Најважније из лекције
- Алотропија сумпора: Ромбични сумпор (стабилан на собној температури), моноклинични сумпор (стабилан изнад \(95{,}5\ ^\circ\text{C}\)), пластични сумпор (аморфан, еластичан) и сумпорни цвет (аморфни прах).
- Сумпорводоник (\(\text{H}_2\text{S}\)): Отрован гас са мирисом покварених јаја; слаба киселина и јако редукционо средство; служи за таложење и аналитичко доказивање катјона прелазних метала (нпр. црни \(\text{CuS}\), ружичасти \(\text{MnS}\)).
- Оксиди сумпора: \(\text{SO}_2\) (анхидрид \(\text{H}_2\text{SO}_3\), дезинфицијенс, узрочник киселих киша) и \(\text{SO}_3\) (анхидрид \(\text{H}_2\text{SO}_4\), чврст/гас).
- Сумпорна киселина (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)): Јака киселина, снажан дехидрататор и оксиданс. Разблажена истискује \(\text{H}_2\) са активним металима; концентрована на собној Т пасивизира \(\text{Fe}\), а загрејана концентрована раствара чак и неактивне метале (\(\text{Cu}, \text{Ag}\)) уз ослобађање \(\text{SO}_2\).
Сумпор (\(\text{S}\)) је неметал 16. групе Периодног система елемената (халкоген), чији су стабилни молекули у чврстом стању осмоатомни и циклични (\(\text{S}_8\)). Најзначајнији оксидациони бројеви сумпора у једињењима су \(-2\), \(+4\) и \(+6\).
| Модификација | Структура и изглед | Услови постојања и својства |
|---|---|---|
| Ромбични сумпор | Жути полупрозирни кристали (\(\text{S}_8\)) | Најстабилнији облик на собној температури (до \(95{,}5\ ^\circ\text{C}\)); крт. |
| Моноклинични сумпор | Тамножути игличасти кристали (\(\text{S}_8\)) | Постојан изнад \(95{,}5\ ^\circ\text{C}\); прелази у течност загревањем. |
| Пластични сумпор | Аморфна, ланчана структура | Настаје изливањем кључалог сумпора у хладну воду; еластичан попут гуме. |
| Сумпорни цвет | Светложути фини аморфни прах | Настаје наглим хлађењем пара сумпора; чест лабораторијски облик. |
Растворљивост: Сумпор је неполарна супстанца, па се готово не раствара у води (поларном растварачу), али се одлично раствара у неполарним растварачима попут угљеник(IV)-сулфида (\(\text{CS}_2\)).
\[ \text{S(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{SO}_2\text{(g)} \]
Сумпор гори карактеристичним плавим пламеном градећи сумпор(IV)-оксид.
\[ 2\text{H}_2\text{S(g)} + \text{SO}_2\text{(g)} \longrightarrow 3\text{S(s)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Индустријско добијање сумпора редукцијом \(\text{SO}_2\) помоћу \(\text{H}_2\text{S}\) (користи се и за пречишћавање отпадних гасова).
Примена: Елементарни сумпор се користи за вулканизацију каучука (гуме), производњу барута, сумпорне киселине и средстава за заштиту биљака (фунгицида).
Сумпорводоник (\(\text{H}_2\text{S}\)) је безбојан, веома отрован гас карактеристичног непријатног мириса на покварена јаја. Јавља се у вулканским гасовима, минералним лековитим водама и настаје труљењем органских материја богатих протеинима.
\[ \text{FeS(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{S(g)} \]
Лабораторијско добијање \(\text{H}_2\text{S}\) дејством хлороводоничне киселине на гвожђе(II)-сулфид.
