Халькогены (Элементы VI-A группы)
Строение атомов и степени окисления
Халькогены – элементы главной подгруппы VI группы. На внешнем энергетическом уровне
они содержат по 6 электронов. У атомов всех халькогенов, кроме кислорода, в возбужденном
состоянии увеличивается количество неспаренных электронов, поэтому они могут
проявлять степени окисления +4 и +6.
O: 2s22p4
+2
+1
0
-1
-2
S, Se, Te: ns2np4nd0
OF2
+6
SO3, H2SO4
+2
SCl2
+4
O2F2
O2, O3
0
H2O2, Na2O2
-1
O2-
-2
SO2, H2SO3
S
FeS2
H2S, S2-
Простые вещества
Физические свойства простых веществ
Кислород (греч. оксис – кислый, кислотный и генес - происхождение) – бесцветный газ, без
цвета, запаха и вкуса. Поддерживает дыхание, горение и гниение, один из основных
компонентов воздуха (объемная доля ~21%), малорастворим в воде.
Озон (греч. озо – запах) – светло-голубой газ, нерастворим в воде, с характерным запахом.
Сера (санскр. сира – желтый) – имеет несколько аллотропных 1 модификаций, отличающихся
составом молекул. Кристаллическая сера – твердое вещество желтого цвета, пластическая
сера – аморфное вещество коричневого цвета. Нерастворима в воде, растворима в
сероуглероде, скипидаре и некоторых других органических растворителях.
Способы получения кислорода и серы
1) В промышленности
Кислород для промышленных нужд выделяют из воздуха, часть кислорода получают
электролизом воды.
2H2O = 2H2 + O2
Серу получают из самородков, а также путем переработки сульфидных руд и сероводорода.
2) В лаборатории
Кислород в лаборатории можно получить при разложении:
𝑡𝑡
а) нитратов: 2KNO3 → 2KNO2 + O2
𝑀𝑀𝑀𝑀𝑂𝑂2 ,𝑡𝑡
б) хлоратов: 2KClO3 �⎯⎯⎯� 2KCl + 3O2
𝑡𝑡
в) перманганатов: 2KMnO4 → MnO2 + K2MnO4 + O2
𝑡𝑡
г) перекиси водорода: 2H2O2 → O2 + 2H2O
На подводных лодках кислород получают регенерацией выдыхаемого углекислого газа:
2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2.
1
Аллотропия – явление образования одним элементом нескольких простых веществ.
1
В природе кислород образуется в процессе фотосинтеза. Реакция протекает в зеленых
частях растений на свету под действием хлорофилла:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2.
Впервые кислород был получен в лаборатории в 1769-1771 годах К. Шееле и независимо от
него в 1774 году Д. Пристли по реакциям:
2HgO = Hg + 2O2
2Ag2CO3 = 2Ag + 2CO2 + O2.
В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород входит в состав воздуха и в элементарном
виде содержится в оксидах и многих кислотах.
Сера известна людям с древнейших времен, ее первооткрыватель не установлен.
Химические свойства простых веществ
1) Взаимодействие с неметаллами
Кислород напрямую взаимодействует со всеми неметаллами, кроме галогенов и инертных
газов. Эти реакции, за исключением окисления азота, являются экзотермическими.
5O2 + 4P = 2P2O5
O2 + N2 2NO – Q
Сера реагирует с неметаллами (кроме азота и кремния) при нагревании:
S + O2 = SO2
2S + C = CS2
2) Взаимодействие с металлами
Кислород взаимодействует со всеми металлами, кроме золота и некоторых металлов
платиновой группы. Реакции со щелочными металлами (кроме лития) протекают при
комнатной температуре с образованием пероксидов или надпероксидов:
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 2
2Na + O2 = Na2O2
Сера при комнатной температуре реагирует только с ртутью. Остальные металлы
окисляются серой при нагревании.
