5.1 硫及其化合物（第3课时 不同价态含硫物质的转化）（解析版）

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第五章 第一节 硫及其化合物
第3课时 不同价态含硫物质的转化
【学习目标】
认识硫及其化合物性质的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化。
认识物质及其转化在自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。
【素养目标】
通过研究硫元素价态与类别的转化，培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。
必备知识与关键能力
知识点一：自然界中硫的存在和转化
1．硫元素的存在形态
(1)在自然界中硫元素主要以化合态形式存在，如组成生命体的蛋白质中含有硫。在岩层深处和海底的无氧环境下，通常以硫化物的形式存在，如黄铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)。在地表附近，硫化物转化为硫酸盐，如石膏(CaSO4·2H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)等。
(2)游离态的硫存在于火山口附近或地壳的岩层中。
2．硫的转化
火山口附近的硫单质会被大气中的氧气氧化成二氧化硫，二氧化硫可被进一步氧化成三氧化硫。
典例1．如图有关硫元素循环的说法不合理的是( )
A．煤、石油中的硫元素燃烧时能生成SO2
B．动物尸体腐败过程产生的H2S气体会进入大气
C．循环过程中硫元素既发生氧化反应又发生还原反应
D．大气中的硫元素会全部转化成H2SO4随雨水降到土壤里
【答案】D
【解析】大气中的硫元素部分转化成H2SO4随雨水降到土壤里,D项错误。
典例2． 常温下单质硫主要以S8形式存在。加热时，S8会转化为S6、S4、S2等。当温度达到750 ℃时，硫蒸气主要以S2形式存在(占92%)。下列说法中正确的是(　　)
A．S8转化为S6、S4、S2属于物理变化
B．不论哪种硫分子，完全燃烧时都生成二氧化硫
C．S2、S4、S6、S8都是硫元素形成的单质，为同种物质
D．把硫单质在空气中加热到750 ℃即得S2
【答案】B
【解析】S2、S4、S6、S8互为同素异形体，燃烧产物均为二氧化硫
知识点二：常见硫的价态及转化
1．硫元素常见的化合价有－2、0、＋4和＋6，可以通过氧化还原反应实现不同价态含硫物质的相互转化。利用氧化剂，可将硫元素从低价态转化到高价态；利用还原剂，可将硫元素从高价态转化到低价态。
2．硫的不同价态所对应的常见化合物
(1)含有－2价硫的物质有酸：H2S，盐：Na2S、NaHS等。
(2)含有＋4价硫的物质有氧化物：SO2 ，酸：H2SO3，盐：Na2SO3、NaHSO3等。
(3)含有＋6价硫的物质有氧化物：SO3，酸：H2SO4，盐：Na2SO4、NaHSO4等。
3．不同价态硫元素之间的相互转化
不同价态硫元素之间的相互转化主要通过氧化还原反应实现。上述转化中，从左到右，硫元素化合价升高，需加入氧化剂。从右到左，硫元素化合价降低，需加入还原剂。
4．相同价态硫元素之间的转化
以上两种转化关系均属于相同价态硫元素之间的转化，从左到右的转化，加入碱可以实现；从右到左的转化，加入酸可以实现。
【思维建模】硫及其化合物之间的转化规律
(1)相同价态硫的转化是通过酸、碱反应实现的
如：
②H2SO3＋2NaOH===Na2SO3＋2H2O；
③Na2SO3＋H2SO4===Na2SO4＋H2O＋SO2↑；
④SO2＋Na2SO3＋H2O===2NaHSO3。
(2)不同价态硫的转化是通过氧化还原反应实现的
当硫元素的化合价升高或降低时，一般升高或降低到其相邻的价态，即台阶式升降，可用图表示
【点拨】①同种元素相邻价态的粒子间不发生氧化还原反应，如S和H2S、S和SO2、SO2和浓硫酸之间不发生氧化还原反应。
②当硫元素的高价态粒子与低价态粒子反应时，一般生成中间价态，如2Na2S＋Na2SO3＋3H2SO4=== 3Na2SO4＋3S↓＋3H2O。
