Кислород, сера и их соединения — тренажёр для 9 класса

Раздел 1 — Определение

Кислород и сера — это химические элементы главной подгруппы VI группы (халькогены), которые в курсе химии 9 класса изучают как典 пару «типичный неметалл — его аналог с более слабыми окислительными свойствами». Атом кислорода имеет строение 2e, 6e, атом серы — 2e, 8e, 6e; оба до завершения внешнего слоя принимают по два электрона.

Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ — проявляется у обоих элементов. Кислород образует O₂ и O₃ (озон), сера — ромбическую, моноклинную и пластическую модификации. Различие свойств возникает из-за разного состава или строения молекул, а не из-за разного элемента.

Место темы в программе определяется её «мостовым» характером: здесь окислительно-восстановительные реакции, электролитическая диссоциация и химическое равновесие соединяются в одну технологическую цепочку — контактное производство серной кислоты. Сера показывает степени окисления −2, 0, +4, +6, что даёт удобную модель перехода «восстановитель → окислитель».

Раздел 2 — Ключевые правила

Сера в реакциях ведёт себя двойственно: с металлами и водородом она окислитель (переходит в S⁻²), с кислородом и галогенами — восстановитель (переходит в S⁺⁴ или S⁺⁶).

1. Кислород в соединениях проявляет степень окисления −2 (исключения — пероксиды −1 и OF₂ +2). Пример: в SO₃ сера имеет +6, потому что 3 · (−2) = −6.
2. Озон O₃ — более сильный окислитель, чем O₂, и неустойчив: 3O₂ ⇄ 2O₃ − Q идёт под действием УФ-лучей и электрического разряда.
3. Сера реагирует почти со всеми металлами при нагревании, а со ртутью — при комнатной температуре: Hg + S → HgS.
4. Сероводород H₂S — только восстановитель, поскольку сера в нём в низшей степени окисления −2.
5. Оксид серы(IV) SO₂ и сернистая кислота H₂SO₃ проявляют двойственность: сера +4 может и отдавать, и принимать электроны.
6. Разбавленная H₂SO₄ окисляет металлы ионом H⁺ (выделяется H₂), концентрированная — ионом S⁺⁶ (выделяется SO₂), поэтому с медью реагирует только концентрированная.

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Сера с металлом. Fe + S →(t) FeS. Железо отдаёт 2 электрона (Fe⁰ − 2e → Fe⁺²), сера принимает их (S⁰ + 2e → S⁻²). Вывод: с металлами сера — окислитель, продукт — сульфид.

Пример 2. Сера с кислородом. S + O₂ → SO₂. Сера отдаёт 4 электрона, кислород принимает; горение идёт синим пламенем с резким запахом. Вывод: перед более электроотрицательным элементом сера становится восстановителем.

Пример 3. Сера с водородом. H₂ + S ⇄(150–200 °C) H₂S. Реакция обратимая и малоэкзотермичная, поэтому в лаборатории сероводород получают иначе: FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑. Вывод: способ получения выбирают по выходу продукта, а не по «красоте» уравнения.

Пример 4. Окисление сероводорода. При избытке кислорода 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O, при недостатке 2H₂S + O₂ → 2S↓ + 2H₂O. Сера +6 не образуется, зато меняется глубина окисления. Вывод: продукт зависит от соотношения реагентов.

Пример 5. Контактное окисление. 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ + Q идёт при 400–500 °C на катализаторе V₂O₅. Реакция обратимая и экзотермическая, поэтому температуру не поднимают выше необходимой, а давление и избыток воздуха смещают равновесие вправо.

Пример 6. Концентрированная кислота с медью. Cu + 2H₂SO₄(конц.) →(t) CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Водород не выделяется, окислитель — сера +6. Вывод: положение меди правее водорода в ряду активности не запрещает реакцию с концентрированной кислотой.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Смешение аллотропии и изотопии. Ошибка возникает из-за похожих терминов. Аллотропия — разные простые вещества одного элемента (O₂ и O₃), изотопы — атомы с разным числом нейтронов. Неправильно: «O₂ и O₃ — изотопы кислорода». Правильно: «аллотропные модификации».

Запись «сера горит до SO₃». Причина — знание о существовании SO₃. При горении серы на воздухе образуется только SO₂; триоксид получают каталитическим окислением. Неправильно: 2S + 3O₂ → 2SO₃. Правильно: S + O₂ → SO₂.

Поглощение SO₃ водой в промышленности. Ошибка от буквального чтения уравнения SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Вода даёт трудноуловимый туман, поэтому SO₃ поглощают концентрированной кислотой: SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇ (олеум), который затем разбавляют.

Выделение водорода с концентрированной H₂SO₄. Причина — перенос правила о разбавленных кислотах. Неправильно: Cu + H₂SO₄(конц.) → CuSO₄ + H₂↑. Правильно: продукт восстановления — SO₂ (с активными металлами возможны S или H₂S).

Разбавление кислоты «наоборот». Вливание воды в кислоту вызывает вскипание и разбрызгивание. Правильный порядок: кислоту тонкой струёй в воду при перемешивании.

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Определите степень окисления серы в исходном веществе: −2, 0, +4 или +6.
2. Сделайте вывод о роли: −2 — только восстановитель, +6 — только окислитель, 0 и +4 — двойственная роль.
3. Оцените второй реагент: металл или водород требуют от серы окислительных свойств, кислород и галогены — восстановительных.
4. Запишите формулы продуктов по валентности и характеру оксидов (SO₂ и SO₃ — кислотные, дают H₂SO₃ и H₂SO₄).
5. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, отдельно посчитав отданные и принятые электроны.
6. Проверьте условия: катализатор V₂O₅ и 400–500 °C для SO₃, нагревание для сульфидов, концентрация кислоты для типа продукта.
7. Проверьте результат: сравните число атомов каждого элемента слева и справа и убедитесь, что сумма степеней окисления в каждой формуле равна нулю.

Раздел 7 — Как запомнить

• Лестница серы: S⁻² → S⁰ → S⁺⁴ → S⁺⁶ — «вниз только окисляется, вверху только восстанавливается»: H₂S поднимается, H₂SO₄ спускается, SO₂ ходит в обе стороны.
• Три стадии контактного способа: «обжиг — контакт — поглощение»: 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂; 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃; SO₃ + H₂SO₄ → олеум.
• Качественная реакция на сульфат-ион: «барий — белый»: Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓, осадок не растворяется в кислотах.
• Правило безопасности рифмой: «сначала вода, потом кислота».
• Озон отличают по формуле-подсказке: О₃ — «озон, охрана, окислитель» — он защищает от УФ и окисляет сильнее O₂.