Халькогены. Сера - Неметаллы

Цели урока. Дать общую характеристику халькогенов. Охарактеризовать серу в свете трех форм существования этого химического элемента: в форме атомов, простых веществ, а следовательно, и аллотропию ее, а также в форме некоторых соединений серы. Химические свойства серы как простого вещества рассмотреть в свете окислительно-восстановительных реакций.

Оборудование и реактивы. Руды и минералы: красный, бурый и магнитный железняки, колчедан, цинковая обманка, свинцовый блеск, киноварь, глауберова соль, гипс, алебастр. Сера, толуол, Na, Fe (порошок), Zn (пыль), Zn (гранулы), Аl (порошок), тоненькая медная проволока, НСl, КМnO₄, КСlO₃. Пробирки, стаканчик, штатив, горелка, спички, колба с обратным холодильником, лупа, часовое стекло, ступки с пестиками, фарфоровые тигли, прибор для получения газов.

I. Общая характеристика халькогенов

Учитель просит учащихся дать известные им общие названия подгрупп химических элементов и объяснить их этимологию:

• благородные или инертные газы;

• щелочные металлы;

• щелочноземельные металлы;

• галогены.

Общее название элементов главной подгруппы VI группы — «халькогены» в переводе с греческого обозначает «рождающие руды». А ведь и в самом деле основные руды, используемые в металлургической промышленности, представляют собой соединения родоначальников подгруппы — кислорода — оксиды:

а) красный железняк (гематит) — Fe₂O₃;

б) бурый железняк (лимонит) — Fe₂O₃ · nН₂O;

в) магнитный железняк (магнетит) — Fe₃O₄; и серы — сульфиды:

а) серный колчедан (пирит) — FeS₂;

б) медный колчедан — CuFeS₃;

в) цинковая обманка — ZnS;

г) свинцовый блеск — PbS и т. д.

Атомы этих элементов содержат на внешнем уровне 6 электронов и отсюда

Учащиеся сами определяют, что кислород только по отношению ко фтору будет проявлять восстановительные свойства, получая при этом с. о. +2 или +1, во всех остальных случаях он будет проявлять окислительные свойства, получая в результате с. о. -2 (-1 в пероксидах Н₂O₂, Na₂O₂).

II. Простые вещества, образованные серой

Многообразие простых веществ, образованных халькогенами, определяется способностью этих элементов к аллотропии. Аллотропию кислорода, напоминает учитель, мы рассмотрели в теме «Общие свойства неметаллов» и просит учащихся назвать причины аллотропии для этого элемента. А вот для серы причина аллотропии заключается в разном строении кристаллов ее модификаций.

Учитель просит вспомнить из начала курса 9 класса, какие модификации серы ребята знают. Если ученики затрудняются, то он указывает, что наиболее известны три аллотропных видоизменения серы:

• сера ромбическая;

• сера моноклинная;

• сера пластическая.

Демонстрация получения пластической серы. В пробирку на ¹/₂ ее объема насыпают серы, закрепляют в лапе штатива и подогревают, при этом происходят следующие изменения серы.

При температуре около 119 °С сера плавится и превращается в золотисто-желтую легкоподвижную жидкость.

От 119 до 250 °С сера все более буреет и утрачивает подвижность.

Около 250 °С сера приобретает красно-бурую окраску и становится настолько вязкой, что не выливается из перевернутой пробирки или тигля.

От 250 до 350 °С сера постепенно разжижается. Окраска ее остается темно-бурой.

Около 350 °С сера становится вновь легко подвижной; цвет ее не изменяется, при 444,5 °С сера кипит. Пары серы оранжевого цвета.

При медленном охлаждении серы эти превращения протекают в обратном порядке.

Учитель просит учащихся отметить, как с повышением температуры изменяется цвет серы и подвижность ее расплава. Когда он, покачивая пробирку, показывает, что сера загустела (около 250 °С), а затем переворачивает ее над фарфоровой чашкой, ученики смогут убедиться в том, что сера не выливается.

При дальнейшем нагревании ребята замечают, что сера начинает постепенно разжижаться и темнеть. Когда сера начнет кипеть, учитель просит обратить внимание на прозрачные оранжевые пары ее, которые хорошо видны над кипящей серой (на белом фоне). Если сера вспыхнет, то ее гасят, прикладывая плотно к горлышку пробирки кусочек картона.

Рис. 17. Получение пластической серы

Закипевшую серу выливают тоненькой струйкой в стакан с холодной водой (рис. 17). Затем ее вынимают и растягивают — образовалась пластическая сера:

Получение моноклинной серы. В колбу наливают на ¹/₄ объема толуол, прибавляют 3—4 г измельченной черенковой серы, закрывают пробкой со стеклянной трубкой (обратным холодильником) (рис. 18) и нагревают, все время взбалтывая содержимое колбы. Когда сера растворится, нагревание прекращают. По мере охлаждения из раствора начинают выделяться игольчатые кристаллы моноклинной серы. Их лучше рассматривать с помощью лупы. С целью экономии времени на уроке образцы моноклинной серы можно приготовить заранее, поместить раствор серы в толуоле в кристаллизатор (перед самим уроком), образцы ее на часовом стекле вместе с лупой можно передать на столы учащимся для ознакомления (рис. 19).

Рис. 18. Колба с обратным холодильником

Рис. 19. Форма кристаллов серы: а — ромбической; б — моноклинной

III. Халькогеноводороды

Соединения халькогенов будут рассмотрены при дальнейшем изучении темы, поэтому учитель останавливается лишь на водородных соединениях халькогенов—халькогеноводородах: Н₂O— H₂S — H₂Se — Н₂Те, среди которых только вода — жидкость, очень слабое амфотерное соединение остальные — газы, растворы которых будут проявлять кислотные свойства. Подобно галогеноводородам, прочность молекул халькогеноводородов уменьшается, а сила кислот, наоборот, растет. Учитель просит учащихся объяснить эту закономерность.

