Лабораторная работа № 7 элементы VI a группы. Сера

Теоретическая часть

С кислородом сера образует ряд оксидов. Важнейшими из них являются SO₂ – соединение с промежуточной степенью окисления +4 и SO₃ – соединение с максимальной степенью окисления +6. В молекуле SO₂ атом серы находится в состоянии sp² гибридизации и угол ОSO близок к 120°( 119,5°). SO₂ – проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства. Последние свойства более характерны. SO₂ - кислотный оксид и, растворяясь в воде, образует сернистую кислоту H₂SO₃, которая характе­ризуется следующими значениями констант диссоциации: K₁=l,7·10^-2 и K₂=6,2·10^-8

Большинство нормальных солей сернистой кислоты, называемых сульфитами, практически нерастворимы. Хорошо растворимые сульфиты (сульфиты натрия, калия) гидролизуются по обычной схеме, характерной для солей, образованных многовалентными анионами кислот (рН среды щелочная). Кислые соли называются гидросульфитами и также гидролизуются (водные растворы имеют щелочную реакцию). Промежуточная степень окисления серы в сернистой кислоте и сульфитах обуславливает их способность окисляться в соединения с более высокой степенью окисления, проявляя восстановительные свойства, по схеме:

H₂SO₃ + Н₂О = SO₄^2- + 4Н⁺ + 2ē

В подавляющем большинстве случаев именно так ведет себя сернистая кислота и сульфиты в кислой среде, окисляясь в серную кислоту и сульфаты. Сернистая кислота может проявлять также и окислительные свойства (восстановление обычно до 8) в реакциях с более сильными восстановителями (например, H₂S). Максимальная степень окисления серы +6 проявляется в серном ангидриде SO₃. Атом серы в этом соединении находится в состоянии sp² – гибридизации. Оксид серы (VI) – сильный окислитель. Многие вещества под его воздействием загораются. Растворение триоксида серы в воде сопровождается образованием сильной двухосновной серной кислоты H₂SO₄. Средние соли называются сульфатами, кислые – гидросульфатами. Серная кислота – окислитель. Окислительные ее свойства проявляются различно в зависимости от концентрации кислоты и характера восстановителя. Разбавленная серная кислота окисляет только активные металлы, стоящие в ряду напряжений перед водородом (Mg, Zn, Fe и др.). При действии разбавленной серной кислоты окислителем является ион Н⁺. Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет почти все металлы и неметаллы, но водород при этом не выделяется, т.к. окисление производит ион SO₄^2-. В зависимости от активности металла SO₄^2- может восстанавливаться до S, Н₂S, но чаще всего до SO₂. Концентрированная серная кислота является сильным водоотнимающим веществом. Он поглощает пары воды, а также отнимает воду от многих органических веществ. Кроме рассмотренных кислородосодержащих кислот сера образует и другие кислородосодержащие кислоты, отвечающие общим формулам H₂SO_n (n=2, 3,4 и 5) и Н₂S₂O_n (n=4, 5 и 6).

Экспериментальная часть

Опыт 1. Восстановительные свойства сероводорода (опыт выполнять под тягой!).

Взять 4 пробирки и налить по 3...4 капли: в первую – бромную воду, во вторую – йодную воду, в третью – концентрированную HNO₃ и в четвертую – 3% раствор перекиси водорода. Прибавлять в каждую пробирку по каплям сероводородную воду. Отметить помутнение раствора в результате выделения свободной серы. Окисление H₂S можно изобразить уравнением:

H₂S - 2ē = S + 2H⁺

Составить уравнения проведенных реакций.

Опыт 2. Восстановительные свойства сернистой кислоты

1. В пробирку налить 3...6 капель раствора трихлорида железа и прибавить к нему по каплям раствор сернистой кислоты или раствор сульфита, подкисленный 1 н. раствором серной кислоты, до тех пор, пока желтый цвет раствора FeCl₃ не изменится до зеленоватого.

2. В пробирку налить 2...3 капли йодной воды и прибавлять по каплям раствор сернистой кислоты до полного обесцвечивания йода. Сернистая кислота окисляется по уравнению:

SO₃^2- + H₂O – 2ē = SO₄^2- + 2H⁺

Составить уравнения реакций.

Опыт 3. Окислительные свойства сернистой кислоты

К 5...6 каплям раствора сернистой кислоты прибавить по каплям сероводородную воду.

Отметить наблюдения. Реакция выражается следующими уравнениями:

Опыт 4. Взаимодействие разбавленной серной кислоты с металлами

В 5 пробирок налить 1...2 мл 2 н. раствора серной кислоты и поместить в одну из них кусочек магния, в другую – цинка, в третью – алюминия, в четвертую - железа, в пятую – меди. В течение 2...3 минут наблюдать, с какими металлами разбавленная серная кислота взаимодействует на холоде. Пробирки, в которых реакция не протекает или протекает слабо, слегка подогреть. С какими из взятых металлов разбавленная серная кислота взаимодействует? Составить уравнения реакций.

Опыт 5. Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами

1. В пробирку поместить несколько кусочков медной стружки и налить 1мл концентрированной серной кислоты (осторожно!). Захватив пробирку держателем, нагреть ее нижнюю часть. Когда начнется выделение газа, осторожно определить по запаху, что за газ выделяется. Составить уравнение реакции.

2. В пробирку поместить несколько кусочков цинка и налить 1 мл концентрированной серной кислоты (осторожно!). Захватив пробирку держателем, слегка подогреть ее нижнюю часть и, как только начнется выделение газа, определить его по запаху. Затем нагреть пробирку и наблюдать появление желтой мути вследствие выделения серы. К отверстию пробирки поднести фильтрованную бумагу, смоченную раствором соли свинца. О чем свидетельствует почернение бумаги? Составить уравнения реакций.

В зависимости от активности металла и температуры среды молекулы серной кислоты восстанавливаются до SO₂, S, H₂S .

4H₂SО₄ +2 ē = SО₂ + SO₄^2-;

4H₂SO₄+6 ē = S + 4H₂O + 3SO₄^2-;

5H₂SO₄+8 ē = H₂S + 4H₂O+4SO₄^2-

Контрольные вопросы

1. Написать электронную формулу атома серы. Какие степени окисления характерны для серы?

2. При каком окислительном числе сера может быть: а) только окислителем; б) только восстановителем; в) как окислителем, так и восстановителем?

Привести примеры реакций, в которых сера проявляет окислительные и восстановительные свойства.

3. Написать уравнение диссоциации сероводородной кислоты и выражения для констант диссоциации K₁ и К₂. Как изменится степень диссоциации сероводородной кислоты от добавления к раствору ее: а) щелочи, б) нона Ag⁺? Прибавлением какого вещества и почему можно уменьшить степень диссоциации сероводородной кислоты?

4. Какие кислородные соединения образует сера, как они получаются и какими свойствами обладают?

5. Какие химические процессы лежат в основе контактного и башенного способов производства серной кислоты? Что называется олеумом?

6. Реагируют ли железо, цинк и медь с разбавленным (концентрированным) раствором серной кислот? Написать уравнения соответствующих реакций.

7. Почему серная кислота является более сильной и более устойчивой кислотой, чем сернистая?

8. Как получают тиосульфат натрия? Одинакова ли степень окисления атомов серы в тиосульфате натрия? Как ведет себя тиосульфат натрия при нагревании?