Страница 76 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте сравнительную характеристику элементов VIA-группы на основании их положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Элементы VIA-группы (16-й группы), известные как халькогены, включают кислород (O), серу (S), селен (Se), теллур (Te) и радиоактивный полоний (Po). Их сравнительная характеристика на основе положения в Периодической системе Д. И. Менделеева выглядит следующим образом.

1. Общее положение и строение атомов

• Элементы VIA-группы расположены в главной подгруппе VI группы (или 16-й группе) Периодической системы, начиная со 2-го периода (кислород) и заканчивая 6-м периодом (полоний).
• Как элементы одной группы, они имеют одинаковое число валентных электронов — 6.
• Общая электронная конфигурация внешнего энергетического уровня: $ns^2np^4$, где $n$ — номер периода.
  • O (2-й период): $[He]2s^22p^4$
  • S (3-й период): $[Ne]3s^23p^4$
  • Se (4-й период): $[Ar]3d^{10}4s^24p^4$
  • Te (5-й период): $[Kr]4d^{10}5s^25p^4$
  • Po (6-й период): $[Xe]4f^{14}5d^{10}6s^26p^4$
• Для достижения стабильной электронной конфигурации благородного газа (октета) атомам халькогенов необходимо принять 2 электрона, что обусловливает их высокую окислительную активность, особенно у первых представителей группы.

2. Изменение свойств простых веществ и атомов по группе (сверху вниз от O к Po)

• Атомный радиус: Закономерно увеличивается с ростом порядкового номера, так как увеличивается число электронных оболочек. Ряд изменения: $O < S < Se < Te < Po$.
• Энергия ионизации: Уменьшается, поскольку валентные электроны находятся дальше от ядра, слабее с ним связаны и легче отрываются.
• Электроотрицательность: Уменьшается. Кислород является вторым по электроотрицательности элементом после фтора. В ряду $O > S > Se > Te > Po$ способность атомов притягивать электроны падает.
• Металлические и неметаллические свойства: С ростом атомного радиуса и уменьшением электроотрицательности неметаллические свойства ослабевают, а металлические — усиливаются.
  • Кислород (O) и сера (S) — типичные неметаллы.
  • Селен (Se) и теллур (Te) — полуметаллы (металлоиды), проявляющие свойства как металлов, так и неметаллов.
  • Полоний (Po) — металл.

3. Степени окисления

• Низшая степень окисления для всех элементов равна -2 (кроме полония). Они проявляют ее в соединениях с менее электроотрицательными элементами (металлами, водородом), принимая 2 электрона.
• Кислород как самый электроотрицательный элемент в группе (кроме фтора в таблице) почти всегда проявляет степень окисления -2. Исключения: -1 в пероксидах (например, $H_2O_2$), -1/2 в супероксидах (например, $KO_2$) и +2 во фториде кислорода ($OF_2$).
• Остальные элементы (S, Se, Te, Po), помимо -2, могут проявлять положительные степени окисления: +2, +4, +6. Высшая положительная степень окисления (+6) соответствует номеру группы.
• Устойчивость соединений в высшей степени окисления (+6) уменьшается сверху вниз по группе. Для теллура и особенно полония более характерна и устойчива степень окисления +4.