典例3．以硫元素为基础原料，合成硫酸，请设计合成路线。
【答案】SSO2SO3H2SO4或SSO2H2SO3H2SO4。
典例4．硫黄在空气中燃烧生成气体甲，甲溶于水得溶液乙，向乙溶液中滴加溴水，溴水褪色，乙变成丙。在丙里加入Na2S生成气体丁，把丁通入乙得到沉淀戊。甲、乙、丙、丁、戊均含有硫元素，则它们正确的顺序是(　　)
A．SO3　H2SO4　H2SO3　H2S　S
B．SO2 H2SO3 H2SO4 H2S SO3
C．SO3 H2SO4 H2SO3 SO2 Na2S2O3
D．SO2 H2SO3 H2SO4 H2S S
【答案】D　
【解析】题干中描述的关系依次为S＋O2SO2、SO2＋H2O===H2SO3、H2O＋H2SO3＋Br2===2HBr＋H2SO4、Na2S＋H2SO4===Na2SO4＋H2S↑、2H2S＋SO2===3S↓＋2H2O，则甲、乙、丙、丁、戊依次为SO2、H2SO3、H2SO4、H2S、S。
核心价值与学科素养
【知识结构化】从硫元素的“价类二维图”理清硫单质及化合物化合价与氧化性、还原性之间的关系
典例5．硫元素的价类二维图如图所示。下列说法错误的是(　　)
A．a与c、d、e都有可能反应生成b
B．d溶液久置于空气中会生成e，溶液的pH减小
C．g与f之间也可能发生反应
D．铜与e的浓溶液共热产生的气体通入BaCl2溶液中，无明显现象
【答案】C　
【解析】根据化合价以及物质的类别可知a为H2S、b为S、c为SO2、d为H2SO3、e为H2SO4、f含有SO或HSO、g含有SO或HSO。a为H2S，可以和SO2、H2SO3、H2SO4发生归中反应生成硫单质，A正确；H2SO3具有较强的还原性，在空气中久置会被氧气氧化成硫酸，硫酸酸性更强，pH更小，B正确；g为硫酸盐，f为亚硫酸盐，硫元素化合价相邻，不反应，C错误；铜与浓硫酸共热产生气体SO2，SO2通入BaCl2溶液中，不能发生反应，所以无明显现象，D正确。
典例6．含硫煤燃烧会产生大气污染物,为防治该污染,某工厂设计了新的治污方法,同时可得到化工产品,该工艺流程如图所示,下列叙述不正确的是(　　)
A．该过程中可得到化工产品H2SO4
B．该工艺流程是除去煤燃烧时产生的SO2
C．该过程中化合价发生改变的元素只有Fe和S
D．图中涉及的反应之一为Fe2(SO4)3+SO2+2H2O===2FeSO4+2H2SO4
【答案】C　
【解析】 根据工艺流程图可知,该工艺中Fe2(SO4)3溶液吸收SO2生成FeSO4和H2SO4，该反应的化学方程式为Fe2(SO4)3+SO2+2H2O===2FeSO4+2H2SO4，该工艺不仅吸收了二氧化硫,还得到了化工产品硫酸，A、D两项正确:根据上述分析可知该工艺流程是除去煤燃烧时产生的SO2，B项正确;该过程中化合价发生变化的元素有氧、铁、硫，C项错误。
典例7．我国科学家研究了活性炭催化条件下煤气中的H2S和Hg的协同脱除，部分反应机理如图 (吸附在催化剂表面的物种用*标注)。有关该过程的叙述错误的是(　　)
A．产生清洁燃料H2
B．H2S 脱除率为100%
C．H2S既被氧化又被还原
D．脱Hg反应为Hg＋S===HgS
【答案】B　
【解析】H2S被吸附在催化剂活性炭表面形成H原子，H原子与H原子成键生成H2，A正确；由图可知，H2S分解产生的H2和S单质会再次生成H2S，脱除率小于100%，B错误；由图可知，H2S生成S单质的过程中，硫元素的化合价升高，被氧化，H2S生成H2的过程中，H元素化合价降低，被还原，C正确；该过程是H2S和Hg的协同脱除，故生成的S单质与Hg反应生成HgS，D正确。
【跟踪练习】 基础过关
1． 实验室常用热的NaOH溶液洗去试管壁上沾有的硫，其反应方程式为6NaOH+3S2Na2S+ Na2SO3 + 3H2O。在此反应中硫表现的性质是(　　)
A．氧化性　　　　　　　　 B．还原性
C．既无氧化性又无还原性 D．既有氧化性又有还原性
【答案】D　
【解析】依据反应的化学方程式知硫元素的价态变化是,故S既有氧化性又有还原性。
2． 下列转化需要加入还原剂才能实现的是(　　)
