16(VI) топ элементтері және оның қосылыстары. Күкірт қышқылын жанасу әдісімен алу

Оқулықтық тірек

• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 2-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 15–29 б.
• Усманова М. Б., Сақариянова Қ. Н., Сахариева Б. Н. «Химия. 8-сынып», 8-сынып, Атамұра, 2018, 94 б.
• LibreTexts Chemistry, The Elements of Group 16: https://chem.libretexts.org/Courses/Howard_University/General_Chemistry:_An_Atoms_First_Approach/Unit_8:__Materials/Chapter_22:_The_p-Block_Elements/Chapter_22.4:_The_Elements_of_Group_16_(The_Chalcogens)
• Wikipedia, Халькогены: https://ru.wikipedia.org/wiki/Халькогены

Негізгі ұғымдар

• 16 (VIA) топ — халькогендер: $O$, $S$, $Se$, $Te$, $Po$; сыртқы қабат $ns^2np^4$ (6 электрон), аяқталуына 2 электрон жетіспейді.
• Топ бойынша төмен: радиус артады, бейметалдық қасиет пен электртерістілік кемиді, сутекті қосылыстардың тұрақтылығы мен оттекті қышқылдардың күші төмендейді.
• Оттек: әдетте $-2$, пероксидтерде ($H_2O_2$) $-1$, $OF_2$-де $+2$. Күкірт: $-2$ ($H_2S$), $+4$ ($SO_2$), $+6$ ($SO_3$, $H_2SO_4$) — бос $3d$-орбитальдар электрондардың жұптан ажырауына мүмкіндік береді.
• Оттектің аллотропиясы: $O_2$ және озон $O_3$.
• $H_2SO_4$ өндірісі — жанасу әдісі, катализатор $V_2O_5$.

Теория

Оттек пен озон. Озон найзағай кезінде түзіледі: $3O_2 \rightarrow 2O_3$.

	$O_2$	$O_3$
$M_r$	32	48 (оттектен 1,5 есе ауыр)
Қасиеті	түссіз, иіссіз, суда нашар ериді	ашық көгілдір, өзіне тән иісі бар, суда жақсырақ ериді
Белсенділігі	—	белсендірек: $6Ag + O_3 \rightarrow 3Ag_2O$; бактерицидті, ағартқыш; $10^{-5}$ %-дан жоғары — улы

Күкірт. Табиғатта бос күйде және минералдарда: сульфидтер ($FeS_2$ — пирит, $ZnS$, $HgS$ — киноварь, $PbS$), сульфаттар ($CaSO_4\cdot 2H_2O$ — гипс). Кристалдық күкірт — сары, $S_8$ циклді молекулалары; балқыған күкіртті суық суға құйса — резеңке тәрізді пластикалық күкірт (ұзын тізбектер). Суда ерімейді, сумен шыланбайды — флотация осыған негізделген.

• Тотықтырғыш (металдармен, сутекпен): $Cu + S \rightarrow CuS$; $Hg + S \rightarrow HgS$ (төгілген сынапты күкіртпен жабу — демеркуризация); $H_2 + S \rightarrow H_2S$.
• Тотықсыздандырғыш (оттекпен): $S + O_2 \rightarrow SO_2$ (жанғанда $SO_3$ емес, $SO_2$ түзіледі).

Күкіртсутек $H_2S$ — түссіз, шіріген жұмыртқа иісті, өте улы газ; $S^{-2}$ болғандықтан күшті тотықсыздандырғыш: $2H_2S + 3O_2 \rightarrow 2SO_2 + 2H_2O;\quad 2H_2S + O_2 \rightarrow 2S\downarrow + 2H_2O\ (O_2\ \text{жетіспесе})$ $H_2S + Cl_2 \rightarrow S\downarrow + 2HCl$. Судағы ерітіндісі — әлсіз екі негізді қышқыл; сульфидтер ($Na_2S$) мен гидросульфидтер ($NaHS$) түзеді.

Күкірт оксидтері.

• $SO_2$ — өткір иісті түссіз газ, қышқылдық оксид: $SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$ (әлсіз, тұрақсыз қышқыл; тұздары — сульфиттер). $+4$ — аралық дәреже, сондықтан тотықсыздандырғыш та ($2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$), тотықтырғыш та ($SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S\downarrow + 2H_2O$). Отын жанғанда атмосфераға түсіп, қышқыл жаңбыр тудырады.
• $SO_3$ — түссіз сұйықтық, өте гигроскопиялық; $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$ (көп жылу бөлінеді). $+6$ — жоғары дәреже, сондықтан тек тотықтырғыш.

