1. Получение и свойства кислорода и озона

Хи­ми­че­ские свой­ства кис­ло­ро­да

Кис­ло­род – это самый рас­про­стра­нён­ный на Земле хи­ми­че­ский эле­мент. На его долю при­хо­дит­ся чуть мень­ше по­ло­ви­ны массы твер­дой Зем­ной коры и более 1,5 тысяч со­еди­не­ний Зем­ной коры со­дер­жат кис­ло­род. Его очень много в воде, около 89%, в воз­ду­хе – около 20% по массе.

Рис. 1 Степени окисления кислорода

В со­еди­не­ни­ях кис­ло­род спо­со­бен про­яв­лять все сте­пе­ни окис­ле­ния от -2 до +2.См. рис. 1. В по­дав­ля­ю­щем боль­шин­стве со­еди­не­ний кис­ло­род про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния -2. Это ис­поль­зу­ет­ся даже при опре­де­ле­нии сте­пе­ни окис­ле­ния дру­гих эле­мен­тов.

Ал­ло­тро­пия.

Кис­ло­род об­ра­зу­ет 2 про­стых ве­ще­ства – кис­ло­род О₂ и озон О₃, ко­то­рые яв­ля­ют­ся ал­ло­троп­ны­ми мо­ди­фи­ка­ци­я­ми этого эле­мен­та.

Кис­ло­род – про­стое ве­ще­ство

Кис­ло­род – это ве­ще­ство мо­ле­ку­ляр­но­го стро­е­ния, со­сто­ит из двух ато­мов, связь между ко­то­ры­ми ко­ва­лент­ная непо­ляр­ная. Это бес­цвет­ный газ, без за­па­ха, ма­ло­рас­тво­ри­мый в воде.

Хи­ми­че­ская ак­тив­ность кис­ло­ро­да вы­со­ка. Он яв­ля­ет­ся силь­ным окис­ли­те­лем. Он ре­а­ги­ру­ет со всеми про­сты­ми ве­ще­ства­ми, кроме инерт­ных газов, га­ло­ге­нов и бла­го­род­ных ме­тал­лов.

1. Вза­и­мо­дей­ствие с ме­тал­ла­ми

2Zn + O₂ =2ZnO

 В за­ви­си­мо­сти от тем­пе­ра­ту­ры, сте­пе­ни дис­перс­но­сти же­ле­за, он может об­ра­зо­вы­вать с ним несколь­ко ок­си­дов.

2Fe + O₂ = 2FeO

3Fe +2O₂ = Fe₃O₄

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃

2. Вза­и­мо­дей­ствие с неме­тал­ла­ми

O₂+ C = CO₂

5O₂ + 4P = 2P₂O₅

O₂+ S = SO₂

C₃H₈ +5O₂ = 3CO₂ +4H₂O

По­лу­че­ние кис­ло­ро­да.

В про­мыш­лен­но­сти кис­ло­род по­лу­ча­ют пе­ре­гон­кой жид­ко­го воз­ду­ха. Этот метод ос­но­ван на раз­ли­чие тем­пе­ра­тур ки­пе­ния азота и кис­ло­ро­да – ос­нов­ных со­став­ля­ю­щих воз­ду­ха.

И в про­мыш­лен­но­сти, и в ла­бо­ра­то­рии можно по­лу­чать кис­ло­род элек­тро­ли­зом воды.

2H₂O = Н₂↑ + О₂↑

По­лу­ча­ют кис­ло­род при тер­ми­че­ском раз­ло­же­нии кис­ло­род­со­дер­жа­щих ве­ществ.

2H₂O₂ Н₂O + О₂↑

2KMnO₄ K₂MnO₄ + MnO₂ + О₂↑

2KClO₃ KCl + 3О₂↑

2KNO₃ KNO₂ + О₂↑

2. Получение и свойства серы и её соединений

Сера и её со­еди­не­ния

Сера встре­ча­ет­ся в при­ро­де в виде про­сто­го ве­ще­ства и вхо­дит в со­став мно­гих ми­не­ра­лов-суль­фи­дов. Из них наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ные это: пирит FeS₂, халь­ко­пи­рит FeCuS₂, ки­но­варь HgS, ми­ра­би­лит Na₂SO₄·10H₂O, гипс CaSO₄·2H₂O. См. рис. 3.

