Серен диоксид - физични свойства, получаване и приложение

Серният диоксид има молекулярна структура, подобна на озона. Серният атом в центъра на молекулата е свързан с два кислородни атома. Този газообразен продукт от окисляването на сярата е безцветен, излъчва остра миризма, лесно кондензира в бистра течност при променящи се условия. Веществото е силно разтворимо във вода, има антисептични свойства. SO_{2 се получава в големи количества в химическата промишленост, а именно в цикъла на производство на сярна киселина. Газът се използва широко за обработка на селскостопански и хранителни продукти, избелване на тъкани в текстилната промишленост.}

Систематични и тривиални имена на вещества

Необходимо е да се разбере разнообразието от термини, свързани с едно и също съединение. Официалното наименование на съединението, чийто химичен състав се отразява от формулата SO_{2, е серен диоксид. IUPAC препоръчва използването на този термин и английския му еквивалент Sulphur dioxide. В учебниците за училища и университети често се споменава друго име - серен оксид (IV). Римската цифра в скоби обозначава валентността на атома S. Кислородът в този оксид е двувалентен, а степента на окисление на сярата е +4. В техническата литература се използват остарели термини като серен диоксид, серен анхидрид (продукт от неговата дехидратация).}

Състав и характеристики на молекулярната структура на SO₂

Молекулата SO_{2 се образува от един серен атом и два кислородни атома. Между ковалентните връзки има ъгъл от 120°. Sp2-хибридизацията възниква в атома на сярата - облаци от един s и два p-електрона са подредени по форма и енергия. Те участват в образуването на ковалентна връзка между сярата и кислорода. В двойката O-S разстоянието между атомите е 0,143 nm. Кислородът е по-електроотрицателен от сярата, което означава, че свързващите двойки електрони се движат от центъра към външните ъгли. Цялата молекула също е поляризирана, отрицателен полюс - O атоми, положителен - S атом.}

Някои физични параметри на серен диоксид

Тетравалентният серен оксид, при нормални условия на околната среда, запазва газообразно агрегатно състояние. Формулата за серен диоксид ви позволява да определите неговата относителна молекулна и моларна маса: Mr(SO_{2)=64,066, M=64,066 g/mol (може да се закръгли до 64 g/mol). Този газ е почти 2,3 пъти по-тежък от въздуха (M(въздух)=29 g/mol). Диоксидът има остра специфична миризма на горяща сяра, която е трудно да се обърка с друга. Неприятно е, дразни лигавицата на очите, предизвиква кашлица. Но серният (IV) оксид не е толкова отровен, колкото сероводорода.}

Под налягане при стайна температура газообразният серен диоксид се втечнява. При ниски температури веществото е в твърдо състояние, топи се при –72…–75,5 °C. При по-нататъшно повишаване на температурата се появява течност, а при –10,1 °C отново се образува газ. SO_{2 молекулите са термично стабилни, разлагането на атомарна сяра и молекулярен кислород става при много високи температури (около 2800 ºС).}

Разтворимост и взаимодействие с вода

Серният диоксид, когато се разтвори във вода, частично взаимодейства с нея, за да образува много слаба сярна киселина. При получаването веднага се разлага на анхидрид и вода: SO₂ + H₂O ↔ H_2SO3 _{Всъщност в разтвора не присъства сярна киселина, а хидратирани молекули SO}2 _{Газообразният диоксид взаимодейства по-добре с хладна вода, разтворимостта му намалява с повишаване на температурата. При нормални условия той може да разтвори в 1 обем вода до 40 обема газ.}

Сулфиден газ в природата

Значителни количества серен диоксид се отделят с вулканични газове и лава по време на изригвания. Много човешки дейности също повишават концентрацията на SO_{2 в атмосферата.}

Серният диоксид се доставя във въздуха от металургични заводи, където отработените газове не се улавят по време на печенето на рудата. Много видове изкопаеми горива съдържат сяра, в резултат на което значителни количества серен диоксид се отделят в атмосферния въздух при изгарянето на въглища, нефт, газ и горивото, получено от тях. Серният диоксид става токсичен за хората при концентрации във въздуха над 0,03%. Човек започва задух, може да има явления, наподобяващи бронхит и пневмония. Много висока концентрация на серен диоксид в атмосферата може да доведе до тежко отравяне или смърт.