Киселинско-базна и редукциона својства:
Водени раствор \(\text{H}_2\text{S}\) (сумпорводонична киселина) је слаба двобазна киселина која дисосује у два ступња:
\[ \text{H}_2\text{S(aq)} \rightleftharpoons \text{H}^+\text{(aq)} + \text{HS}^-\text{(aq)} \quad (K_{a1} = 8{,}7 \cdot 10^{-8}\text{ mol/dm}^3) \]
\[ \text{HS}^-\text{(aq)} \rightleftharpoons \text{H}^+\text{(aq)} + \text{S}^{2-}\text{(aq)} \quad (K_{a2} = 1{,}0 \cdot 10^{-13}\text{ mol/dm}^3) \]
Због оксидационог броја сумпора \(-2\), \(\text{H}_2\text{S}\) и сулфиди делују као изразита редукциона средства.
Растворљивост сулфида и доказивање катјона: Сулфиди алкалних, земноалкалних метала и амонијума добро се растварају у води (водени раствори реагују базно услед хидролизе). Сулфиди већине прелазних метала су нерастворни и карактеристично обојени талози:
- \(\text{Cu}^{2+}\text{(aq)} + \text{H}_2\text{S(aq)} \rightleftharpoons \text{CuS(s)} \ (\text{црн талог}) + 2\text{H}^+\text{(aq)}\)
- \(\text{Mn}^{2+}\text{(aq)} + \text{H}_2\text{S(aq)} \rightleftharpoons \text{MnS(s)} \ (\text{ружичаст талог}) + 2\text{H}^+\text{(aq)}\)
- \(\text{Pb}^{2+}\text{(aq)} + \text{S}^{2-}\text{(aq)} \rightleftharpoons \text{PbS(s)} \ (\text{црн талог})\)
Сумпор(IV)-оксид (\(\text{SO}_2\)) је безбојан гас, оштрог загушљивог мириса, који лако прелази у течност. Токсичан је за микроорганизме, па се користи за конзервирање сувог воћа и дезинфекцију винских судова. Један је од главних загађивача ваздуха и узрочник киселих киша.
\[ \text{Na}_2\text{SO}_3\text{(s)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4\text{(aq)} + \text{SO}_2\text{(g)} + \text{H}_2\text{O(l)} \]
Лабораторијско добијање \(\text{SO}_2\) дејством јаке киселине на сулфите.
Сумпораста киселина (\(\text{H}_2\text{SO}_3\)): Молекул \(\text{H}_2\text{SO}_3\) није изолован у слободном стању; водени раствор \(\text{SO}_2\) садржи хидратисане молекуле гаса у равнотежи са јонима:
\[ \text{SO}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} \rightleftharpoons \text{H}^+\text{(aq)} + \text{HSO}_3^-\text{(aq)} \rightleftharpoons 2\text{H}^+\text{(aq)} + \text{SO}_3^{2-}\text{(aq)} \]
Раствор делује као редукционо средство и средство за бељење (обезбојава биљне боје и тканине).
Сумпор(VI)-оксид (\(\text{SO}_3\)) је анхидрид сумпорне киселине. На нижим температурама кристалише у облику ледоликих иглица, а изнад \(44{,}5\ ^\circ\text{C}\) прелази у гас.
\[ 2\text{SO}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \stackrel{\text{кат.}}{\rightleftharpoons} 2\text{SO}_3\text{(g)} \]
Каталитичка оксидација \(\text{SO}_2\) у \(\text{SO}_3\) (кључни корак контактног поступка добијања \(\text{H}_2\text{SO}_4\)).
Сумпорна киселина (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) је безбојна, уљаста и тешка течност (густина око \(1{,}84\text{ g/cm}^3\), масени удео концентроване киселине \(\approx 98\%\)). Спаresource је у ред најјачих неорганских киселина и представља један од темеља хемијске индустрије.
Хемијска својства концентроване \(\text{H}_2\text{SO}_4\):
- Снажно дехидратационо средство: одузима воду органским супстанцама (нпр. угљеним хидратима попут сахарозе, при чему остаје чист угљеник – чађ). Користи се за сушење гасова.