Рис. 3. Рас­про­стра­нен­ность серы в при­ро­де

В со­еди­не­ни­ях сера про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния от -2 до +6. Но, на­при­мер, в пи­ри­те FeS₂ сте­пень окис­ле­ния серы равна -1.

Ал­ло­троп­ные мо­ди­фи­ка­ции серы

Наи­бо­лее устой­чи­вы ром­би­че­ская и мо­но­клин­ная мо­ди­фи­ка­ции серы. Это кри­стал­ли­че­ские ве­ще­ства, ко­то­рые раз­ли­ча­ют­ся фор­мой кри­стал­лов и неко­то­ры­ми фи­зи­че­ски­ми свой­ства­ми. Ром­би­че­ская сера имеет ли­мон­но-жел­тую окрас­ку, Т_пл.= 112,8⁰С. Мо­но­клин­ная сера окра­ше­на в тем­но-жел­тый цвет. Т_пл.= 119,3⁰С. Кри­стал­лы мо­но­клин­ной и ром­би­че­ской серы по­стро­е­ны из мо­ле­кул S_8. Рис. 4.

Рис. 4  Мо­ле­кула  серы S8

При быст­ром охла­жде­нии рас­плав­лен­ной серы об­ра­зу­ет­ся еще одна ал­ло­троп­ная мо­ди­фи­ка­ция серы – это пла­сти­че­ская сера. Рис. 5. Она со­сто­ит из длин­ных мо­ле­кул S_x (число х равно несколь­ким ты­ся­чам).

Рис. 5 Ал­ло­троп­ные мо­ди­фи­ка­ции серы

Хи­ми­че­ские свой­ства серы

Для серы ха­рак­тер­на окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ная двой­ствен­ность.

1. Сера как ти­пич­ный неме­талл вза­и­мо­дей­ству­ет с ме­тал­ла­ми, об­ра­зуя суль­фи­ды.

Na + S = Na₂S

Fe + S = FeS

2. Вза­и­мо­дей­ству­ет с неме­тал­ла­ми.

S + O₂ = SO₂

H₂ + S = H₂S↑.

Се­ро­во­до­род имеет ха­рак­тер­ный запах, ко­то­рый можно ощу­тить при раз­ло­же­нии белка, на­при­мер, при про­ту­ха­нии яиц. Для се­ро­во­до­ро­да ха­рак­тер­ны вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства обу­слов­лен­ные на­ли­чи­ем S^2-. Рас­твор се­ро­во­до­ро­да в воде на­зы­ва­ет­ся се­ро­во­до­род­ной кис­ло­той, ко­то­рая от­но­сит­ся к сла­бым кис­ло­там. Об­ра­зу­ет 2 ряда солей: кис­лые и сред­ние.

3. Сера вза­и­мо­дей­ству­ет с кис­ло­та­ми, яв­ля­ю­щи­ми­ся силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми.

S + 4HNO₃ = SO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

S + 2HSO₄ = 3SO₂ + 2H₂O

4. Вза­и­мо­дей­ству­ет со ще­ло­ча­ми.

3S + 6NaOH = 2NaS+ Na₂SO₃ + 3H₂O

Оксид серы (IV)

При обыч­ных усло­ви­ях SO₂ – бес­цвет­ный газ с удуш­ли­вым за­па­хом, хо­ро­шо рас­тво­рим в воде. Рас­твор на­зы­ва­ет­ся сер­ни­стой кис­ло­той, ко­то­рая яв­ля­ет­ся неста­биль­ной. Для SO₂ ха­рак­тер­на окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ная двой­ствен­ность.

SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂О (SО₂ – окис­ли­тель)

2SO₂ + О₂ = 2SО₃           (SО₂ – вос­ста­но­ви­тель)

В про­мыш­лен­но­сти сер­ни­стый газ по­лу­ча­ют при об­жи­ге пи­ри­та.

4FeS₂ + 11О₂ = 2Fe₂О₃ + 8SO₂↑

В ла­бо­ра­то­рии сер­ни­стый газ по­лу­ча­ют дей­стви­ем силь­ных кис­лот на суль­фи­ды.

Na₂SO₃ + 2H₂SO₄ = 2NaHSO₄ + SO₂↑ +H₂O

3. Строение, получение и химические свойства озона

Озон

Озон об­ра­зу­ет­ся из кис­ло­ро­да под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го раз­ря­да или уль­тра­фи­о­ле­то­во­го из­лу­че­ния.