Сулфиден газ - лабораторно и промишлено производство

Лабораторни методи:

1. Когато сярата се изгаря в колба с кислород или въздух, се получава диоксид по формулата: S + O₂=SO_2.
2. Възможно е да действате върху солите на сярната киселина с по-силни неорганични киселини, по-добре е да вземете солна киселина, но можете да използвате разредена сярна киселина:

• Na₂SO₃ + 2HCl=2NaCl + H₂SO 3_;
• Na₂SO₃ + H₂SO₄(разглобен)=Na₂SO₄ + H₂SO3_;
• H₂SO₃=H₂O + SO _2↑.

3. Когато медта реагира с концентрирана сярна киселина, не се отделя водород, а серен диоксид:

2H₂SO₄ (конц.) + Cu=CuSO₄ + 2H ₂O + SO_2↑.

Съвременни методи за промишлено производство на серен диоксид:

1. Окисляване на естествена сяра по време на изгарянето й в специални пещи: S + O₂=SO_2.
2. Печене на железен пирит (пирит).

Основни химични свойства на серен диоксид

Серният диоксид е химически активно съединение. В редокс процесите това вещество често действа като редуциращ агент. Например, когато молекулният бром взаимодейства със серен диоксид, реакционните продукти са сярна киселина и бромоводород. Окислителните свойства на SO₂ се проявяват, когато този газ преминава през сероводородна вода. В резултат на това се отделя сяра, настъпва самоокисление-самовъзстановяване: SO₂ + 2H₂S=3S + 2H 2 _O.

Серният диоксид проявява киселинни свойства. Съответства на една от най-слабите и нестабилни киселини - сярната. Това съединение не съществува в чиста форма, възможно е да се открият киселинните свойства на разтвор на серен диоксид с помощта на индикатори (лакмусът става розов). Сярната киселина дава средни соли - сулфити и киселинни - хидросулфити. Сред тях има стабилни съединения.

Процесът на окисление на сярата в диоксида до шествалентно състояние в серен анхидрид е каталитичен. Полученото вещество се разтваря енергично във вода, реагира с H_{2O молекули. Реакцията е екзотермична, като се получава сярна киселина или по-скоро нейната хидратирана форма.}

Практическа употреба на кисел газ

Основният процес за промишлено производство на сярна киселина, който изисква елементен диоксид, има четири етапа:

1. Получаване на серен диоксид чрез изгаряне на сяра в специални пещи.
2. Пречистване на получения серен диоксид от всякакви примеси.
3. По-нататъшно окисление до шествалентна сяра в присъствието на катализатор.
4. Абсорбция на серен триоксид от вода.

Преди това почти целият серен диоксид, необходим за производството на сярна киселина в индустриален мащаб, се получаваше чрез изпичане на пирит като страничен продукт от производството на стомана. Новите видове обработка на металургични суровини използват по-малко изгаряне на руда. Следователно през последните години естествената сяра се превърна в основен изходен материал за производството на сярна киселина. Значителни световни запаси от тази суровина, нейната наличност позволяват организирането на мащабна преработка.

Серният диоксид се използва широко не само в химическата промишленост, но и в други сектори на икономиката. Текстилните предприятия използват това вещество и продуктите от неговото химично взаимодействие за избелване на копринени и вълнени тъкани. Това е вид избелване без хлор, което не разгражда влакната.

Серният диоксид има отлични дезинфекционни свойства, които се използват в борбата срещу гъбички и бактерии. Серният диоксид се използва за опушване на селскостопански складове, бъчви за вино и изби. SO₂ се използва в хранително-вкусовата промишленост като консервант и антибактериален агент. Добавете го към сиропи, накиснете пресни плодове в него. Сулфитизациясок от захарно цвекло обезцветява и дезинфекцира суровините. Консервираните зеленчукови пюрета и сокове също съдържат серен диоксид като антиоксидант и консервант.