Химия · Химия элементов · 8 класс

Группа кислорода и сера

Как в Мубареке из природного газа получают жёлтую серу и чем опасен H₂S?

Ситуация

Часть природного газа, поступающего на Мубарекский газоперерабатывающий завод в Кашкадарье, «кислая» — в нём есть ядовитый сероводород с запахом тухлых яиц. Завод очищает этот газ и получает из него сотни тысяч тонн жёлтой серы в год. Сера — «родственница» кислорода, элемент подгруппы VIA. При нагревании она ведёт себя странно: сначала плавится, потом темнеет и становится густой, как мёд. Почему так? Чем опасен сероводород и как из него получить серу?

Тема

Подгруппа кислорода и сера. Мубарекский газоперерабатывающий завод: выделение сероводорода из кислого природного газа и получение жёлтой серы

Ключевые понятия

Аллотропия
Сероводород
Процесс Клауса

Формулы

2 H_{2} S + SO_{2} \overset{}{\to} 3 S + 2 H_{2} O

Реакция Клауса: треть сероводорода сжигают, и образовавшийся SO₂ реагирует с оставшимся H₂S, давая серу.

2 H_{2} S + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 SO_{2} + 2 H_{2} O

H₂S горит при избытке кислорода; при недостатке кислорода: $2 H_{2} S + O_{2} \overset{}{\to} 2 S + 2 H_{2} O$ .

FeS + 2 HCl \overset{}{\to} FeCl_{2} + H_{2} S ↑

Получение сероводорода в лаборатории (в вытяжном шкафу!).

4 Ag + 2 H_{2} S + O_{2} \overset{}{\to} 2 Ag_{2} S + 2 H_{2} O

Потемнение серебра — следы H₂S в воздухе образуют сульфид серебра.

ω (S) = \frac{n A_{r} (S)}{M_{r}}

Массовая доля серы в соединении: для FeS₂ $n$ = 2.

Теория

Подгруппа кислорода (§ 29)

Подгруппа VIA: кислород, сера, селен, теллур и радиоактивный полоний. На внешнем слое 6 электронов ( $n s^{2} n p^{4}$ ): до октета не хватает двух, поэтому в соединениях с водородом и металлами степень окисления −2. Сера, селен и теллур в кислородных соединениях бывают и +4, и +6 (SO₂, SO₃), а кислород положителен только с фтором (+2 в OF₂). В группе сверху вниз атомный радиус растёт (O 66 → Te 138 пм), электроотрицательность падает (3,44 → 2,10), неметаллические свойства ослабевают: кислород и сера — типичные неметаллы, селен и теллур — полупроводники, полоний — металл. В ряду водородных соединений $H_{2} O$ , $H_{2} S$ , $H_{2} Se$ , $H_{2} Te$ устойчивость падает, а кислотность растёт.

Сера: аллотропия и природные соединения (лабораторная работа 7)

Молекула серы — восьмичленный цикл в форме короны S₈. Ромбическая сера (ρ = 2,07 г/см³) устойчива до 95,3 °C; при медленном охлаждении расплава при ≈ 119 °C образуются игольчатые кристаллы моноклинной серы (ρ = 1,96), которые при комнатной температуре за несколько дней снова превращаются в ромбическую. При нагревании сера при ≈ 113–119 °C превращается в светло-жёлтую подвижную жидкость; выше ≈ 159 °C кольца разрываются и образуются длинные цепи — жидкость темнеет и становится очень густой (при ≈ 187 °C вязкость ≈ 93 Па·с — в 10 000 раз больше, чем при 150 °C). Если такую жидкость вылить в холодную воду, получится тянущаяся, как резина, пластическая сера. Температура кипения 444,6 °C. В природе: самородная сера, сульфиды — пирит FeS₂, халькопирит CuFeS₂, сфалерит ZnS, галенит PbS, киноварь HgS; сульфаты — гипс CaSO₄·2H₂O. Применение: серная кислота, вулканизация каучука, спички, средства защиты растений.