3О₂⇆ 2О₃

Мо­ле­ку­ла озона неустой­чи­ва и са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ет­ся.

Озон – это очень силь­ный окис­ли­тель. Он окис­ля­ет как про­стые так и слож­ные ве­ще­ства.

2Fe +3O₃ = Fe₂O₃ + 3О₂

О₃ + Н₂ = Н₂О + О₂

PbS + 2O₃ = PbSO₄ + O₂

В про­мыш­лен­но­сти озон по­лу­ча­ют из кис­ло­ро­да или из воз­ду­ха в озо­на­то­рах под дей­стви­ем элек­три­че­ско­го раз­ря­да.

Чтобы опре­де­лить озон, ис­поль­зу­ет­ся ре­ак­ция с иоди­дом калия.

2KI + H₂O + O₃ →2KOH + I₂ + O₂

Озо­но­вый слой.

Озон об­ра­зу­ет озо­но­вый слой, за­щи­ща­ю­щий нашу пла­не­ту от жест­ко­го сол­неч­но­го из­лу­че­ния. Наи­боль­шая кон­цен­тра­ция озона в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­ет­ся на вы­со­те около 20 км.

Рис. 2 Слои атмосферы

Озон все чаще ис­поль­зу­ет­ся при обез­за­ра­жи­ва­нии пи­тье­вой воды. Этот про­цесс до­ро­же хло­ри­ро­ва­ния, но при озо­ни­ро­ва­нии не об­ра­зу­ет­ся ток­сич­ных хло­ро­бра­зу­ю­щих со­еди­не­ний, ко­то­рые в неболь­ших ко­ли­че­ствах при­сут­ству­ют при хло­ри­ро­ва­нии пи­тье­вой воды.

Пе­ре­кись во­до­ро­да.

Пе­ре­кись во­до­ро­да Н₂О₂ – это про­стей­ший пред­ста­ви­тель пе­рок­си­дов. Это неустой­чи­вое со­еди­не­ние и легко раз­ла­га­ет­ся. В нашем ор­га­низ­ме есть фер­мент ка­та­лаз, ко­то­рый спо­соб­ству­ет раз­ло­же­нию пе­ре­кис­ных со­еди­не­ний. Пе­рок­сид­ная груп­па –О-О- вхо­дит в со­став мно­гих со­еди­не­ний, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся пе­рок­си­да­ми. К ним от­но­сят­ся пе­рок­си­ды ме­тал­лов: Na₂O₂, BaO₂. Кис­ло­ты, со­дер­жа­щие пе­рок­сид­ную груп­пу на­зы­ва­ют­ся пе­рок­со­кис­ло­та­ми или над­кис­ло­та­ми.

Хи­ми­че­ские свой­ства Н₂О_2.

1. Вос­ста­но­ви­тель­ные свой­ства.

H₂O₂ + Ag₂O = 2Ag + O₂ + H₂O

2. Окис­ли­тель­ные свой­ства.

KNO₂ + H₂O₂ = KNO₃ + H₂O

PbS + 4H₂O₂ = PbSO₄ + 4H₂O. Эта ре­ак­ция ис­поль­зу­ет­ся при ре­став­ра­ции кар­тин. По­сколь­ку при­ме­няв­ша­я­ся ранее крас­ка на ос­но­ве свин­ца Pb₃(ОН)₂(СО₃)₂ ( свин­цо­вые бе­ли­ла)

при вза­и­мо­дей­ствии с се­ро­во­до­ро­дом, в незна­чи­тель­ных ко­ли­че­ствах со­дер­жа­щим­ся в воз­ду­хе, об­ра­зу­ет чер­ный суль­фид свин­ца PbS. Из-за него кар­ти­ны тем­не­ют.

Pb₃(ОН)₂(СО₃)₂ + 3H₂S → 3PbS + 2CO₂ + 4H₂O

 Осто­рож­ной об­ра­бот­кой пе­ре­ки­сью во­до­ро­да, их можно вос­ста­но­вить.

В про­мыш­лен­но­сти пе­рок­сид во­до­ро­да по­лу­ча­ют  окис­ле­ни­ем изо­про­пи­ло­во­го спир­та или элек­тро­ли­зом сер­ной кис­ло­ты, в ходе ко­то­ро­го об­ра­зу­ет­ся над­сер­ная кис­ло­та, ко­то­рая при раз­ло­же­нии водой об­ра­зу­ет пе­рок­сид во­до­ро­да и сер­ную кис­ло­ту.