4. Свойства важнейших соединений

• Водородные соединения (гидриды): Имеют общую формулу $H_2Э$.
  • Свойства изменяются закономерно: вода ($H_2O$) — жидкость, остальные ($H_2S, H_2Se, H_2Te$) — газы. Аномально высокая температура кипения воды объясняется наличием прочных межмолекулярных водородных связей.
  • Термическая устойчивость гидридов уменьшается в ряду $H_2O > H_2S > H_2Se > H_2Te$, так как прочность связи H–Э падает с увеличением радиуса атома Э.
  • Кислотные свойства водных растворов усиливаются сверху вниз: $H_2O$ — нейтральное вещество (амфолит), $H_2S$ — очень слабая кислота, а кислотные свойства в ряду $H_2S – H_2Se – H_2Te$ нарастают.
• Высшие оксиды и гидроксиды (кислоты): Образуют оксиды типа $ЭO_2$ и $ЭO_3$ и соответствующие им кислоты.
  • Характер оксидов изменяется от кислотного к амфотерному: $SO_2$, $SO_3$, $SeO_2$ — кислотные оксиды; $TeO_2$ — амфотерный; $PoO_2$ — проявляет преимущественно основные свойства.
  • Сила кислот, образованных высшими оксидами, уменьшается: серная кислота ($H_2SO_4$) — очень сильная, селеновая ($H_2SeO_4$) — сильная, но слабее серной, а теллуровая ($H_6TeO_6$) — слабая.
  • Окислительная способность соединений в высшей степени окисления (+6) возрастает сверху вниз: серная кислота проявляет сильные окислительные свойства только в концентрированном виде, а селеновая и теллуровая кислоты являются сильными окислителями даже в разбавленных растворах.

Ответ: Элементы VIA-группы (халькогены) имеют 6 валентных электронов и проявляют общие закономерности в изменении свойств на основе своего положения в Периодической системе. При движении по группе сверху вниз (от кислорода к полонию) наблюдается: увеличение атомного радиуса; уменьшение электроотрицательности и энергии ионизации; ослабление неметаллических и усиление металлических свойств (переход от неметаллов O, S к полуметаллам Se, Te и металлу Po); уменьшение устойчивости водородных соединений и усиление их кислотных свойств в водных растворах; изменение характера высших оксидов от кислотного к амфотерному и основному, а также уменьшение силы соответствующих им кислот.

2. Дайте характеристику элемента серы на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Положение в Периодической системе Д. И. Менделеева

Химический элемент сера (лат. Sulfur) обозначается символом $S$. Он расположен в третьем периоде (малом), в VI группе, главной подгруппе (VIA группа, или 16-я группа по современной классификации). Порядковый (атомный) номер серы — 16. Относительная атомная масса элемента составляет примерно $A_r(S) \approx 32,06$. Соседи серы в таблице: слева — фосфор ($P$), справа — хлор ($Cl$), сверху — кислород ($O$), снизу — селен ($Se$).

Строение атома

Атом серы имеет следующий состав:
– Заряд ядра равен $+16$, что обусловлено наличием 16 протонов ($p^+$) в ядре.
– В нейтральном атоме содержится 16 электронов ($e^-$).
– Наиболее распространенный изотоп серы $^{32}S$ содержит 16 нейтронов ($n^0$), так как $32 - 16 = 16$.
Электроны в атоме серы распределены по трем энергетическим уровням, так как элемент находится в 3-м периоде. Электронная формула (конфигурация) атома серы в основном состоянии: $S \space +16 \space )_2 )_8 )_6$ или более подробно: $1s^22s^22p^63s^23p^4$. На внешнем (третьем) энергетическом уровне находится 6 валентных электронов ($3s^23p^4$), что соответствует номеру группы. До завершения внешнего уровня (до октета) атому серы не хватает двух электронов, что определяет её типичные неметаллические свойства и склонность к принятию электронов с проявлением степени окисления $-2$.

Характеристика простого вещества и его свойств

Сера как простое вещество — это типичный неметалл. При обычных условиях представляет собой твёрдое хрупкое вещество жёлтого цвета. Существует в нескольких аллотропных модификациях, наиболее устойчивыми из которых являются ромбическая и моноклинная сера.
В химических реакциях сера проявляет двойственную окислительно-восстановительную активность.
Окислительные свойства (принимает электроны) проявляет в реакциях с металлами и водородом, образуя сульфиды и сероводород:
$Fe + S \xrightarrow{t} FeS$
$H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S$
Восстановительные свойства (отдаёт электроны) проявляет в реакциях с более электроотрицательными элементами, такими как кислород и галогены:
$S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$
$S + 3F_2 \rightarrow SF_6$
Неметаллические свойства у серы выражены слабее, чем у кислорода (элемента сверху), но сильнее, чем у селена (элемента снизу). В периоде неметаллические свойства серы сильнее, чем у фосфора (слева), но слабее, чем у хлора (справа).

