Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 30. Сульфур. Сірка

Пригадайте: будову електронної оболонки атома Сульфуру в основному й збудженому станах та можливі валентні стани Сульфуру (за § 27).

Сульфур

Сульфур — елемент 3 періоду VIA групи. Він є електронним аналогом Оксигену — на зовнішньому енергетичному рівні його атомів також шість електронів, з яких два неспарені і завдяки ним Сульфур реалізує валентність II. Також для Сульфуру характерні валентності IV і VI.

У сполуках із Гідрогеном і металами Сульфур виявляє нижчий ступінь окиснення -2:

S⁰ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ + 2е^- → S^-2 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶

Під час взаємодії з неметалами, електронегативність яких більша за Сульфур (Флуор, Хлор, Бром та Оксиген), атоми Сульфуру частіше віддають чотири валентні електрони:

S⁰ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ - 4е^- → S⁺⁴ 1s²2s²2p⁶3s²

У разі втрати всіх шести валентних електронів Сульфур переходить у максимальний ступінь окиснення +6:

S⁰ 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ - 6е^- → S⁺⁶ 1s²2s²2p⁶

Ступінь окиснення +2 не дуже поширений і виявляється лише у сполуках із Флуором (SF₂), Хлором (SCl₂) та Бромом (SBr₂).

Алотропні видозміни Сульфуру

Сульфур утворює три основні алотропні видозміни: ромбічна, моноклінна та пластична сірка. Вони відрізняються будовою молекул, формою кристалів і фізичними властивостями. За звичайних умов найстабільнішою є ромбічна сірка з молекулами S₈, які нагадують корону (мал. 30.1). Назва цієї видозміни походить від форми її кристалів (мал. 30.2a).

Мал. 30.1. Форма молекул сірки S₈

Мал. 30.2. Форма кристалів ромбічної (а) та моноклінної (б) сірки

Якщо ромбічну сірку розплавити та повільно охолодити, то з розплаву кристалізується моноклінна сірка. Вона також складається з молекул S₈, але від ромбічної відрізняється формою кристалів (мал. 30.2б).

Якщо розплавлену сірку нагріти, то в діапазоні 160-190 °С світло-жовта рідина чорніє, а циклічні молекули розриваються й об’єднуються в довгі ланцюги. За швидкого охолодження з такого розплаву утворюється третя алотропна видозміна — пластична сірка з формулою S_∞.

За звичайних умов із часом моноклінна та пластична видозміни перетворюються на ромбічну сірку. Під час кипіння довгі ланцюги пластичної сірки розриваються, й у випарах сірка існує у вигляді двохатомних молекул S₂.

Сульфур утворює понад десять алотропних видозмін, що складаються з молекул S₆, S₇, S₈, S₂₀ тощо. Із них лише ромбічна сірка трапляється в природі.

Ромбічна сірка:

• світло-жовтий порошок або яскраво-жовті кристали з молекулярними кристалічними ґратками;

• крихка;

• нерозчинна у воді, розчиняється в органічних розчинниках (етанол, хлороформ, бензен тощо);

• t_пл. = 112,8 °С, t_кип. = 444,5 °С;

• густина 2,07 г/см³;

• стабільна за температури менше 95,4 °С.

Моноклінна сірка:

• темно-жовті голки з молекулярними кристалічними ґратками;

• крихка;

• нерозчинна у воді, розчиняється в неполярних органічних розчинниках (гексан, хлороформ, бензен тощо);

• t_пл. = 119,3 °С, t_кип. = 444,5 °С;

• густина 1,96 г/см³;

• стабільна за температури вище 95,4°С, за меншої температури перетворюється на ромбічну сірку.

Пластична сірка:

• темно-коричнева або темно-жовта аморфна речовина;

• еластична, гумоподібна;

• нерозчинна;

• плавиться в діапазоні температур, t_кип. = 445 °С;

• густина 1,92 г/см³;

• нестабільна, за кілька годин стає крихкою і перетворюється на ромбічну сірку.

Хімічні властивості сірки

Сірка — хімічно активна речовина, доволі сильний окисник, хоча виявляє і відновні властивості. Різні алотропні видозміни сірки не дуже відрізняються за хімічними властивостями, тому в рівняннях реакцій зазвичай не зазначають склад молекул сірки, а записують просто S.

