Номер 4, страница 19, часть 2 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Сера и кислород расположены в одной группе, однако сера в соединениях проявляет степень окисления -2, +4, +6, а кислород -2. Поясните. Напишите уравнения реакций, в результате которых образуются соединения серы со степенью окисления -2, 4, +6.

Решение

Сера (S) и кислород (O) расположены в одной и той же, 16-й группе (VI A) Периодической системы, что означает, что у атомов обоих элементов по 6 валентных электронов. Основное различие, влияющее на их степени окисления, заключается в том, что кислород находится во втором периоде, а сера — в третьем.

Электронная конфигурация атома кислорода — $1s^2 2s^2 2p^4$. Кислород — один из самых электроотрицательных элементов. На его валентном (втором) энергетическом уровне отсутствуют d-орбитали. Из-за этого атом кислорода не может «распаривать» свои валентные электроны для увеличения числа ковалентных связей. Поэтому кислород в большинстве соединений проявляет степень окисления -2, принимая два электрона для завершения своего внешнего электронного слоя до октета. Положительная степень окисления (+2) возможна только в соединении с более электроотрицательным элементом — фтором ($OF_2$).

Электронная конфигурация атома серы — $[Ne] 3s^2 3p^4$. Находясь в третьем периоде, атом серы имеет вакантный 3d-подуровень. При получении энергии (в ходе химической реакции) атом серы может переходить в возбужденное состояние, перемещая электроны с 3p- и 3s-подуровней на свободные 3d-орбитали.

• В основном состоянии сера, как и кислород, может принимать 2 электрона, проявляя степень окисления -2.

• В первом возбужденном состоянии (один $\text{p}$-электрон переходит на $\text{d}$-орбиталь) сера имеет 4 неспаренных электрона и может проявлять степень окисления +4.

• Во втором возбужденном состоянии (распаривается и $\text{s}$-электронная пара) сера имеет 6 неспаренных электронов, что позволяет ей проявлять высшую степень окисления +6.

Именно наличие свободных d-орбиталей у серы и их отсутствие у кислорода объясняет способность серы проявлять переменные положительные степени окисления +4 и +6.

Ниже приведены уравнения реакций, в которых образуются соединения серы с различными степенями окисления.

1. Соединение со степенью окисления серы -2:

Реакция водорода с серой при нагревании с образованием сероводорода.

$H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S$

В сероводороде ($H_2S$) сера имеет степень окисления $S^{-2}$.

2. Соединение со степенью окисления серы +4:

Сжигание серы в кислороде с образованием сернистого газа.

$S + O_2 \rightarrow SO_2$

В оксиде серы(IV) ($SO_2$) сера имеет степень окисления $S^{+4}$.

3. Соединение со степенью окисления серы +6:

Каталитическое окисление оксида серы(IV) в оксид серы(VI).

$2SO_2 + O_2 \xrightarrow{V_2O_5, t} 2SO_3$

В оксиде серы(VI) ($SO_3$) сера имеет степень окисления $S^{+6}$.

Ответ: Различие в степенях окисления серы и кислорода, находящихся в одной группе, объясняется тем, что у атома серы (элемент 3-го периода) есть вакантные d-орбитали, что позволяет ему проявлять положительные степени окисления (+4, +6) за счет перехода в возбужденные состояния. У атома кислорода (элемент 2-го периода) такая возможность отсутствует.

Уравнения реакций для получения соединений серы:

• Степень окисления -2: $H_2 + S \rightarrow H_2S$

• Степень окисления +4: $S + O_2 \rightarrow SO_2$

• Степень окисления +6: $2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3$