Hg + S = HgS
𝑡𝑡
Fe + S → FeS
3) Взаимодействие со сложными веществами
Кислород окисляет невысшие оксиды, сульфиды, карбиды и водородные соединения:
2Cu2O + O2 = 4CuO
2P2S3 + 11O2 = 2P2O5 + 6SO2
Al4C3 + 6O2 = 2Al2O3 + 3CO2
CH4 + 2O2 = CO2 + H2O
Сера диспропорционирует при кипячении в щелочи, реагирует с разнообразными
окислителями:
3S + 6KOH = 2K2S + K2SO3 + 3H2O;
3S + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 = 3SO2 + 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O
𝑡𝑡
S + 6HNO3(конц.) → H2SO4 + 6NO2 + 2H2O
2
Часто в качестве продукта реакции указывают Fe3O4 – железную окалину
2
Сероводород и сульфиды
Сероводород – бесцветный газ с запахом тухлых яиц, ядовитый, малорастворим в воде с
образованием слабой сероводородной кислоты.
Способы получения сероводорода
1) Прямой синтез
𝑡𝑡
H2 + S → H2S
2) Из сульфидов
Na2S + 2HCl = 2NaCl + H2S
Химические свойства сероводорода
1) Кислотные свойства
Сероводород проявляет слабые кислотные свойства, при взаимодействии со щелочами
может образовывать кислые или средние соли.
H2S + 2NaOH(изб) = Na2S + H2O
H2S + NaOH(нед) = NaHS + H2O
При взаимодействии с солями меди, свинца или серебра образует черные осадки,
нерастворимые в обычных кислотах:
H2S + Pb(NO3)2 = PbS↓ + 2HNO3
2) Восстановительные свойства
В окислительно-восстановительных реакциях сероводород всегда является
восстановителем и обычно окисляется до серы или сернистого газа:
2H2S + 3O2(изб.) = 2SO2 + 2H2O
2H2S + O2(нед.) = 2S + 2H2O
2H2S + SO2 = 3S + 2H2O
3H2S + 2KMnO4 = 3S + 2MnO2 + 2KOH + 2H2O
Особые свойства сульфидов
1) Сульфиды малоактивных металлов и металлов средней активности подвергаются
обжигу c образованием оксидов:
2CuS + 3O2 = 2CuO + 3SO2
2) Сульфиды меди, свинца и серебра не растворяются в обычных кислотах
CuS + HCl ≠
Перекись водорода и пероксиды
Перекись водорода – бесцветная жидкость, вязкая, неограниченно смешивается с водой.
Химические свойства перекиси водорода и пероксидов
1) Разложение на свету, при нагревании или под действием катализатора
2H2O2 = 2H2O + O2
𝑡𝑡
2Na2O2 + 2H2O → 4NaOH + O2
2) Окислительно-восстановительные свойства
Перекись водорода проявляет и восстановительные, и окислительные свойства:
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O + 5O2↑
2Fe(OH)2 + H2O2 = Fe(OH)3
PbS + 4H2O2 = PbSO4 + 4H2O
Получение перекиси водорода
Получить перекись можно гидролизом пероксидов металлов в холодной воде:
Na2O2 + 2H2O = 2NaOH + H2O2
3
Сернистый газ и сульфиты
Сернистый газ – бесцветный газ с резким запахом жженой серы, ядовитый, растворим в воде
с образованием слабой неустойчивой сернистой кислоты.
Способы получения сернистого газа
1) Прямой синтез
S + O2 = SO2
2) Из сульфитов и гидросульфитов
Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + SO2↑
Ca(HSO3)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O + 2SO2↑
3) Обжиг сульфидов и сероводорода
4FeS + 5O2 = 2Fe2O3 + 4SO2
Химические свойства сернистого газа
1) Как кислотный оксид
H2O + SO2 H2SO3
Na2O + SO2 = Na2SO3
2NaOH(изб) + SO2 = Na2SO3 + H2O
NaOH(нед) + SO2 = NaHSO3
2) Окислительно-восстановительные свойства
В окислительно-восстановительных реакциях сернистый газ обычно проявляет
восстановительные свойства:
2SO2 + O2 2SO3 (кат. V2O5)
3SO2 + 2KMnO4 + 2H2O = 2MnO2 + K2SO4 + 2H2SO4
В реакции с сероводородом проявляет окислительные свойства:
SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O
Особые свойства сульфитов
1) Окисление до сульфатов
2Na2SO3 + O2 = 2Na2SO4
5K2SO3 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 6K2SO4 + 2MnSO4 + 3H2O
2) Диспропорционирование при нагревании без доступа воздуха
4Na2SO3 = 3Na2SO4 + Na2S
3) Разложение при нагревании гидросульфитов и нерастворимых сульфитов
2NaHSO3 = Na2SO3 + H2O + SO2
CaSO3 = CaO + SO2
Серная кислота, серный ангидрид, сульфаты (S, CO +6)
Оксид серы (VI) – белое твердое вещество (tпл = 17 °С) или бесцветная жидкость, дымит на
воздухе, растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием олеума.
