Валентность серы: определение разными способами

Автор Сидор Черненко December 15, 2023

Сера - один из важнейших элементов, входящих в состав живых организмов. От того, какую валентность проявляет сера в соединениях, зависят их свойства и применение в промышленности, медицине, сельском хозяйстве.

Природа и свойства серы

Сера - химический элемент, распространенный в земной коре. Она встречается в свободном виде в районах вулканической активности. Также сера присутствует в составе минералов, таких как пирит, галенит, сфалерит. Соединения серы широко используются человеком. Например, серная кислота является одним из важнейших промышленных реагентов. Сульфаты и сульфиды находят применение в производстве удобрений, красителей, лекарств.

Сера - типичный неметалл желтого цвета. При комнатной температуре она представляет собой твердое хрупкое вещество. Сера плавится при температуре 112,8°С. У серы проявляется аллотропия - существование нескольких модификаций одного химического элемента. Различают ромбическую и моноклинную серу. У них немного отличаются физические свойства.

Строение атома серы

Для того чтобы разобраться с валентностью серы, нужно рассмотреть строение ее атома. Как и у всех химических элементов, в центре атома серы находится ядро. Оно состоит из 16 протонов, имеющих положительный заряд, и 16 нейтронов без заряда. Вокруг ядра движутся электроны, имеющие отрицательный заряд.

Электроны в атоме располагаются на различных энергетических уровнях:

Первый энергетический уровень - 2 электрона
Второй энергетический уровень - 8 электронов
Третий энергетический уровень - 6 электронов

Третий энергетический уровень делится на s-, p- и d-подуровни. Электронная формула атома серы выглядит так:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴

Неспаренные электроны на внешнем 3p-подуровне и являются валентными. Их стремление образовать электронную пару за счет других атомов и определяет валентные свойства серы.

Понятие валентности в химии

Термин "валентность" был введен в химию в середине XIX века. Под валентностью понимают число ковалентных связей, которое может образовать атом с атомами других элементов.

Типичные ковалентные связи образуются в результате взаимодействия валентных электронов с образованием общих электронных пар. Число этих пар и определяет валентность. Например, у атомов галогенов на внешнем слое по 7 электронов, поэтому для заполнения октета им нужен 1 электрон. Следовательно, галогены проявляют валентность I.

У атома серы на внешнем слое 6 электронов вместо 8, поэтому он может образовывать разное число ковалентных связей, что и объясняет возможность проявления различных валентностей.

Сера в соединениях проявляет валентность от II до VI

Возможные валентности серы

Исходя из строения электронной оболочки, у серы есть возможность проявлять различную валентность от II до VI. Рассмотрим, какие валентности характерны для этого элемента.

Валентность II

При валентности II сера образует две ковалентные связи с использованием двух неспаренных 3p-электронов. Это позволяет достичь электронного октета на внешнем слое. Типичные соединения серы с валентностью II - сульфиды.

Например, сульфид железа FeS, сульфид свинца PbS, сульфид цинка ZnS. Также сера проявляет валентность II в составе сероводорода H2S, где она присоединяет к себе два атома водорода.

Валентность IV

Повышение валентности до IV происходит при переходе одного 3p-электрона на вакантную 3d-орбиталь. Это нестабильное состояние, которое для стабилизации требует образования четырех ковалентный связей за счет четырех внешних электронов.

Характерный пример - оксид серы (IV) или сернистый ангидрид SO2. Здесь сера образует две двухэлектронные связи с атомами кислорода. При растворении SO2 в воде образуется сернистая кислота H2SO3.

Валентность VI

Переход еще одного электрона 3p-подуровня на 3d-орбиталь приводит к максимальной валентности серы - VI. В этом состоянии атом серы может образовать шесть ковалентных связей за счет использования всех шести внешних электронов.

В соединениях с валентностью VI сера чаще всего взаимодействует с атомами кислорода. Пример - оксид серы (VI) SO3. При растворении в воде образуется серная кислота H2SO4. Также сера проявляет валентность VI в сульфатах, таких как CaSO4, Na2SO4, FeSO4.

Методы определения валентности серы

Существует несколько подходов к определению валентности химических элементов, в том числе и серы:

По положению элемента в Периодической системе
По формуле химического соединения
По взаимодействию элемента с водородом или кислородом

Для серы наиболее надежный способ - анализ электронного строения ее атома. Это позволяет теоретически предсказать все валентные возможности этого элемента.

Определение валентности по положению в Периодической системе

Положение химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева определяет строение его атома и валентные свойства. Для серы это означает следующее:

Сера находится в ВИА группе
Элементы этой группы имеют 6 валентных электронов на внешнем слое
Значит, высшая типичная валентность серы равна VI

Однако у серы возможны и другие валентности, поскольку есть дополнительные 3d-орбитали для валентных электронов. Это объясняет проявление валентностей IV и II.

Определение валентности по формуле соединения

Формула химического соединения также дает информацию о валентности элементов. Рассмотрим формулу CaSO4:

Валентность Ca как элемента ИИА группы равна +2
Валентность O равна -2
Чтобы сумма валентностей была 0, валентность серы должна быть +6

Аналогично для сернистой кислоты H2SO3 валентность серы оказывается равной +4. Такой подход позволяет определить валентность серы в конкретных соединениях.

Зависимость свойств соединений серы от ее валентности

Химические свойства соединений серы во многом определяются тем, какую валентность проявляет сера. Например, серная кислота H2SO4 с валентностью серы VI - сильный окислитель. А сернистая кислота H2SO3 с валентностью серы IV, наоборот, проявляет восстановительные свойства.

Применение серы и ее соединений

Благодаря разнообразию валентных состояний, соединения серы находят широкое применение в промышленности, сельском хозяйстве, медицине:

Серная кислота используется для получения минеральных удобрений, в химическом синтезе органических веществ, при обработке металлов
Сульфаты применяются в целлюлозно-бумажной промышленности, при производстве строительных материалов, в медицине
Сероводород H2S с валентностью серы II используют для вулканизации каучука
Соединения серы применяются в пиротехнике для изготовления фейерверков

Экологические аспекты соединений серы

Наряду с пользой, соединения серы могут представлять экологическую опасность. Например, выбросы оксида серы (IV) промышленными предприятиями приводят к образованию кислотных дождей. Чтобы снизить вредное воздействие, используют технологии по переработке газообразных отходов в серную кислоту.

Перспективы практического использования соединений серы

Существуют перспективы дальнейшего изучения химических свойств серы при различных валентностях и поиска новых областей применения ее соединений. Особый интерес представляют редкие и нестабильные состояния серы. Их исследование позволит расширить ассортимент полезных веществ на основе этого элемента.

Добавить комментарий