Степень окисления серы (S)

Теория:

Степень окисления серы варьируется от −2 до +6, то есть -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6.

Заметим, что положительные и отрицательные значения бывают только степеней окисления (СО), а валентность может быть только положительной без знака +. 

Это обусловлено её положением в 16‑й группе (VIA) Периодической системы и электронной конфигурацией 3s² 3p⁴ (6 валентных электронов).

При этом сера обладает умеренной электроотрицательностью (2,58 по Полингу).

Определить степень окисления (СО) серы можно, опираясь на базовые правила химии и при необходимости — на структурный анализ.

Как определить степень окисления серы

Определить степень окисления (СО) серы (S) можно, используя комплексный подход, который включает анализ её фундаментальных свойств (положения в периодической системе, электроотрицательности, электронной структуры) и практический расчёт по формуле соединения.

Положение в Периодической системе

Сера расположена в 3‑м периоде и 16‑й группе (главная подгруппа, VIA). Это определяет её крайние степени окисления:

• Высшая (максимальная) СО: равна номеру группы (+6). Пример — серная кислота H₂SO₄.

• Низшая (минимальная) СО: рассчитывается как 8 − номер группы = −2. Пример — сероводород H₂S.

Примечание: правило «8 − номер группы» работает для неметаллов главных подгрупп и отражает потребность в электронах для завершения внешнего октета.

Электронная конфигурация

Валентный электронный слой серы имеет конфигурацию 3s² 3p⁴ (всего 6 валентных электронов). Это объясняет:

• СО = −2: сера принимает 2 электрона для достижения стабильной конфигурации аргона.

• СО = +6: сера отдаёт все 6 валентных электронов в соединениях с более электроотрицательными элементами.

Квантовые числа и возможность возбуждения

Наличие свободных 3d‑орбиталей (при n = 3, l = 2) позволяет электронам с 3s‑ и 3p‑орбиталей переходить на 3d‑уровень при возбуждении. Это приводит к:

• распариванию электронов;

• увеличению числа неспаренных электронов (до 4 или 6);

• возможности проявления степеней окисления +4 и +6.

Пример расчёта суммы орбитальных квантовых чисел (l) для валентных электронов серы:

• Для 3s²: l = 0 у каждого электрона → сумма = 0 + 0 = 0.

• Для 3p⁴: l = 1 у каждого электрона → сумма = 1 + 1 + 1 + 1 = 4.

• Общая сумма l = 0 + 4 = 4.

Электроотрицательность (ЭО)

Электроотрицательность серы (≈ 2,58 по Полингу) определяет знак степени окисления в соединениях:

• СО = −2: сера притягивает электроны в соединениях с менее электроотрицательными элементами (например, H в H₂S, металлы в сульфидах).

• СО = +4 / +6: сера отдаёт электроны в соединениях с более электроотрицательными элементами (прежде всего O в SO₂, SO₃, H₂SO₄).

Важно: разница в ЭО между серой и партнёром по связи определяет направление смещения электронной плотности и, следовательно, знак СО.

Расчёт степеней окисления по формулам соединений

Основной практический метод — использование правила: сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.

Пример: диоксид серы (SO₂)

1. Известная СО кислорода в оксидах: −2.

2. Обозначим СО серы как x.

3. Составим уравнение:

   $$x+2\cdot (-2)=0$$

4. Решим:

   $$x-4=0\Rightarrow x=+4$$

5. Вывод: степень окисления серы в SO₂ равна +4.

Почему сера проявляет степень окисления от -2 до +6

Сера (S) демонстрирует диапазон степеней окисления (СО) от −2 до +6 благодаря положению в Периодической системе и особенностям электронной структуры.

Электронная структура и крайние значения СО

• Положение в ПС: 16‑я группа (VIA), 3‑й период.

• Электронная конфигурация: 3s² 3p⁴ (6 валентных электронов).

Низшая СО (−2)

• Для достижения стабильной конфигурации благородного газа (аргона) сере нужно принять 2 электрона.

• Это происходит в соединениях с менее электроотрицательными элементами:

  • металлы (Na₂S — сульфид натрия);

  • водород (H₂S — сероводород).

• Итог: −2 — типичная степень окисления в сульфидах.

Высшая СО (+6)

• Сера может отдать все 6 валентных электронов при взаимодействии с более электроотрицательными элементами (прежде всего кислородом и фтором).

• Примеры:

  • H₂SO₄ (серная кислота);

  • SO₃ (оксид серы(VI)).

• Итог: +6 — высшая возможная степень окисления серы.

Роль 3d‑орбиталей (квантово‑механическое обоснование)

• В 3‑м периоде у серы появляются свободные 3d‑орбитали (n = 3, l = 2).

• В возбуждённом состоянии электроны с 3s‑ и 3p‑орбиталей могут распариваться и переходить на 3d‑орбитали.

• Это увеличивает число неспаренных электронов:

  • 4 неспаренных → СО = +4 (например, в SO₂, H₂SO₄);

  • 6 неспаренных → СО = +6 (например, в SO₃, H₂SO₄).

Вывод: наличие 3d‑орбиталей позволяет сере проявлять положительные степени окисления вплоть до +6.

Влияние электроотрицательности (ЭО)

• ЭО серы: ≈ 2,58 (по Полингу) — промежуточное значение.

• Если партнёр менее электроотрицателен (H, Na, металлы):

  • сера принимает электроны → СО = −2.

• Если партнёр более электроотрицателен (O, F):

  • сера отдаёт электроны → СО = +4 или +6.

Окислительно‑восстановительная двойственность

Сера проявляет:

• окислительные свойства (принимает электроны) при СО = −2;

• восстановительные свойства (отдаёт электроны) при СО = +4, +6.

Это делает её активным участником окислительно‑восстановительных реакций, где она может как окисляться, так и восстанавливаться.

Примеры соединений серы с разными степенями окисления

Низшая степень окисления (СО = -2)

1. Сероводород: H₂S
2. Сульфид натрия: Na₂S
3. Сульфид железа(II): FeS

Нулевая Степень Окисления (СО = 0)

1. Молекулярная сера (элементарная): S (часто S₈)

Промежуточная Степень Окисления (СО = +4)

1. Диоксид серы (Сернистый газ): SO₂
2. Сернистая кислота: H₂SO₃
3. Сульфит калия: K₂SO₃

Высшая Степень Окисления (СО = +6)

1. Триоксид серы (Серный ангидрид): SO₃
2. Серная кислота: H₂SO₄
3. Сульфат бария: BaSO₄

Пример решения, задача:

Часто задаваемые вопросы: