6.33. Водородные соединения кислорода и серы

Важнейшими водородными соединениями кислорода и серы являются вода H2O и сероводород H2S. Кроме того, существуют и другие бинарные соединения кислорода и серы, например пероксид водорода Н2О2.

Вода

Вода — второе по распространенности на Земле химическое соединение. Запасы воды на Земле оцениваются в 1,4 млрд км3. Она составляет от 50 до 99 % массы растений, животных, человека.

Строение молекулы. Молекула воды имеет угловое строение, которое определяют четыре электронные орбитали внешнего электронного слоя атома кислорода: две из них образуют ковалентные полярные связи с атомами водорода, другие две содержат неподеленные электронные пары (рис. 77). Как вам известно, угол между направлениями связей Н—О в молекуле водяного пара составляет 104,5° и молекулы представляют собой диполи (§ 14, рис. 33).

Рис. 77. Строение молекулы воды: а — электронно-графическая схема образования связей, б — электронная формула и угловое строение, в — масштабная и шаростержневая модели

Особенности физических свойств. Вода не имеет цвета, вкуса, запаха, обладает высокой теплоемкостью. Вода существует в природе в трех агрегатных состояниях (жидком, твердом, газообразном). Ее температура плавления — 0 °С, кипения — 100 °С при p = 101,325 кПа. Между молекулами воды в жидком и твердом состояниях существуют прочные водородные связи (25 кДж/моль) (§ 17, рис. 43).

Вода, являясь очень слабым электролитом, практически не проводит электрический ток. На ионы распадаются приблизительно две молекулы из миллиарда (при 25 °С): .

Химические свойства воды. Вода вступает в реакции со многими веществами как при комнатной температуре, так и при нагревании: металлами, основными и кислотными оксидами, органическими веществами. Рассмотрим некоторые особенности этих взаимодействий.

1. Характер взаимодействия воды с металлами зависит от активности металла. Так, щелочные и щелочноземельные (Са, Ва, Sr, Ra) металлы реагируют при комнатной температуре с образованием водорода и щелочи:

Большинство металлов, расположенных в ряду активности между алюминием и водородом, вступают в реакцию с парами воды с образованием водорода и оксидов металлов. Металлы, расположенные после водорода, ни при каких условиях с водой не реагируют. Более детально вы изучите реакции взаимодействия металлов с водой в главе 7.

2. Взаимодействие воды с кислотными оксидами приводит к образованию кислот:

SO3 + H2O = H2SO4.

3. Основные оксиды щелочных и щелочноземельных металлов в реакциях с водой образуют щелочи:

СаО + Н2О = Са(ОН)2↓.

4. С органическими веществами вода вступает в реакции гидратации (ненасыщенных соединений) и гидролиза (сложных эфиров, углеводов, белков). Например:

Сероводород

Строение молекулы. Строение молекулы сероводорода можно объяснить перекрыванием атомных 3р-орбиталей серы и 1s-орбитали атомов водорода (§ 14, рис. 32). При этом происходит отталкивание областей повышенной электронной плотности, возникших при образовании σ-связи. Вследствие этого валентный угол немного увеличивается — возрастает от 90° до 92° (рис. 78).

Рис. 78. Структурная формула, масштабная и шаростержневая модели молекулы сероводорода

Физические свойства. Сероводород — бесцветный газ с запахом тухлых яиц. Он тяжелее воздуха и имеет более низкие температуры кипения (–60 °С) и плавления (–86 °С) по сравнению с водой. В одном объеме воды растворяется три объема сероводорода. При этом образуется раствор очень слабой кислоты — сероводородной:

Из уравнений диссоциации следует, что кислоте соответствуют два ряда солей — кислые (гидросульфиды, например NaHS, Ca(HS)2) и средние (сульфиды, например Na2S, CaS).

Влияние на организм человека. Сероводород очень ядовит. При его вдыхании быстро наступает паралич дыхательных нервов, человек перестает ощущать запахи, что таит в себе смертельную угрозу. Попадая в кровь, сероводород разрушает гемоглобин и образует сульфид железа черного цвета — «кровь чернеет». Работать с сероводородом в лабораториях можно только в вытяжном шкафу.

В природе сероводород образуется в небольших количествах при гниении белков, содержится в вулканических газах, в атмосфере промышленных регионов. Сероводород тяжелее воздуха, поэтому скапливается в канализационных колодцах, ямах. Насчитывается немало случаев, когда пострадавшими становились рабочие, обслуживающие трубопроводы.

В организме сероводород образуется из аминокислоты — цистеина. Эндогенный (вырабатываемый внутри организма) сероводород является спазмолитиком — расслабляет гладкие мышцы, а также считается одним из важных факторов, защищающих организм от сердечно-сосудистых заболеваний.

Применение сероводорода и сульфидов. Сероводород находит ограниченное применение. Сероводородную воду и газообразный сероводород используют в аналитической химии для определения (осаждения) катионов металлов, сульфиды которых малорастворимы и нерастворимы.

В технике сульфиды применяют как источники нетеплового излучения — люминофоры (CdS, ZnS), смазочные материалы (МоS2), полупроводники (CuS, CdS, PbS и другие).