4. Получение и химические свойства серной кислоты

Сер­ная кис­ло­та

В сер­ной кис­ло­те сера на­хо­дит­ся в выс­шей сте­пе­ни окис­ле­ния S⁺⁶. Бес­цвет­ная мас­ля­ни­стая жид­кость, неогра­ни­чен­но сме­ши­ва­ю­ща­я­ся с водой. Эта кис­ло­та очень гиг­ро­ско­пич­ная.

Хи­ми­че­ские свой­ства сер­ной кис­ло­ты во мно­гом за­ви­сят от её кон­цен­тра­ции.

Раз­бав­лен­ная сер­ная кис­ло­та вза­и­мо­дей­ству­ет с ме­тал­ла­ми, при этом вы­де­ля­ет­ся во­до­род. Ме­тал­лы, сто­я­щие в элек­тро­хи­ми­че­ском ряду на­пря­же­ний после во­до­ро­да, с раз­бав­лен­ной сер­ной кис­ло­той не вза­и­мо­дей­ству­ют.

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

Кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная кис­ло­та яв­ля­ет­ся силь­ным окис­ли­те­лем за счет S⁺⁶. Она окис­ля­ет мно­гие ме­тал­лы. Про­дук­та­ми вос­ста­нов­ле­ния кис­ло­ты обыч­но яв­ля­ют­ся SO_2,H₂S, S (H₂S и S об­ра­зу­ют­ся в ре­ак­ци­ях кис­ло­ты с ак­тив­ны­ми ме­тал­ла­ми Mg, Ca, Na, K и др.)

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

Mg + 2H₂SO₄ = MgSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

4Mg + 5H₂SO₄ = 4MgSO₄ + H₂S↑ + 4H₂O

Сер­ная кис­ло­та вы­со­кой кон­цен­тра­ции не вза­и­мо­дей­ству­ет с же­ле­зом в ре­зуль­та­те пас­си­ва­ции ме­тал­ла. Яв­ле­ние пас­си­ва­ции свя­за­но с об­ра­зо­ва­ни­ем на по­верх­но­сти ме­тал­ла проч­ной плен­ки, со­сто­я­щей из ок­си­дов или дру­гих со­еди­не­ний. Она пре­пят­ству­ет кон­так­ту ме­тал­ла с кис­ло­той. Бла­го­да­ря пас­си­ва­ции, можно хра­нить и пе­ре­во­зить кон­цен­три­ро­ван­ную сер­ную кис­ло­ту в сталь­ной таре. Кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная кис­ло­та пас­си­ви­ру­ет также алю­ми­ний, ни­кель, хром, титан.

Кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная кис­ло­та может окис­лять и неме­тал­лы.

S + 2H₂SO₄ = SO₂↑ + 2H₂O

C + 2H₂SO₄ = CO₂↑ + SO₂↑ + 2H₂O

Кон­цен­три­ро­ван­ная сер­ная кис­ло­та может окис­лять слож­ные ве­ще­ства.

2KBr + 2H₂SO₄ = Br₂ + SO₂↑ +K₂SO₄ + 2H₂O

Кон­такт­ный спо­соб по­лу­че­ния сер­ной кис­ло­ты.

I ста­дия: 4FeS₂ + 11О₂ = 2Fe₂О₃ + 8SO₂↑

II ста­дия: 2SO₂ + О₂2SО₃

III ста­дия: SО₃ + H₂O = H₂SO₄

Нит­роз­ный спо­соб по­лу­че­ния сер­ной кис­ло­ты

2NO + O₂ ⇆ 2NO₂

2SO₂+ NO₂ ⇆ 2SO₃ + NO, осталь­ные ста­дии такие же, как в кон­такт­ном спо­со­бе.

Суль­фа­ты – соли сер­ной кис­ло­ты

Суль­фа­ты – это ион­ные со­еди­не­ния, в узлах кри­стал­ли­че­ской ре­шет­ки ко­то­рых на­хо­дят­ся ка­ти­о­ны ме­тал­лов и суль­фат-ани­о­ны. Обыч­но это бес­цвет­ные кри­стал­лы, но неко­то­рым при­да­ют окрас­ку ионы ме­тал­лов. Мед­ный ку­по­рос – это яр­ко-си­ние кри­стал­лы, же­лез­ный ку­по­рос – кри­стал­лы зе­ле­но­го цвета. Рис. 6.