- Јако оксидационо средство: нарочито при загревању.
Реакције сумпорне киселине са металима:
- Разблажена \(\text{H}_2\text{SO}_4\): реагује са металима негативног стандардног редокс потенцијала (\(E^\circ < 0\), нпр. \(\text{Zn}, \text{Fe}, \text{Mg}\)) уз издвајање водоника: \[ \text{Zn(s)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{ZnSO}_4\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
- Концентрована \(\text{H}_2\text{SO}_4\) на собној температури: пасивизира гвожђе (\(\text{Fe}\)), стварајући заштитни оксидни слој (због тога се чува и превози у челичним/гвозденим цистернама).
- Врела концентрована \(\text{H}_2\text{SO}_4\): оксидује и неактивне метале попут бакра (\(\text{Cu}\)) и сребра (\(\text{Ag}\)), при чему се не ослобађа \(\text{H}_2\), већ \(\text{SO}_2\): \[ \text{Cu(s)} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{(conc.)} \stackrel{\Delta}{\longrightarrow} \text{CuSO}_4\text{(aq)} + \text{SO}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \]
Сулфати и важни кристалохидрати:
Већина соли сулфата је добро растворна у води. Слабо растворни су: \(\text{BaSO}_4\), \(\text{PbSO}_4\), \(\text{CaSO}_4\) и \(\text{Ag}_2\text{SO}_4\).
Важни кристалохидрати:
Важни кристалохидрати:
- Плави камен: \(\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}\) (бакар(II)-сулфат пентахидрат)
- Зелена галица: \(\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}\) (гвожђе(II)-сулфат хептахидрат)
- Горка со: \(\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}\) (магнезијум-сулфат хептахидрат)
- Гипс: \(\text{CaSO}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O}\) (калцијум-сулфат дихидрат)
- Глауберова со: \(\text{Na}_2\text{SO}_4 \cdot 10\text{H}_2\text{O}\) (натријум-сулфат декахидрат)
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити оксидационе бројеве сумпора у следећим једињењима и јонима: \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{SO}_2\), \(\text{SO}_4^{2-}\), \(\text{Na}_2\text{SO}_3\) и \(\text{S}_8\).
- У \(\text{H}_2\text{S}\): водоник је \(+1\), па је сумпор \(-2\).
- У \(\text{SO}_2\): кисеоник је \(-2\), па је сумпор \(+4\).
- У \(\text{SO}_4^{2-}\): четири кисеоника дају \(-8\); пошто је наелектрисање јона \(-2\), сумпор је \(+6\).
- У \(\text{Na}_2\text{SO}_3\): натријум је \(+1\), три кисеоника \(-6\), па је сумпор \(+4\).
- У елементарном облику (\(\text{S}_8\)): оксидациони број је \(0\).
Задатак 2 (средњи): Написати молекулске и јонске једначине реакција за:
а) дејство хлороводоничне киселине на натријум-сулфид,
б) реакцију водених раствора баријум-хлорида и сумпорне киселине.
а) дејство хлороводоничне киселине на натријум-сулфид,
б) реакцију водених раствора баријум-хлорида и сумпорне киселине.