В медицине используют искусственные и природные сероводородные ванны, сероводородную минеральную воду.

В химической промышленности сероводород служит сырьем для получения серы, серной кислоты, сульфидов и серосодержащих органических соединений. Например, меркаптаны как одни из самых зловонных веществ служат добавкой к природному газу для обнаружения его утечки в трубопроводах.

*Химические свойства сероводорода

Для сероводорода наиболее характерны восстановительные свойства за счет атомов серы в степени окисления –2. Примером может служить взаимодействие сероводорода с кислородом и оксидом серы(IV).

1. При взаимодействии с кислородом (горение) в избытке кислорода образуется оксид серы(IV), а при его недостатке — сера:

;

.

2. При взаимодействии с оксидом серы(IV) образуется свободная сера:

.

Эти процессы лежат в основе промышленного получения серы при нефтепереработке, а также из отходящих газов металлургических и коксовых печей.

Сероводородная кислота и ее соли

Слабая двухосновная сероводородная кислота проявляет все общие свойства кислот: реагирует с металлами, основными оксидами, основаниями и солями. Вступая в реакции обмена, она образует два ряда солей — сульфиды и гидросульфиды:

2NaOH + H2S = Na2S + 2H2O (cульфид натрия, средняя соль);

NaOH + H2S = NaHS + H2O (гидросульфид натрия, кислая соль).

Сульфиды и гидросульфиды щелочных и щелочноземельных металлов (NaHS, KНS, Ba(HS)2) хорошо растворяются в воде. Сульфиды других металлов в подавляющем большинстве нерастворимы. Сульфиды свинца, меди, ртути, серебра и некоторых других металлов не растворяются даже в соляной и серной кислотах. По этой причине сульфиды можно осаждать сероводородом из растворов солей:

CuSO4 + H2S = CuS↓ + H2SO4.

Сульфид-ионы легко обнаружить, используя качественную реакцию на сероводородную кислоту и ее соли. Реактивом на сероводородную кислоту и ее растворимые в воде соли могут быть, например, сульфат меди(II) или нитрат свинца(II), при взаимодействии с которыми из раствора выпадает черный осадок сульфида меди(II) или свинца(II):

Pb(NO3)2 + Na2S = PbS↓ + 2NaNO3;

Pb2+ + S2– = PbS↓.

Сульфиды большинства металлов, причем даже нерастворимые в воде, обнаруживают по их взаимодействию с кислотой, в результате которого выделяется сероводород, имеющий специфический неприятный запах.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите химические формулы водородных соединений кислорода и серы.

2. Перечислите физические свойства:

• а) воды;
• б) сероводорода.

Каково физиологическое воздействие сероводорода на организм?

3. Опишите пространственное строение:

• а) молекулы воды;
• б) молекулы сероводорода.

Сравните валентные углы в данных молекулах.

4. Назовите вещества и укажите степени окисления атомов:

Н2S, H2O2, ZnS, FeS, Al2S3, NaHS.

5. Составьте уравнения реакций:

• а) Na + H2O →; Ba + H2O →; P2O5 + H2O →; SO2 + H2O →;
• б) H2S + FeCl2 →; H2S + NaOH →; H2S + Ba(OH)2 →; H2S + CuSO4 →.

На основании составленных уравнений реакций сделайте вывод о химических свойствах водородного соединения.

6. Составьте схему образования водородных связей:

• а) между молекулами воды;
• б) молекулами воды и метанола.

Объясните, почему не растворяются в воде бензол, гексан.

7. Используя данные рисунка 44 из § 17, объясните:

• а) изменение температуры кипения веществ в ряду H2S — H2Sе — H2Те;
• б) аномально высокое значение температуры кипения воды.

8. Рассчитайте массовую долю сероводорода в сероводородной воде, полученной при растворении газа (н. у.) объемом 3 дм3 в воде объемом 1 дм3 (4 °С).

9. Через раствор, содержащий гидроксид натрия массой 20 г, пропустили сероводород объемом 11,2 дм3 (н. у.). Определите молярную концентрацию соли в конечном растворе, если известно, что объем раствора равен 2,5 дм3.

10. Cероводород объемом 1,12 дм3 (н. у.) пропустили через раствор массой 125 г с массовой долей сульфата меди(II), равной 10 %. Рассчитайте массовую долю соли в образовавшемся растворе.

*Самоконтроль

1. К водородным соединениям элементов VIA-группы относятся:

• а) H2O;
• б) H2O2;
• в) H2S2;
• г) H2S.

2. Назовите вещество, которое при попадании в кровь разрушает гемоглобин:

• а) H2O;
• б) O2;
• в) С6H12О6 (глюкоза);
• г) H2S.

3. При комнатной температуре реагируют:

• а) вода и калий;
• б) сероводородная кислота и гидроксид натрия;
• в) магний и вода;
• г) вода и оксид бария.

4. Реагирует с водой с образованием гидроксида:

• а) цинк;
• б) кальций;
• в) железо;
• г) медь.

5. Перекрыванию электронных орбиталей в молекуле воды соответствует схема:

а)

б)

в)

г)