Степени окисления и важнейшие соединения

Для серы характерны следующие степени окисления:
– $-2$ (низшая): в сероводороде ($H_2S$) и сульфидах (например, $Na_2S$). Сероводород $H_2S$ — летучее водородное соединение, газ с запахом тухлых яиц, его водный раствор (сероводородная кислота) является слабой кислотой.
– $0$: в простом веществе ($S$).
– $+4$: в оксиде серы(IV) ($SO_2$) и сернистой кислоте ($H_2SO_3$). Оксид серы(IV) — кислотный оксид, которому соответствует слабая и неустойчивая сернистая кислота.
– $+6$ (высшая): в оксиде серы(VI) ($SO_3$) и серной кислоте ($H_2SO_4$). Оксид серы(VI) — высший оксид, имеет кислотный характер. Ему соответствует серная кислота $H_2SO_4$ — сильная двухосновная кислота, являющаяся также сильным окислителем. Кислотный характер высшего оксида и его гидроксида подтверждает неметаллический характер элемента сера.

Ответ: Сера ($S$) — химический элемент с порядковым номером 16, расположенный в 3-м периоде и VIА группе Периодической системы. Атом серы состоит из ядра с зарядом $+16$ и 16 электронов, распределенных по трем энергетическим уровням ($1s^22s^22p^63s^23p^4$). На внешнем уровне находится 6 валентных электронов. Сера является типичным неметаллом, проявляет степени окисления от $-2$ до $+6$. Образует летучее водородное соединение $H_2S$ (сероводород, проявляющий свойства слабой кислоты) и два основных кислотных оксида: $SO_2$ (соответствует слабой сернистой кислоте $H_2SO_3$) и высший оксид $SO_3$ (соответствует сильной серной кислоте $H_2SO_4$).

3. Расскажите о нахождении серы в природе. Как добывают самородную серу? Назовите формулы серосодержащих минералов.

Расскажите о нахождении серы в природе.

Сера — химический элемент, занимающий 16-е место по распространенности в земной коре (около 0,05% по массе). В природе сера встречается как в свободном состоянии (самородная сера), так и в виде многочисленных соединений.

1. Самородная сера ($S$). Залежи самородной серы часто образуются в районах вулканической активности, где она выделяется из вулканических газов, а также в осадочных породах. Крупные месторождения осадочного типа, где сера ассоциируется с гипсом ($CaSO_4 \cdot 2H_2O$), ангидритом ($CaSO_4$) и известняком, находятся в США, Мексике, Польше, Ираке.

2. Связанная сера. Большая часть природной серы находится в виде соединений.
Сульфиды — это соединения серы с металлами. Наиболее важными минералами этой группы являются: железный колчедан (пирит) $FeS_2$, свинцовый блеск (галенит) $PbS$, цинковая обманка (сфалерит) $ZnS$, медный колчедан (халькопирит) $CuFeS_2$, киноварь $HgS$. Сульфидные руды являются основным источником для получения многих металлов (меди, цинка, свинца и др.).
Сульфаты — это соли серной кислоты. В природе они представлены такими минералами, как: гипс $CaSO_4 \cdot 2H_2O$, ангидрит $CaSO_4$, барит (тяжелый шпат) $BaSO_4$, мирабилит (глауберова соль) $Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$.
Органические соединения. Сера является жизненно важным элементом и входит в состав белков (в аминокислотах цистеин и метионин). Также сера содержится в ископаемом топливе: нефти, природном газе (в виде сероводорода $H_2S$ и меркаптанов), каменном угле и горючих сланцах.

Ответ: Сера в природе встречается в самородном виде (в вулканических и осадочных породах) и в виде соединений: сульфидов (например, пирит $FeS_2$, галенит $PbS$), сульфатов (например, гипс $CaSO_4 \cdot 2H_2O$, барит $BaSO_4$) и в составе органических веществ (нефть, уголь, белки).

Как добывают самородную серу?

Основным промышленным методом добычи самородной серы из подземных месторождений является метод Фраша, или метод подземной выплавки серы. Он был предложен Германом Фрашем в 1897 году.