Серная кислота – бесцветная маслянистая тяжелая жидкость, ядовитая, растворяется в воде
в любых соотношениях с выделением большого количества тепла 3.
Способы получения серной кислоты
Промежуточное вещество в схеме синтеза серной кислоты – оксид серы (VI) – получают
путем каталитического окисления сернистого газа кислородом или оксидом азота (IV) 4. В
промышленности образовавшийся оксид поглощают концентрированной серной кислотой с
образованием олеума, а затем разбавляют водой до нужной концентрации.
Чтобы разбавить концентрированную серную кислоту, необходимо приливать ее к воде, а не
наоборот.
4 Эта реакция лежит в основе исторической нитрозной схемы синтеза серной кислоты.
3
4
2SO2 + O2 2SO3 или SO2 + NO2 = SO3 + NO
SO3 + H2SO4(конц) = SO3∙H2SO4 (олеум)
Химические свойства серной кислоты
1) Разбавленная серная кислота проявляет обычные кислотные свойства
Fe + H2SO4 = H2 + FeSO4
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + H2O
2) Особые свойства концентрированной серной кислоты
Концентрированная серная кислота – сильный окислитель. Она взаимодействует со всеми
металлами, кроме золота и металлов платиновой группы, по схеме:
Me + H2SO4(конц) = сульфат + вода + соединение серы (SO2, S, H2S)
Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2
3Zn + 4H2SO4 = 3ZnSO4 + 4H2O + S
Чем активнее металл, тем ниже будет степень окисления у атома серы в продукте реакции.
При комнатной температуре концентрированная серная кислота не реагирует с алюминием,
железом, хромом и свинцом (пассивирует).
Также концентрированная серная кислота окисляет неметаллы и некоторые сложные
вещества, является сильным водоотнимающим средством, обугливает бумагу.
C + 2H2SO4(конц) = CO2 + 2H2O + 2SO2
S + 2H2SO4(конц) = 2H2O + 3SO2
8HI + H2SO4(конц) = 4I2 + H2S + 4H2O
Na2S + 2H2SO4(конц) = Na2SO4 + S↓ + SO2 + 2H2O
Особые свойства сульфатов
При нагревании сульфаты малоактивных металлов и металлов средней активности
разлагаются на оксид, сернистый газ и кислород. Если прокаливают сульфат металла в
низшей степени окисления, то он окисляется в процессе реакции:
2CuSO4 = 2CuO + 2SO2 + O2
4FeSO4 = 2Fe2O3 + 4SO2 + O2
5
Качественные реакции на соединения серы:
Частица
S2-
Реагент
H+ {HCl}
Ионное уравнение
Признак реакции
Cu2+ {CuCl2}
Pb2+ {Pb(NO3)2}
SO32SO42-
Ag+ {AgNO3}
H+ {HCl}
Ba2+ {Ba(NO3)2}
Pb2+ {Pb(NO3)2}
Словарь
Вещество
Тривиальное название
FeS2
пирит/железный колчедан
HgS
SO2
SO3
BaSO4
CaSO4nH2O
CuSO45H2O
O3
H2O2
киноварь
Применение
сернистый газ
серный ангидрид
барит
гипс
медный купорос
озон
перекись водорода
6
Итоговый тест
A1. Высшие степени окисления серы и кислорода равны степеням окисления металлов в
3) H2[PtCl6], FeO
1) K2CrO4, Mn(NO3)2
4) K3[Cr(OH)6], Na2O
2) K2MnO4, K2Cr2O7
A2. С поглощением тепла протекает реакция
1) горения азота
3) горения угля
2) горения водорода
4) горения железа
А3. Кислород не выделяется в реакции