а) Реакција \(\text{Na}_2\text{S}\) и \(\text{HCl}\):
Молекулска: \(\text{Na}_2\text{S(aq)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow 2\text{NaCl(aq)} + \text{H}_2\text{S(g)}\uparrow\)
Потпуна јонска: \(2\text{Na}^+ + \text{S}^{2-} + 2\text{H}^+ + 2\text{Cl}^- \longrightarrow 2\text{Na}^+ + 2\text{Cl}^- + \text{H}_2\text{S(g)}\)
Скраћена јонска: \(\text{S}^{2-}\text{(aq)} + 2\text{H}^+\text{(aq)} \longrightarrow \text{H}_2\text{S(g)}\)
б) Реакција \(\text{BaCl}_2\) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\):
Молекулска: \(\text{BaCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)}\downarrow + 2\text{HCl(aq)}\)
Потпуна јонска: \(\text{Ba}^{2+} + 2\text{Cl}^- + 2\text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)} + 2\text{H}^+ + 2\text{Cl}^-\)
Скраћена јонска: \(\text{Ba}^{2+}\text{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}\text{(aq)} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)}\)
Молекулска: \(\text{Na}_2\text{S(aq)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow 2\text{NaCl(aq)} + \text{H}_2\text{S(g)}\uparrow\)
Потпуна јонска: \(2\text{Na}^+ + \text{S}^{2-} + 2\text{H}^+ + 2\text{Cl}^- \longrightarrow 2\text{Na}^+ + 2\text{Cl}^- + \text{H}_2\text{S(g)}\)
Скраћена јонска: \(\text{S}^{2-}\text{(aq)} + 2\text{H}^+\text{(aq)} \longrightarrow \text{H}_2\text{S(g)}\)
б) Реакција \(\text{BaCl}_2\) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\):
Молекулска: \(\text{BaCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(aq)} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)}\downarrow + 2\text{HCl(aq)}\)
Потпуна јонска: \(\text{Ba}^{2+} + 2\text{Cl}^- + 2\text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)} + 2\text{H}^+ + 2\text{Cl}^-\)
Скраћена јонска: \(\text{Ba}^{2+}\text{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}\text{(aq)} \longrightarrow \text{BaSO}_4\text{(s)}\)
Задатак 3 (средњи): Израчунати колико је грама горке соли (\(\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}\)) потребно за припремање \(200\text{ g}\) раствора магнезијум-сулфата у коме је масени удео растворене супстанце \(w(\text{MgSO}_4) = 0{,}20\) (\(20\%\)).
(\(M(\text{MgSO}_4) = 120{,}4\text{ g/mol}\), \(M(\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}) = 246{,}5\text{ g/mol}\))
(\(M(\text{MgSO}_4) = 120{,}4\text{ g/mol}\), \(M(\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}) = 246{,}5\text{ g/mol}\))
Израчунавање потребне масе безводног \(\text{MgSO}_4\):
\[ m(\text{MgSO}_4) = m(\text{раствора}) \cdot w(\text{MgSO}_4) = 200\text{ g} \cdot 0{,}20 = 40\text{ g} \]
Израчунавање масе кристалохидрата преко односа моларних маса:
\[ \frac{m(\text{хидрата})}{m(\text{MgSO}_4)} = \frac{M(\text{MgSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O})}{M(\text{MgSO}_4)} \]
\[ m(\text{хидрата}) = 40\text{ g} \cdot \frac{246{,}5\text{ g/mol}}{120{,}4\text{ g/mol}} \approx 81{,}89\text{ g} \]
Одговор: За припрему раствора потребно је приближно \(81{,}9\text{ g}\) горке соли (и \(118{,}1\text{ g}\) воде).
Задатак 4 (тежак): На половину узорка смеше бакра и цинка додата је разблажена сумпорна киселина у вишку и при томе се ослободило \(2\text{ dm}^3\) гаса (при н.у.). Друга половина истог узорка загревана је са концентрованом сумпорном киселином, при чему се ослободило \(17\text{ dm}^3\) гаса (при н.у.). Израчунати укупну масу полазне смеше бакра и цинка.