Процесс выглядит следующим образом:
1. В месторождение бурят скважину до серного пласта.
2. В скважину опускают специальную конструкцию из трех концентрических труб, одна в другой.
3. По самой широкой, наружной трубе в пласт под давлением подается перегретая вода (с температурой 160–170 °C). Температура плавления серы (около 115 °C) ниже температуры воды, поэтому сера в пласте плавится.
4. По самой узкой, центральной трубе, под высоким давлением нагнетается горячий воздух.
5. Сжатый воздух смешивается с расплавленной серой, образуя легкую, пенистую эмульсию, которая под давлением этого же воздуха вытесняется на поверхность по средней трубе.
6. На поверхности жидкая сера собирается в большие, обогреваемые емкости, где она отстаивается от примесей, а затем разливается в формы для застывания. Метод Фраша позволяет получать очень чистую серу (99,5–99,9%).

В случае неглубокого залегания серных руд применяют также открытый (карьерный) способ добычи. Добытую руду затем перерабатывают, выплавляя из нее серу в автоклавах или печах.

Ответ: Самородную серу добывают в основном методом Фраша (подземной выплавкой), при котором в пласт закачивают перегретую воду для плавления серы, а затем сжатым воздухом вытесняют ее расплав на поверхность. При неглубоком залегании используется карьерный способ с последующей выплавкой серы из руды.

Назовите формулы серосодержащих минералов.

Серосодержащие минералы делятся на две большие группы: сульфиды и сульфаты. Ниже приведены формулы наиболее распространенных из них.

Формулы сульфидов:
Пирит (железный колчедан) — $FeS_2$
Галенит (свинцовый блеск) — $PbS$
Сфалерит (цинковая обманка) — $ZnS$
Халькопирит (медный колчедан) — $CuFeS_2$
Киноварь — $HgS$
Антимонит (сурьмяный блеск) — $Sb_2S_3$
Аргентит (серебряный блеск) — $Ag_2S$

Формулы сульфатов:
Гипс — $CaSO_4 \cdot 2H_2O$
Ангидрит — $CaSO_4$
Барит (тяжелый шпат) — $BaSO_4$
Целестин — $SrSO_4$
Мирабилит (глауберова соль) — $Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$
Англезит — $PbSO_4$

Ответ: Формулы некоторых распространенных серосодержащих минералов: пирит — $FeS_2$, галенит — $PbS$, сфалерит — $ZnS$, гипс — $CaSO_4 \cdot 2H_2O$, барит — $BaSO_4$, киноварь — $HgS$.

4. Охарактеризуйте аллотропные модификации серы, физические и химические свойства кристаллической серы. Ответ проиллюстрируйте уравнениями химических реакций.

Аллотропные модификации серы

Аллотропия — это способность химического элемента существовать в виде двух или более простых веществ, различных по строению и свойствам. Сера обладает большим числом аллотропных модификаций. Наиболее известными и устойчивыми являются ромбическая, моноклинная и пластическая сера.

1. Ромбическая сера (α-сера): Это наиболее устойчивая модификация при комнатной температуре (ниже 95,6 °C). Она представляет собой жёлтые, хрупкие кристаллы ромбической сингонии. Молекула ромбической серы состоит из восьми атомов, замкнутых в кольцо ($S_8$), имеющее форму короны.

2. Моноклинная сера (β-сера): Образуется при медленном охлаждении расплавленной серы или при нагревании ромбической серы выше 95,6 °C. Она существует в виде игольчатых кристаллов моноклинной сингонии. Молекулярный состав такой же ($S_8$), но упаковка молекул в кристалле иная. Моноклинная сера устойчива в интервале температур от 95,6 °C до температуры плавления (119,6 °C). При охлаждении ниже 95,6 °C она медленно превращается обратно в ромбическую. Переход между этими формами можно представить так:
$S_8(ромбическая) \xrightleftharpoons[t < 95.6^\circ C]{t > 95.6^\circ C} S_8(моноклинная)$

3. Пластическая (аморфная) сера: Получается при резком охлаждении расплавленной серы (нагретой выше 160 °C), например, выливанием её в холодную воду. Представляет собой резиноподобную, эластичную массу коричневого цвета. Эта модификация состоит из длинных полимерных цепей атомов серы (...-S-S-S-...). Пластическая сера термодинамически неустойчива и при комнатной температуре постепенно кристаллизуется, превращаясь в хрупкую ромбическую серу.