Рис. 6. Суль­фа­ты – соли сер­ной кис­ло­ты

Ка­че­ствен­ная ре­ак­ция на суль­фа­ты – это ре­ак­ция с рас­тво­ри­мы­ми со­ля­ми бария.

K₂SO₄+ BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2KCl

5. Гексафторид серы, титрование

Гек­сафто­рид серы SF₆ – при обыч­ных усло­ви­ях газ, несмот­ря на вы­со­кую мо­ляр­ную массу. Он в 5 раз тя­же­лее воз­ду­ха.

Рис. 7 Гек­сафто­рид серы SF6 

Мо­ле­ку­ла в целом хи­ми­че­ски инерт­на, т. к. ре­а­ген­ты не могут по­дой­ти к атому серы, окру­жен­ной ато­ма­ми фтора. При вды­ха­нии гек­сафто­ри­да серы голос ста­но­вит­ся низ­ким басом, а не писк­ля­вым, как в си­ту­а­ции с вды­ха­ни­ем гелия. Гек­сафто­рид серы SF₆ при­ме­ня­ют в си­сте­мах по­жа­ро­ту­ше­ния из-за его хи­ми­че­ской инерт­но­сти.

Се­ро­во­до­род. Кис­ло­ты серы. Тит­ро­ва­ние

При об­ра­зо­ва­нии хи­ми­че­ских со­еди­не­ний атомы серы склон­ны к ка­те­на­ции (с ла­тин­ско­го – це­пе­об­ра­зо­ва­ние, сцеп­ле­ние) На­при­мер, се­ро­во­до­род Н-(S)_n-H – это ро­до­на­чаль­ник сер­ных кис­лот, со­дер­жа­щих до 8 ато­мов серы в цепи. Се­ро­со­дер­жа­щих кис­лот на­мно­го боль­ше, чем вам из­вест­но по школь­ной про­грам­ме. Яв­ле­ни­ем ка­те­на­ции обу­слов­ле­на вул­ка­ни­за­ция ка­у­чу­ка и дей­ствие неко­то­рых ан­ти­ок­си­дант­ных си­стем ор­га­низ­ма. В сер­ных кис­ло­тах может про­ис­хо­дить за­ме­на атома кис­ло­ро­да на атом серы. Если за­ме­нить атом кис­ло­ро­да в сер­ной кис­ло­те, то по­лу­ча­ет­ся тио­сер­ная кис­ло­та H₂S₂O₃. Она об­ра­зу­ет ряд солей, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся тио­суль­фа­ты. Тио­суль­фа­ты ис­поль­зу­ют­ся для ко­ли­че­ствен­но­го опре­де­ле­ния йода ме­то­дом тит­ро­ва­ния.

Рис. 8 Тио­суль­фа­ты ис­поль­зу­ют­ся для ко­ли­че­ствен­но­го опре­де­ле­ния йода ме­то­дом тит­ро­ва­ния

Тит­ро­ва­ние – это метод когда кон­цен­тра­цию, ка­ко­го либо ве­ще­ства, в рас­твор ко­то­ро­го до­бав­лен спе­ци­аль­ный ин­ди­ка­тор, опре­де­ля­ют мед­лен­ным до­бав­ле­ни­ем дру­го­го ве­ще­ства с из­вест­ной кон­цен­тра­ци­ей. Этот метод при­ме­ня­ет­ся часто, так как поз­во­ля­ет быст­ро и точно опре­де­лять кон­цен­тра­ции ве­ществ.

Под­ве­де­ние итога

Вы по­зна­ко­ми­лись с темой «Кис­ло­род. Сера». При её изу­че­нии были рас­смот­ре­ны со­еди­не­ния кис­ло­ро­да и серы, свой­ства наи­бо­лее важ­ных со­еди­не­ний этих двух эле­мен­тов. Вы узна­ли о хи­ми­че­ских свой­ствах и ме­то­дах по­лу­че­ния кис­ло­ро­да, затем озона и пе­ре­ки­си во­до­ро­да. Были изу­че­ны со­еди­не­ния серы. По­дроб­но ис­сле­до­ван гек­сафто­рид серы, его свой­ства, при­ме­не­ние. Были изу­че­ны яв­ле­ние ка­те­на­ции, метод опре­де­ле­ния ко­ли­че­ства йода в рас­тво­ре и метод тит­ро­ва­ния.