(\(M(\text{Zn}) = 65{,}4\text{ g/mol}\), \(M(\text{Cu}) = 63{,}5\text{ g/mol}\), \(V_m = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}\))
(\(M(\text{Zn}) = 65{,}4\text{ g/mol}\), \(M(\text{Cu}) = 63{,}5\text{ g/mol}\), \(V_m = 22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}\))
Реакција прве половине са разблаженом \(\text{H}_2\text{SO}_4\):
Бакар не реагује са разблаженом киселином (\(E^\circ > 0\)), реагује само цинк: \[ \text{Zn} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(разбл.)} \longrightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{H}_2\uparrow \] \[ n(\text{Zn}) = n(\text{H}_2) = \frac{V(\text{H}_2)}{V_m} = \frac{2\text{ dm}^3}{22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}} \approx 0{,}0893\text{ mol} \] \[ m_1(\text{Zn}) = 0{,}0893\text{ mol} \cdot 65{,}4\text{ g/mol} \approx 5{,}84\text{ g} \]
Бакар не реагује са разблаженом киселином (\(E^\circ > 0\)), реагује само цинк: \[ \text{Zn} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{(разбл.)} \longrightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{H}_2\uparrow \] \[ n(\text{Zn}) = n(\text{H}_2) = \frac{V(\text{H}_2)}{V_m} = \frac{2\text{ dm}^3}{22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}} \approx 0{,}0893\text{ mol} \] \[ m_1(\text{Zn}) = 0{,}0893\text{ mol} \cdot 65{,}4\text{ g/mol} \approx 5{,}84\text{ g} \]
Реакција друге половине са топлом концентрованом \(\text{H}_2\text{SO}_4\):
Реагују оба метала уз развијање сумпор(IV)-оксида (\(\text{SO}_2\)): \[ \text{Zn} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \implies V_1(\text{SO}_2) = 2\text{ dm}^3 \] \[ \text{Cu} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \] Запремина \(\text{SO}_2\) настала од реакције са бакром: \[ V_2(\text{SO}_2) = V_{\text{укупно}} - V_1(\text{SO}_2) = 17\text{ dm}^3 - 2\text{ dm}^3 = 15\text{ dm}^3 \] \[ n(\text{Cu}) = n_2(\text{SO}_2) = \frac{15\text{ dm}^3}{22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}} \approx 0{,}6696\text{ mol} \] \[ m_1(\text{Cu}) = 0{,}6696\text{ mol} \cdot 63{,}5\text{ g/mol} \approx 42{,}52\text{ g} \]
Реагују оба метала уз развијање сумпор(IV)-оксида (\(\text{SO}_2\)): \[ \text{Zn} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \implies V_1(\text{SO}_2) = 2\text{ dm}^3 \] \[ \text{Cu} + 2\text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O} \] Запремина \(\text{SO}_2\) настала од реакције са бакром: \[ V_2(\text{SO}_2) = V_{\text{укупно}} - V_1(\text{SO}_2) = 17\text{ dm}^3 - 2\text{ dm}^3 = 15\text{ dm}^3 \] \[ n(\text{Cu}) = n_2(\text{SO}_2) = \frac{15\text{ dm}^3}{22{,}4\text{ dm}^3/\text{mol}} \approx 0{,}6696\text{ mol} \] \[ m_1(\text{Cu}) = 0{,}6696\text{ mol} \cdot 63{,}5\text{ g/mol} \approx 42{,}52\text{ g} \]
Укупна маса почетне смеше:
Маса једне половине смеше је: \[ m_{1/2} = m_1(\text{Zn}) + m_1(\text{Cu}) = 5{,}84\text{ g} + 42{,}52\text{ g} = 48{,}36\text{ g} \] Укупна маса смеше је: \[ m_{\text{укупно}} = 2 \cdot m_{1/2} = 2 \cdot 48{,}36\text{ g} \approx 96{,}72\text{ g} \]
Одговор: Укупна маса смеше износила је приближно \(96{,}7\text{ g}\).
Маса једне половине смеше је: \[ m_{1/2} = m_1(\text{Zn}) + m_1(\text{Cu}) = 5{,}84\text{ g} + 42{,}52\text{ g} = 48{,}36\text{ g} \] Укупна маса смеше је: \[ m_{\text{укупно}} = 2 \cdot m_{1/2} = 2 \cdot 48{,}36\text{ g} \approx 96{,}72\text{ g} \]