Физические свойства кристаллической серы

Под кристаллической серой обычно понимают наиболее стабильную ромбическую модификацию.

• Агрегатное состояние и цвет: Твердое кристаллическое вещество лимонно-жёлтого цвета.

• Запах и вкус: Не имеет запаха и вкуса.

• Хрупкость: Является хрупким веществом, легко измельчается в порошок.

• Растворимость: Практически нерастворима в воде. Хорошо растворяется в неполярных органических растворителях, таких как сероуглерод ($CS_2$), и хуже в бензоле и толуоле.

• Температуры фазовых переходов: Температура плавления ромбической серы — 115,2 °C, температура кипения — 444,6 °C.

• Плотность: Плотность ромбической серы составляет 2,07 г/см³.

• Тепло- и электропроводность: Является плохим проводником тепла и электрического тока (диэлектрик).

Химические свойства кристаллической серы

Кристаллическая сера является химически активным неметаллом, особенно при нагревании. В реакциях она может проявлять как окислительные (степень окисления -2), так и восстановительные (степени окисления +2, +4, +6) свойства.

1. Взаимодействие с металлами (сера — окислитель):
При нагревании сера реагирует со многими металлами, образуя сульфиды.
• С щелочными металлами: $2Na + S \rightarrow Na_2S$
• С железом: $Fe + S \xrightarrow{t} FeS$
• Со ртутью реагирует при комнатной температуре (используется для демеркуризации): $Hg + S \rightarrow HgS$

2. Взаимодействие с неметаллами:
• С водородом (сера — окислитель): $H_2 + S \xrightarrow{200-300^\circ C} H_2S$ (сероводород)
• С кислородом (сера — восстановитель): горит синим пламенем с образованием сернистого газа. $S + O_2 \xrightarrow{t} SO_2$ (оксид серы(IV))
• С галогенами (сера — восстановитель). Например, с фтором и хлором:
$S + 3F_2 \rightarrow SF_6$ (гексафторид серы)
$2S + Cl_2 \xrightarrow{t} S_2Cl_2$ (дихлорид дисеры)
• С углеродом и фосфором (сера — окислитель):
$C + 2S \xrightarrow{700-900^\circ C} CS_2$ (сероуглерод)
$4P_{красный} + 10S \xrightarrow{t} 2P_2S_5$ (сульфид фосфора(V))

3. Взаимодействие со сложными веществами:
• С концентрированными кислотами-окислителями (сера — восстановитель):
$S + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} 3SO_2\uparrow + 2H_2O$
$S + 6HNO_3(конц.) \xrightarrow{t} H_2SO_4 + 6NO_2\uparrow + 2H_2O$
• С растворами щелочей (реакция диспропорционирования): при кипячении сера реагирует с концентрированными растворами щелочей.
$3S + 6NaOH(конц.) \xrightarrow{t} 2Na_2S + Na_2SO_3 + 3H_2O$

Ответ: Сера существует в нескольких аллотропных модификациях, основные из которых — ромбическая (стабильна до 95,6 °C), моноклинная (стабильна от 95,6 °C до 119,6 °C) и пластическая (аморфная, нестабильная). Все они состоят из атомов серы, но различаются строением (ромбическая и моноклинная — из молекул $S_8$, пластическая — из полимерных цепей). Кристаллическая (ромбическая) сера — это жёлтое, хрупкое, нерастворимое в воде твёрдое вещество, являющееся диэлектриком. В химических реакциях сера проявляет двойственную природу: она выступает как окислитель (например, в реакциях с металлами, водородом) и как восстановитель (например, с кислородом, галогенами, кислотами-окислителями), а также способна к реакциям диспропорционирования в щелочах.