Күкірт қышқылы. Түссіз, майлы, ұшпайтын сұйықтық; сумен кез келген қатынаста араласып, көп жылу бөледі — қышқылды суға жіңішке ағынмен құяды, керісінше емес. $\omega > 70\%$ — концентрлі.

• Сұйытылған — қышқылдардың жалпы қасиеттері: $Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$; $MgO$, $KOH$, $Na_2CO_3$-пен әрекеттеседі.
• Концентрлі — $S^{+6}$ есебінен күшті тотықтырғыш, сутектен кейінгі металдармен де әрекеттеседі ($Au$, $Pt$-дан басқа): $Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. $Fe$ мен $Al$ пассивтеледі — болат цистерналарда тасымалданады.
• Тұздары: орта ($Na_2SO_4$) және қышқыл ($NaHSO_4$, сілті жетіспесе). Сульфат-ионға сапалық реакция: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$ (ақ тұнба).

Жанасу (контактілі) әдісі — үш саты:

1. $SO_2$ алу: $S + O_2 \rightarrow SO_2$ немесе пиритті күйдіру $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$.
2. $SO_2$-ні тотықтыру: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q$, катализатор $V_2O_5$, 420–450 °C.
3. $SO_3$-ті суға емес (тұман түзеді), концентрлі $H_2SO_4$-ке сіңіреді: $nSO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2SO_4\cdot nSO_3$ (олеум); олеумді сұйылтып қышқыл алады.

Ғылыми принциптер: реакция экзотермиялық және көлемі азаяды → қысымды арттыру, оттекті артық беру, температураны катализатор жұмыс істейтін деңгейде ұстау; катализатор тепе-теңдікті ығыстырмайды, тек жылдамдатады; әрекеттеспеген $SO_2$-ні қайта жіберу (рециркуляция). Шығым 95 %-дан жоғары.

Селен, теллур, полоний

Тотығу дәрежелері: Se мен Te үшін $-2, +4, +6$; полонийде $+2, +4$ сипатты. Полоний — топтағы жалғыз металл, күшті радиоактивті, қосылыстары улы.

Мысалдар

1. 12,8 г мыс артық концентрлі $H_2SO_4$-пен. $n(Cu) = 0{,}2$ моль → $0{,}2$ моль $SO_2$ = 4,48 л (қ.ж.).
2. 16 г күкірттен $H_2S$, шығым 85 %. $n(S) = 0{,}5$ моль → теориялық 11,2 л; практикалық $11{,}2\cdot 0{,}85 = 9{,}52$ л.
3. 32 г күкірттен қанша $H_2SO_4$? $S \rightarrow SO_2 \rightarrow SO_3 \rightarrow H_2SO_4$: 1 моль → 98 г (теориялық).

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Суды қышқылға құю — қышқыл шашырайды; дұрысы: қышқылды суға.
• Концентрлі $H_2SO_4$ металмен сутек бөледі деп ойлау: мыспен $SO_2$ бөлінеді.
• $SO_3$-ті тотықсыздандырғыш деп санау: күкірт онда жоғары $+6$ дәрежеде.
• Жанасу әдісінде $SO_3$-ті тікелей суға сіңіреді деп жазу; олеумді таза $H_2SO_4$ деп есептеу.
• Күкірт жанғанда $SO_3$ түзіледі деп жазу; озон мен оттекті әртүрлі элемент деп санау.

Өзіңді тексер

1. Халькогендердің сыртқы қабатында неше электрон? — 6 ($ns^2np^4$).
2. $SO_2$ неге әрі тотықтырғыш, әрі тотықсыздандырғыш? — $+4$ — аралық тотығу дәрежесі.
3. Жанасу әдісінің екінші сатысындағы катализатор? — $V_2O_5$.
4. Сульфат-ионның сапалық реактиві? — $Ba^{2+}$ ($BaCl_2$), ақ тұнба $BaSO_4$.
5. Олеум дегеніміз не? — $SO_3$-тің концентрлі $H_2SO_4$-тегі ерітіндісі, $H_2SO_4\cdot nSO_3$.