3) KMnO4 →t
1) HgO →t
4) Na2O2 + CO2 →
2) KHSO3 →t
A4. Путем сжигания в кислороде простого вещества нельзя получить
3) SO2
1) Fe2O3
4) Br2O7
2) Na2O2
A5. Кислород при соответствующих условиях может реагировать с каждым из веществ
3) Mg, CO, P
1) Au, H2S, CH4
4) Cl2, SO2, Fe
2) Ca, SO3, H2
A6. И сернистый газ, и сероводород реагируют с каждым веществом
1) Na, CaO
3) O2, H2SO4(конц)
2) O2, NaOH
4) K2O, BaCl2
А7. Каталитической является реакция горения
3) CO
1) H2S
4) SO2
2) Cu2O
А8. Без выделения газа протекает реакция между
3) KMnO4 и H2O2
1) K2SO3 и H2SO4
2) ZnS и O2
4) Na2O и H2S
А9. Сера, в отличие от кислорода, может реагировать с
1) Fe
3) SO2
4) KOH
2) H2
A10. Реагенты, необходимые для осуществления превращений Fe → FeSO4 → Fe(OH)2
3) H2SO4(конц), KOH
1) H2SO4(разб), NaOH
4) H2SO4(конц), Ba(OH)2
2) H2SO4(разб), H2O
A11. Реагенты, необходимые для осуществления превращений CuCl2 → CuS → CuO
3) H2S, O2
1) FeS, O2
4) FeS, H2O
2) S, H2O
A12. Концентрированная серная кислота реагирует с каждым из веществ
3) KOH, H2S, Cu
1) Pt, C, CaCO3
4) Cu(OH)2, SO2, Fe
2) Ca, Fe2O3, CO2
А13. Для доказательства состава серной кислоты необходимы реагенты
1) лакмус, гидроксид натрия 3) метилоранж, нитрат бария
2) лакмус, карбонат калия
4) фенолфталеин, хлорид бария
А14. Признаком реакции между соляной кислотой и сульфитом бария не является
1) выделение газа
3) появление запаха
2) растворение осадка
4) изменение окраски раствора
7
Упражнения и задачи:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Допишите продукты реакций:
а) AlCl3 + K2SO3 + H2O =
Cr(OH)2 + O2 + H2O =
Fe2(SO4)3 + Na2S =
б) KHSO4 + KOH =
(CuOH)2CO3 + H2SO4 =
в) FeO + H2SO4 (конц) =
CS2 + O2 =
г) H2O2 + KMnO4 =
K2SO3 + Br2 + H2O =
д) Na2S + Na2SO3 + HCl =
Укажите пропущенные вещества, уравняйте реакции:
а) H2S + KMnO4 = S + MnO2 + … + …
б) K2CrO4 + … + H2S = SO2 + … + K2SO4 + …
в) … + HClO3 = S + HCl + …
г) P2O3 + …+ H2SO4 = H3PO4 + …
д) H2O2 + CrCl3 + … = Na2CrO4 + … + …
е) S + K2Cr2O7 + … = K2SO4 + Cr2(SO4)3 + …
ж) H2O2 + KNO3 + … = NO + … + K2SO4 + …
Осуществите превращения:
а) K2SO4 → KCl → HCl → SO2 → Ca(HSO3)2 → CaSO3 → CaO → Ca(OH)2
б) Cu → CuBr2 → CuCl2 → Cu(OH)2 → CuO → Cu → CuSO4
в) CuS → SO2 → K2SO3 → KHSO3 → K2SO3 → K2SO4 → BaSO4
г) Cu → CuSO4 → CuS → H2S → KHS → K2S → KCl
д) S→ K2SO3 → K2SO4 → KCl → Cl2 → NaClO3
е) KMnO4 → O2 → SO2 → SO3 → FeSO4 → Fe(OH)2 → Fe(OH)3
ж) SO2 → S → H2S → K2S → CuS → CuO → Cu
з) S → H2S → SO2 → SO3 → Na2SO4 → BaSO4
и) Na → Na2O2 → H2O2 → O2 → ZnO → H2O
к) Li2S → H2S → K2S → KHS → K2S → ZnS → SO2
л) KClO3 → O2 → SO3 → H2SO4 → FeSO4 → Fe2(SO4)3
м) FeS2 → SO2 → K2SO3 → K2SO4 → KNO3 → O2
С какими веществами будет реагировать кислород: натрий, оксид фосфора (V), сульфид
никеля, сульфат натрия, гидроксид кальция, угарный газ, сероводород, хлорид
алюминия, водород, бром, оксид хрома (II)? Составьте уравнения возможных реакций.
