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);
• tпл. = 112,8 °С, tкип. = 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);
• tпл. = 119,3 °С, tкип. = 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, tкип. = 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.
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України