Окислительно-восстановительные превращения соединений серы
Соединения серы образуют окислительно-восстановительный ряд от степени окисления \(-2\) до \(+6\). Чтобы решать цепочки превращений, нужно определить степень окисления серы, установить направление перехода и подобрать реагент, который принимает или отдаёт электроны.
Степени окисления серы и роль соединений
В простом веществе сере соответствует степень окисления \(0\). В сульфидах, например \(\mathrm{H_2S}\) и \(\mathrm{Na_2S}\), сера имеет степень окисления \(-2\). В сульфитах и диоксиде серы \(\mathrm{SO_2}\) она находится в степени окисления \(+4\), а в серной кислоте и сульфатах — \(+6\).
| Соединение или ион | Степень окисления S | Типичный переход |
|---|---|---|
| \(\mathrm{H_2S}\), \(\mathrm{S^{2-}}\) | \(-2\) | окисление до \(0\), \(+4\) или \(+6\) |
| \(\mathrm{S_8}\) | \(0\) | окисление или восстановление |
| \(\mathrm{SO_2}\), \(\mathrm{SO_3^{2-}}\) | \(+4\) | окисление до \(+6\) или восстановление |
| \(\mathrm{H_2SO_4}\), \(\mathrm{SO_4^{2-}}\) | \(+6\) | обычно восстановление |
Окисление — повышение степени окисления элемента и отдача электронов. Восстановление — понижение степени окисления и присоединение электронов. Восстановитель отдаёт электроны и сам окисляется; окислитель принимает электроны и сам восстанавливается.
Если сера переходит из \(-2\) в \(0\), \(+4\) или \(+6\), это окисление. Если из \(+6\) в \(+4\), \(0\) или \(-2\), это восстановление. Сера в степени \(+4\) может проявлять двойственные свойства: окисляться до \(+6\) и восстанавливаться до более низких степеней.
В электронном балансе \(\Delta e\) — число отданных или принятых электронов, а \(n(\mathrm{S})\) — количество атомов серы, изменяющих степень окисления. Правила определения степеней окисления удобно повторить на странице правил определения степеней окисления.
Основные переходы серы
Наиболее важные превращения можно представить так: \(\mathrm{S^{-2} \rightarrow S^0 \rightarrow S^{+4} \rightarrow S^{+6}}\). Каждый переход требует подходящего реагента и условий. Одно и то же вещество может участвовать в разных реакциях в зависимости от партнёра.
Переход серы из \(+6\) в \(+4\) происходит при восстановлении концентрированной серной кислоты. Например, медь восстанавливает серу в \(\mathrm{H_2SO_4}\) до \(\mathrm{SO_2}\), а сама окисляется до \(\mathrm{Cu^{2+}}\).
Диоксид серы и сульфиты: двойственные свойства
В \(\mathrm{SO_2}\) и сульфит-ионах сера имеет степень окисления \(+4\). Поэтому \(\mathrm{SO_2}\) может быть восстановителем: кислород или сильный окислитель повышает степень окисления серы до \(+6\). Подробный разбор этой роли приведён на странице диоксида серы как восстановителя.
Сульфиты могут также быть окислителями, если реагируют с восстановителем, например с сероводородом. Тогда сера в степени \(+4\) понижает степень окисления до \(0\).
Какую роль играет \(\mathrm{SO_2}\) в реакции \(\mathrm{SO_2 + Br_2 + 2H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 2HBr}\)?
Как решать цепочки превращений
В экзаменационной цепочке сначала определите серосодержащие частицы и степени окисления серы. Затем для каждого перехода установите, происходит ли окисление или восстановление, и выберите реагент. Наконец, расставьте коэффициенты и проверьте число атомов каждого элемента и заряд.
1. Найдите степень окисления серы в исходном и конечном веществах. 2. Определите направление перехода. 3. Подберите окислитель или восстановитель. 4. Запишите продукты по типу реакции. 5. Уравняйте атомы и заряд.
Частый запрос — схема \(\mathrm{H_2SO_4(conc.) \rightarrow SO_2 \rightarrow NaHSO_3}\). В первом переходе концентрированная серная кислота восстанавливается медью до \(\mathrm{SO_2}\). Затем диоксид серы поглощается раствором гидроксида натрия при недостатке щёлочи, образуя кислую соль — гидросульфит натрия, или бисульфит натрия.
Нужно подобрать реагенты и уравнения для каждого перехода.
Не путайте концентрированную и разбавленную серную кислоту: концентрированная кислота может быть окислителем и обычно восстанавливается до \(\mathrm{SO_2}\), а разбавленная проявляет главным образом кислотные свойства. Не записывайте \(\mathrm{Na_2SO_3}\) при недостатке \(\mathrm{NaOH}\): продуктом будет \(\mathrm{NaHSO_3}\). Также нельзя считать \(\mathrm{SO_2}\) только восстановителем — в реакции с \(\mathrm{H_2S}\) он принимает электроны.
Диспропорционирование и ком disproporционирование
Если атомы серы одного вещества одновременно повышают и понижают степень окисления, происходит диспропорционирование. Для серы(+4) примером служит взаимодействие сульфита с сильным окислителем и восстановителем в одной системе; в школьных цепочках чаще проверяют способность \(\mathrm{SO_2}\) участвовать в разных направлениях. О реакциях сульфитов подробнее см. окислительно-восстановительные реакции сульфитов.
Компропорционирование — образование промежуточной степени окисления из двух более высоких и низких. Классический пример: \(\mathrm{SO_2}\) и \(\mathrm{H_2S}\) дают серу, поскольку \(+4\) и \(-2\) переходят к \(0\).
Главное
- Сера изменяет степень окисления от \(-2\) до \(+6\); повышение — окисление, понижение — восстановление.
- \(\mathrm{SO_2}\) и сульфиты с серой(+4) могут быть и восстановителями, и окислителями.
- Концентрированная \(\mathrm{H_2SO_4}\) восстанавливается активными металлами до \(\mathrm{SO_2}\).
- При взаимодействии \(\mathrm{SO_2}\) с недостатком \(\mathrm{NaOH}\) образуется \(\mathrm{NaHSO_3}\), а с избытком — \(\mathrm{Na_2SO_3}\).
- В цепочке сначала определяют степени окисления, затем направление перехода, реагент и коэффициенты.