• Реакції з неметалами. За звичайних умов сірка малоактивна. Під час нагрівання вона вступає в реакцію з киснем і згоряє ледь помітним синім полум’ям:

S + О₂ = SO₂

Якщо пропустити через розплавлену сірку водень, утворюється гідроген сульфід H₂S (сірководень):

S + Н₂ = H₂S

• Реакції з металами. За підвищеної температури сірка реагує також із багатьма металами, утворюючи сульфіди:

- із лужними металами (під час сплавляння): S + 2Na = Na₂S

- з активними металами (за нагрівання): 3S + 2Аl = Al₂S₃

- нагріта мідна пластинка розжарюється у випарах сірки і поступово розсипається, перетворюючись на чорний порошок купрум(ІІ) сульфіду: S + Cu = CuS.

• Відновні властивості. Сірка реагує із сильними окисниками, при цьому частіше утворюється сульфур(ІV) оксид:

S + 4HNO₃ = SO₂↑ + 4NO₂↑ + 2Н₂О

S + 2H₂SO₄ = 3SO₂↑ + 2H₂O

• Реакція з лугами. Під час сплавляння з лугом утворюються дві солі: сульфід і сульфіт, тобто відбувається реакція диспропорціонування:

3S + 6NaOH = Na₂SO₃ + 2Na₂S + 3Н₂О

Застосування сірки

Щорічно у світі виробляють близько 50 млн тонн сірки. Більшу частину цієї кількості одержують під час очищення від сірки природного газу та нафти.

• Близько 90 % усієї добутої сірки йде на виробництво сульфатної кислоти.

• Сірку використовують у процесі вулканізації для перетворення каучуку на різні види гуми, а також для одержання органічних барвників, лікарських препаратів.

• Сірка є складовою пороху й інших піротехнічних сумішей.

• Сірчистим газом, що утворюється під час горіння сірки на повітрі, садівники навесні обкурюють плодові рослини (фруктові сади та теплиці) для знищення шкідників.

• Очищену сірку у вигляді мазей використовують для лікування захворювань шкіри.

Поширеність та біологічне значення Сульфуру

Сульфур — досить поширений на Землі елемент, він становить 0,1 % маси земної кори (сьоме місце за поширеністю серед неметалічних елементів).

На Землі існує багато покладів сірки. Багато з них перебувають на поверхні, що дозволяє просто викопувати породу, а інші залягають на помірно невеликій глибині 200-500 м.

За розвіданими запасами сірки Україна посідає одне з перших місць у світі. Найбільші родовища сірки в Україні зосереджені переважно у Львівській та Івано-Франківській областях, але від кінця XX століття їх розробки призупинені або припинені внаслідок зменшення світового споживання сірки.

Сульфур міститься у складі багатьох речовин: у природі трапляється велика кількість сульфуровмісних сполук. Сульфідні руди містять багато цінних металічних елементів, тому ці руди є не лише джерелом Сульфуру, а й сировиною для добування металів. Також широко використовують сульфатні мінерали гіпс та алебастр.

Сульфур — один із біогенних елементів. Він міститься у складі амінокислот (цистеїн та метіонін). Саме завдяки Сульфуру залишки цих амінокислот у молекулах білків беруть участь в утворенні дисульфідних містків, що стабілізують третинну структуру білка (мал. 30.3). Також Сульфур міститься у складі деяких вітамінів (біотин, тіамін) і ферментів. Організм людини містить близько 2 г Сульфуру на 1 кг маси тіла.

Мал. 30.3. Дисульфідні містки між залишками молекул цистеїну стабілізують третинну структуру молекул білків

Ключова ідея

Сульфур — поширений у природі та важливий біогенний елемент.

Запитання та завдання

161. Схарактеризуйте валентні стани та можливі ступені окиснення Сульфуру.

162. Порівняйте фізичні властивості різних алотропних видозмін Сульфуру.

163. З якими речовинами сірка виявляє властивості окисника, а з якими — відновника?

164. Схарактеризуйте застосування сірки.

165. Схарактеризуйте поширеність та біологічне значення Сульфуру.

166. Складіть формулу Льюїса для молекули сірки S₂. Скільки електронних пар беруть участь в утворенні ковалентного зв'язку між атомами Сульфуру? Чи виконується правило октету?

167. Взаємодія сірки із цинком відбувається так само, як і з алюмінієм. Складіть рівняння реакції та електронний баланс для цієї реакції.

168. Складіть рівняння реакцій утворення фосфор(ІІІ) сульфіду, натрій сульфіду, ферум(ІІІ) сульфіду з простих речовин. Укажіть окисник і відновник.

169. У якій природній речовині масові частки Сульфуру й Оксигену однакові?

170. Визначте, у якій зі сполук — PbS, MnS, FeS, NiS, BaSO₄ — масова частка Сульфуру найбільша, а в якій — найменша. Чи можна відповісти на це запитання без обчислень?

171. Обчисліть об'єм сульфур(ІV) оксиду (н. у.), що утвориться під час спалювання сірки масою 80 г.