С какими веществами будет реагировать сера: хлор, оксид кальция, железо, гидроксид
натрия, оксид азота (II), хлорид натрия, медь, азот, кислород, калий, концентрированная
серная кислота? Составьте уравнения возможных реакций.
С какими веществами будет реагировать разбавленная серная кислота: Fe2(SO4)3, K2S,
Cu(OH)2, H2S, Ag, Al, NO, BaCl2, Na2CO3, NaBr, CaCO3, CuO, LiOH, Fe(NO3)2, H3PO4, CO, AgNO3,
Na2SO3, LiCl, H2SiO3, K3PO4, P2O5, Al2O3, Ca? Составьте возможные уравнения реакций.
Какие из оставшихся веществ реагируют с концентрированной серной кислотой?
Составьте уравнения реакций натрия, марганца, железа, цинка, серебра и ртути с
концентрированной и разбавленной серной кислотой.
Красный металл X растворяется в концентрированной серной кислоте с выделением
газа Y. При пропускании газа Y через избыток раствора щелочи образуется раствор соли
Z1, а через недостаток щелочи – соль Z2. Если к раствору соли Z1 добавить хлорид железа
(III), выпадет бурый осадок и выделится газ Y. Определите неизвестные вещества,
составьте уравнения описанных реакций.
Нагрели смесь натрия и порошка, образующегося при взаимодействии сероводорода и
сернистого газа. При добавлении к полученному веществу раствора соляной кислоты
выделился газ. Его пропустили через раствор сульфата меди и наблюдали выпадение
черного осадка. Составьте уравнения описанных реакций.
8
10. В четырех пробирках без подписей находятся растворы хлорида бария, карбоната
натрия, сульфита лития и хлорида калия. Предложите реагент для распознавания
растворов, составьте уравнения протекающих растворов.
11. В пяти пробирках без подписей находятся растворы хлорида алюминия, хлорида
кадмия, нитрата серебра, нитрата калия, нитрата марганца. Предложите реагент для
распознавания растворов, составьте уравнения протекающих реакций.
12. Составьте уравнения гидролиза соединений серы:
P2S5, SBr4, SOCl2, CS2, SF6, Al2S3, Cr2(SO3)3, SI4.
13. Гидросульфит калия обработали бромоводородной кислотой. Выделившийся в
результате газ прореагировал с сероводородом с образованием простого вещества. Это
вещество нагрели с концентрированной азотной кислотой. Выделившийся бурый газ
пропустили через раствор гидроксида натрия. Напишите уравнения четырёх описанных
реакций.
14. Перманганат калия прокалили. Выделившийся газ вступил в реакцию с сероводородом.
Образовавшееся газообразное вещество прореагировало с сероводородом с
образованием нерастворимого в воде вещества. Это вещество растворили при
нагревании в концентрированном растворе гидроксида калия. Напишите уравнения
четырёх описанных реакций.
15. Сколько по массе серы потребуется для получения 6 г сульфида алюминия, если выход
реакции составляет 89%?
16. При взаимодействии магния с 200 г 5% серной кислоты выделилось 2,12 л водорода.
Вычислите выход реакции.
17. Какой объем кислорода потребуется для получения 11,2 л сернистого газа, если выход
реакции горения составляет 80%?