IV. Природные соединения халькогенов

1. Кислород:

• в свободном виде — O₂ — входит в состав атмосферы — 21% по объему, верхние слои атмосферы содержат озон O₃;

• в виде воды — в состав гидросферы (Мирового океана), которая покрывает ³/₄ Земли;

• в виде соединений составляет почти половину (49% по массе) земной коры — литосферы.

2. Сера:

• самородная —

• сульфидная — (сероводород и уже названные выше руды);

• сульфатная — SO₄^2- (гипс CaSO₄ · 2Н₂O, глауберова соль Na₂SO₄ · 10Н₂O).

V. Химические свойства серы

Ученики сами прогнозируют химические свойства серы. Она взаимодействует с металлами и водородом (окислительные свойства), с кислородом и другими окислителями (восстановительные свойства).

Взаимодействие серы с металлами

Учитель демонстрирует опыты, а учащиеся самостоятельно записывают уравнения реакций и разбирают окислительно-восстановительные процессы.

1. Взаимодействие серы с натрием проводится в фарфоровой ступке по аналогии реакции натрия с йодом:

2. Взаимодействие серы с железом можно провести в двух вариантах. Учитель смешивает в фарфоровой чашечке 4 г порошка серы и 7 г порошка железа (его лучше купить в аптеке, так как оно чистое и свежевосстановленное — применяется для лечения малокровия). Смесь делят на две части, которые помещают в два фарфоровых тигля (можно для наглядности и использовать закрепленные в лапках штативов пробирки). Если прикоснуться раскаленной проволокой или тлеющей (горящей) лучинкой к смеси в первом тигле (пробирке), то начнется энергичная реакция, в результате которой получается вещество черного цвета — сульфид железа (II). Во вторую пробирку (тигель) приливают три капли воды с помощью длинной пипетки и перемешивают смесь. Идет аналогичная реакция. Здесь вода сыграла роль катализатора:

3. Взаимодействие цинковой пыли с порошком серы (в массовом соотношении 1:2) проводится аналогично: при поджигании одной половины смеси и с помощью катализатора — воды — для другой половины. Вторую модификацию опыта проводят так: помещают смесь в фарфоровую чашечку (пробирку), делают в ней углубление и вводят каплю воды. В обоих случаях происходит ослепительная вспышка и образуется белый сульфид цинка:

4. Взаимодействие порошка алюминия с порошком серы (в массовом отношении 1:1,5) проводится при подогревании — смесь вспыхивает ослепительным пламенем:

Учитель может показать также и горение пучка тоненьких медных проволочек в парах серы — при этом образуется черный сульфид меди (I) (рис. 20):

Затем следует обобщение: сера взаимодействует со всеми металлами, кроме Аи и Pt. Со ртутью она, например, взаимодействует даже при обычной температуре, что используют при обеззараживании помещений от пролитой там ртути. Процесс называется демеркуризацией (объясняется этимология этого термина).

Рис. 20. Горение меди в парах серы

Взаимодействие серы с водородом

Демонстрация взаимодействия серы с водородом проводится под тягой вследствие того, что H₂S сильно ядовит. Для получения медленного тока водорода можно использовать аппарат Кирюшкина (пробирочную малую модель аппарата Киппа). При пропускании водорода в пробирку, где кипит жидкая сера, у отверстия пробирки отчетливо ощущается запах H₂S — тухлых яиц (рис. 21):

Рис 21. Синтез сероводорода и растворение его в воде

Взаимодействие серы с кислородом

Восстановительные свойства серы учитель демонстрирует на хорошо знакомой реакции горения серы: при поджигании на воздухе она горит голубоватым пламенем, а при внесении ложечки с горящей серой в колбу с кислородом сгорает ярко-синим пламенем, образуя бесцветный газ — оксид серы (IV):

Взаимодействие серы со сложными веществами

Взаимодействие серы со сложными веществами — окислителями можно показать на эффектной реакции взаимодействия бертолетовой соли (если ее можно будет достать!) с серой. В фарфоровую чашечку втирается немного серы, а затем помещается несколько мелких кристалликов бертолетовой соли. Уже при легком растирании кристалликов раздаются взрывчики и вспыхивает пламя:

Такая реакция, в частности, подчеркивает учитель, лежит в основе «работы» спичек. В них красный фосфор и сульфид сурьмы (III) Sb₂S₃ с помощью клея наносится на боковую поверхность спичечного коробка, а головка спички готовится обычно из бертолетовой соли, серы, стеклянного порошка и клея.

Под действием теплоты трения мельчайшие частички красного фосфора превращаются в белый фосфор, который воспламеняется на воздухе и поджигает головку спички.

VI. Применение серы

Сера, подчеркивает учитель в заключение, — один из неметаллов, известных человеку с древнейших времен. Ее использовали для религиозных обрядов — поджигали при различных церемониях и ритуалах; ею чернили оружие, употребляли для изготовления косметики и лекарств, жгли для отбелки тканей и борьбы с насекомыми, использовали для изготовления черного пороха.

В наши дни сера не теряет, а все более увеличивает свое значение в жизни человека. Бумага и резина, эбонит и спички, ткани и лекарства, косметика и пластмассы, взрывчатка и краски, удобрения и ядохимикаты — это все только небольшой перечень того, для изготовления чего необходима сера.