SO_2}$ бывает и окислителем, и восстановителем, а $\mathrm{H_2SO_4}$ — только окислителем? 2) Чем реакция меди с концентрированной серной кислотой отличается от реакции цинка с разбавленной? 3) Как хлоридом бария и кислотой отличить сульфат от сульфита? На что обратить внимание. Ребёнок должен уметь уравнивать ОВР с концентрированной кислотой электронным балансом и не путать окончания -ит/-ат/-ид.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 15	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12