18. Вычислите объем сернистого газа, который выделится при взаимодействии 5 г меди,
содержащей 4% примесей, с концентрированной серной кислотой. Выход реакции
составляет 92%.
19. Вычислить объем сероводорода, который выделится при взаимодействии кусочка
калия массой 13 г, содержащего 7% примесей, с избытком концентрированной серной
кислоты, если выход реакции составляет 96%.
20. Смешали 2,56 г серы и 4,6 г натрия и нагревали до окончания реакции. Какие вещества и
в каком количестве есть в реакционной смеси? Какая масса 20% раствора соляной
кислоты может с ней прореагировать?
21. Сплавили 16 г серы и 15 г магния. Определить объем газа, который выделится при
обработке полученной смеси соляной кислотой.
22. Сероводород, полученный при взаимодействии 4,48 л водорода с серой, пропустили
через 80 г 2,1% раствора гидроксида калия. Какие соли и в каком количестве
образовались?
23. Вычислите объем воды, которым необходимо разбавить 10 г 20% олеума, чтобы
получить 34,5% раствор серной кислоты.
24. Соль, полученную при взаимодействии 2,4 г серы и 7,8 г калия, растворили в 160 г 10%
раствора хлорида алюминия. Вычислите массовые доли солей в полученном растворе.
25. Сплав массой 7 г, содержащий 55% марганца, 39% калия и медь, обработали 200 г 7,35%
раствора серной кислоты. Вычислите массовые доли веществ в полученном растворе.
26. При сгорании в кислороде натрия образуется Na2O2, при сгорании в кислороде калия –
KO2. Сплав натрия и калия массой 24,6 г сожгли в кислороде, получив смесь продуктов
горения массой 42,2 г. Определите массовые доли металлов в сплаве.
27. Газ, выделившийся при взаимодействии 8 г магния, содержащего 10% примесей, и 20
мл 94% серной кислоты с плотностью 1,83 г/мл, пропустили через 16,47 мл 20%
9
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
раствора гидроксида калия (плотность 1,19 г/мл). Рассчитайте качественный и
количественный состав полученного раствора.
Серу массой 71,1 г, содержащую 10% примесей, ввели в реакцию с избытком водорода.
Образовавшийся газ пропустили через 285,7 мл 30% раствора гидроксида натрия
(плотность 1,4 г/мл). Рассчитайте качественный и количественный состав полученного
раствора.
Смесь хлоридов натрия и бария массой 22,1 г может вступить в реакцию с 93,33 мл 10%
серной кислоты (плотность 1,05 г/мл). Вычислите массу 13% раствора нитрата серебра,
который может прореагировать с таким же количеством такой же смеси солей.
Вычислите объем газа, который выделится при взаимодействии 25 г 29,44% олеума,
разбавленного 250 мл воды, с кусочком железа массой 8,66 г, содержащего 3% примесей,
и массовые доли веществ в полученном растворе.
Для обжига сульфида неизвестного двухвалентного металла массой 19,4 г затратили
6,72 л кислорода. Выделившийся при этом газ окислили в присутствии катализатора с
выходом 90% и продукт окисления полностью поглотили водой. Определите
неизвестный металл и вычислите объем 33,6% раствора гидроксида калия (плотность
1,33 г/мл), который может вступить в реакцию с полученным раствором.
Фосфор массой 1,24 г прореагировал с 16,84 мл 97%-ного раствора серной кислоты (ρ =
1,8 г/мл) с образованием ортофосфорной кислоты. Для полной нейтрализации
полученного раствора добавили 32%-ный раствор гидроксида натрия (ρ = 1,35 г/мл).
Вычислить объём раствора гидроксида натрия.
При растворении смеси меди и оксида меди(II) в концентрированной серной кислоте
выделилось 4,48 л (н.у.) газа и было получено 300 г раствора с массовой долей соли 16%.
Определите массовую долю оксида меди в исходной смеси.
В результате нагревания 12,96 г смеси порошков меди и оксида меди(II) на воздухе её
масса увеличилась на 2,24 г. Вычислите объём раствора серной кислоты с массовой
долей 96% и плотностью 1,84 г/мл, который потребуется для растворения исходной
смеси.
10