Сероводород (§ 30)

Сероводород H₂S — бесцветный, очень ядовитый газ с запахом тухлых яиц, немного тяжелее воздуха. В природе он есть в вулканических газах, некоторых минеральных источниках, «кислом» природном газе, образуется и при гниении белков. В лаборатории: $FeS + 2 HCl \overset{}{\to} FeCl_{2} + H_{2} S$ . Горит: при избытке кислорода — $2 H_{2} S + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 SO_{2} + 2 H_{2} O$ , при недостатке выделяется сера: $2 H_{2} S + O_{2} \overset{}{\to} 2 S + 2 H_{2} O$ (жёлтое пятно на холодном фарфоровом сосуде). H₂S — сильный восстановитель; его водный раствор — слабая сероводородная кислота, её соли — сульфиды. Качественная реакция: с солями свинца образуется чёрный PbS (бумага с ацетатом свинца чернеет); серебряные предметы темнеют от следов H₂S в воздухе ( $Ag_{2} S$ ). Опасность: запах ощущается уже при 0,0005 ppm, но при 100–150 ppm обонятельный нерв парализуется — человек перестаёт чувствовать опасность; из тех, кто 5 минут дышал воздухом с ≈ 800 ppm, погибает половина.

Оксиды серы (§ 31)

Сера горит на воздухе синеватым пламенем, образуя оксид серы(IV): $S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}$ . SO₂ — бесцветный ядовитый газ с резким запахом, кислотный оксид: $SO_{2} + H_{2} O \overset{}{⇌} H_{2} SO_{3}$ (сернистая кислота слабая и неустойчивая, её соли — сульфиты). SO₂ обесцвечивает многие красители (отбеливание шерсти, шёлка, соломы) и убивает микробов — консервант E220: сушёный абрикос (курага) часто обрабатывают SO₂, чтобы он сохранил оранжевый цвет. SO₂ в промышленных выбросах вызывает кислотные дожди, поэтому его улавливают и превращают в кислоту или серу. В присутствии катализатора SO₂ окисляется до оксида серы(VI): $2 SO_{2} + O_{2} \overset{}{⇌} 2 SO_{3}$ ; SO₃ (температура кипения 45 °C) бурно соединяется с водой, давая серную кислоту, — подробно в эксперименте «Серная кислота и контактный способ».

Мубарек: сера из кислого газа (способ Клауса)

Кислый природный газ сначала промывают растворами аминов: H₂S и CO₂ переходят в раствор, очищенный газ идёт в трубопровод. При нагревании раствора выделяется «кислый газ», который направляют на установку Клауса: в печи сжигают треть H₂S ( $2 H_{2} S + 3 O_{2} \overset{}{\to} 2 SO_{2} + 2 H_{2} O$ ), затем в печи и над катализатором (Al₂O₃) при 200–350 °C идёт $2 H_{2} S + SO_{2} \overset{}{\to} 3 S + 2 H_{2} O$ . После каждой стадии пары серы охлаждают, и жидкая сера стекает в яму, а затем её гранулируют или разливают кусками. Количество воздуха должно быть точным: если H₂S : SO₂ ≠ 2 : 1, избыток газа уходит в отходы. С двумя-тремя каталитическими реакторами выделяется ≈ 95–98 % серы. Мубарекский завод (Кашкадарья) выпускает сотни тысяч тонн серы в год (по данным 2021 года в среднем ≈ 340 тыс. т). Главный потребитель серы в мире — производство серной кислоты. Задачи практической работы 2: массовая доля в соединении, объём газа и масса по уравнению реакции.

Безопасность и модель

Безопасность: с H₂S и SO₂ работайте только в вытяжном шкафу, не нюхайте газ напрямую; жидкая сера прилипает к коже и вызывает глубокие ожоги — не направляйте пробирку на себя и других, нагревайте медленно (пары могут загореться); защитные очки. Полоний радиоактивен — в школе не используется. Модель: скорость нагрева схематична (3 °C/с), вязкость — по измеренным значениям, выше 200 °C приблизительная; H₂S в комнате — двухзонная модель (у стола 2 м³, комната 180 м³, шкаф отсасывает 99,9 % газа); эффективность стадий Клауса постоянна (0,65; 0,70; 0,60; 0,50), COS и CS₂ не учитываются; макет завода без масштаба.

Знаете ли вы?

Мубарекский газоперерабатывающий завод производит из кислого газа в среднем ≈ 340 тысяч тонн серы в год (данные 2021 года); серу отправляют кусками и в гранулах.
Пирит блестит, как золото, поэтому его называют «золотом дураков». Но он твёрдый и хрупкий, на фарфоровой пластинке оставляет чёрно-зелёный след, а золото мягкое и оставляет золотистый след.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс
Фосфор и минеральные удобрения — 8 класс
Углерод и его соединения — 9 класс
Кремний и силикаты — 9 класс