Окислительные свойства концентрированной серной кислоты
Концентрированная серная кислота \(\mathrm{H_2SO_4}\) проявляет не только кислотные, но и сильные окислительные свойства. В окислительно-восстановительных реакциях с металлами и неметаллами сера обычно восстанавливается из степени окисления \(+6\) до \(+4\) в \(\mathrm{SO_2}\), а иногда — до \(0\) или \(-2\).
Почему концентрированная серная кислота — окислитель
В молекуле \(\mathrm{H_2SO_4}\) сера имеет степень окисления \(+6\). Это максимальная степень окисления серы, поэтому сера не может окислиться дальше и способна только принимать электроны. Так проявляется окислитель. Восстановитель в реакции отдаёт электроны и повышает свою степень окисления.
Способность концентрированной серной кислоты принимать электроны у другого вещества и восстанавливать серу из степени окисления \(+6\) до более низкой степени окисления.
Наиболее частый продукт восстановления — сернистый газ \(\mathrm{SO_2}\). В более сильных условиях восстановления могут образоваться свободная сера \(\mathrm{S}\) или сероводород \(\mathrm{H_2S}\). Выбор продукта зависит от активности восстановителя, его количества и условий реакции.
При взаимодействии концентрированной \(\mathrm{H_2SO_4}\) с металлом или неметаллом сначала предполагают восстановление серы до \(\mathrm{SO_2}\). Продукт \(\mathrm{S}\) или \(\mathrm{H_2S}\) выбирают только тогда, когда это указано условием или соответствует очень сильному восстановителю.
Реакции с металлами
Концентрированная серная кислота окисляет многие металлы, включая медь, серебро и ртуть, которые не вытесняют водород из неокисляющих кислот. Поэтому водород при таких реакциях обычно не выделяется: вместо него образуется продукт восстановления серы.
Для металла, образующего катион с зарядом \(+n\), удобно составлять общую схему: металл отдаёт \(n\) электронов, а сера принимает два электрона. Затем подбирают коэффициенты по электронному балансу и проверяют атомы и заряд.
Разбавленная \(\mathrm{H_2SO_4}\) реагирует с активными металлами как обычная неокисляющая кислота: образуются соль и \(\mathrm{H_2}\). Концентрированная кислота часто даёт \(\mathrm{SO_2}\), а не водород.
Алюминий, железо и хром при обычной температуре покрываются плотной защитной плёнкой и пассивируются концентрированной серной кислотой. При нагревании пассивность может нарушаться, поэтому всегда учитывают температуру, указанную в условии. Электрохимический ряд металлов помогает оценить восстановительную способность металла, но сам по себе не отменяет пассивацию.
| Вещество | Наблюдение или продукт | Комментарий |
|---|---|---|
| Cu | \(\mathrm{SO_2}\), раствор синеет | Образуются \(\mathrm{CuSO_4}\) и вода |
| Ag | \(\mathrm{SO_2}\), белый \(\mathrm{Ag_2SO_4}\) | Реакция обычно требует нагревания |
| Fe, Al, Cr | Реакция не идёт на холоде | Пассивирование концентрированной кислотой |
| Активный металл в избытке | Возможны \(\mathrm{S}\) или \(\mathrm{H_2S}\) | Продукт задаётся условиями и соотношением веществ |
Реакции с неметаллами
Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, если они способны отдавать электроны. Углерод, сера и фосфор переходят в более высокие степени окисления, а сера кислоты обычно восстанавливается до \(\mathrm{SO_2}\).
Какой газ обычно образуется при взаимодействии меди с горячей концентрированной серной кислотой?
Как составлять уравнение по электронному балансу
В заданиях экзамена важно определить восстановитель, изменение степеней окисления и коэффициенты. Сначала записывают электронные переходы, затем составляют молекулярное уравнение. Рассмотрим реакцию меди с концентрированной серной кислотой.
Составьте уравнение реакции цинка с концентрированной \(\mathrm{H_2SO_4}\), если продукт восстановления — \(\mathrm{SO_2}\). Цинк окисляется до \(\mathrm{Zn^{2+}}\) и отдаёт два электрона; сера принимает два электрона. Поэтому соотношение \(\mathrm{Zn:SO_2}=1:1\), а окончательное уравнение: \(\mathrm{Zn+2H_2SO_4\rightarrow ZnSO_4+SO_2+2H_2O}\).
Восстановление серы и схема H₂SO₄ → SO₂ → NaHSO₃
Восстановление серы в концентрированной кислоте означает понижение её степени окисления: \(+6\rightarrow+4\), \(+6\rightarrow0\) или \(+6\rightarrow-2\). В типичной реакции с медью, углеродом или серой образуется \(\mathrm{SO_2}\). Далее газ можно поглотить раствором щёлочи. При недостатке щёлочи образуется кислая соль — гидросульфит натрия, правильное название которой — натрий гидросульфит.
Нельзя автоматически писать \(\mathrm{Na_2SO_3}\) после реакции \(\mathrm{SO_2}\) с \(\mathrm{NaOH}\). При недостатке щёлочи получается \(\mathrm{NaHSO_3}\), а при избытке — \(\mathrm{Na_2SO_3}\). Количество щёлочи обязательно проверяют по условию.
- Определите степени окисления серы до и после реакции.
- Назовите восстановитель: металл или неметалл отдаёт электроны.
- Для концентрированной кислоты сначала проверьте возможность образования SO₂.
- Учитывайте пассивацию Fe, Al и Cr на холоде.
- После получения SO₂ различайте недостаток и избыток NaOH.
Quick-test
Проверьте себя
Главное
- Концентрированная \(\mathrm{H_2SO_4}\) — окислитель: сера \(+6\) принимает электроны.
- Наиболее частый продукт восстановления — \(\mathrm{SO_2}\); возможны \(\mathrm{S}\) и \(\mathrm{H_2S}\).
- С медью кислота реагирует с образованием \(\mathrm{CuSO_4}\), \(\mathrm{SO_2}\) и воды, а не водорода.
- Fe, Al и Cr пассивируются концентрированной кислотой на холоде.
- \(\mathrm{SO_2+NaOH\rightarrow NaHSO_3}\) при недостатке щёлочи; при избытке образуется \(\mathrm{Na_2SO_3}\).