A．H2SSO2 B．H2SO4SO2
C．SSO2 D．SO32--SO2
【答案】B　
【解析】加入还原剂后,被还原的硫元素的化合价降低,A项,H2SSO2,化合价升高;B项,H2SO4SO2,化合价降低;C项,SSO2,化合价升高;D项, SO32-SO2,化合价不变。
3． X(盐)和Y(酸)反应,可放出有气味的气体Z，Z跟过量NaOH溶液反应又得到X，Z氧化的最终产物为气体W，气体W溶于水又得到Y，则X和Y是(　　)
①Na2S和稀H2SO4　②Na2SO3和盐酸 ③Na2S和盐酸　④Na2SO3和稀H2SO4
A．只有① B．①② C．②③ D．①④
【答案】D　
【解析】①Na2S和稀H2SO4反应生成H2S气体，H2S与过量NaOH溶液反应能生成Na2S;H2S与O2反应先生成SO2，在催化剂作用下继续被氧化，最终生成SO3，SO3溶于水生成H2SO4，符合题中转化关系。②Na2SO3和盐酸反应生成SO2气体，SO2与过量NaOH溶液反应能生成Na2SO3，SO2在催化剂作用下被O2氧化生成SO3，SO3溶于水生成H2SO4，不符合题中转化关系。③Na2S和盐酸反应生成H2S气体,H2S与过量NaOH溶液反应能生成Na2S;H2S与O2反应先生成SO2,继续被氧化,最终生成SO3,SO3溶于水生成H2SO4，不符合题中转化关系。④Na2SO3和稀H2SO4反应生成SO2气体，SO2与过量NaOH溶液反应生成Na2SO3;SO2在催化剂作用下被O2氧化生成SO3，SO3溶于水生成H2SO4，符合题中转化关系。
4． 工业上将Na2CO3和Na2S以1∶2的物质的量之比配成溶液，再通入SO2，可制取Na2S2O3，同时放出CO2,在该反应中(　　)
A．硫元素只被氧化
B．氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2
C．每生成1 mol Na2S2O3，转移4 mol电子
D．相同条件下，每吸收10 m3 SO2就会放出2.5 m3 CO2
【答案】D　
【解析】工业上将Na2CO3和Na2S以1∶2的物质的量之比配成溶液,再通入SO2,可制取Na2S2O3,同时放出CO2,其反应方程式为2Na2S+Na2CO3+4SO2===3Na2S2O3+CO2,Na2S中S元素的化合价从-2价升高到+2价,SO2中S元素的化合价从+4价降低到+2价。由反应方程式中S元素的化合价变化可知,硫元素既被氧化又被还原,Na2S为还原剂,SO2为氧化剂,则氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1,故A项、B项均错误;反应中2Na2S转化为3Na2S2O3,转移8个电子,则生成1 mol Na2S2O3,转移 mol电子,故C错误;根据方程式可知,每当4 mol SO2参与氧化还原反应就会放出1 mol CO2,则每10 m3 SO2参与反应就会放出2.5 m3 CO2,故D正确。
5．把碎纸片b补充到a中，可得到一个完整的离子方程式(未配平)。下列说法正确的是(　　)
A．反应物微粒是S、SO32-、OH-
B．该反应可能在酸性条件下进行
C．氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1
D．2 mol S参加反应时，转移的电子数为3NA
【答案】C　
【解析】碱性条件下,S与氢氧根离子反应生成S2-和SO32-,反应的离子方程式为3S+6OH-2S2-+SO32-+3H2O,反应中部分S的化合价从0价升高到+4价,部分S的化合价从0价降低到-2价,则反应物微粒是S、OH-,A错误;酸性条件下,不能有OH-参加或生成,B错误;化合价降低的硫作氧化剂,化合价升高的S作还原剂,则氧化剂与还原剂的物质的量之比为2∶1,C正确;反应中3 mol S转移4 mol电子,则2 mol S参加反应时,转移的电子为= mol,D错误。
能力达成
物质的类别和核心元素的化合价是研究物质性质的两个重要角度。请根据如图所示，回答下列问题：
(1)X的化学式为________，Y的化学式为________。
(2)W的浓溶液与铜单质在加热条件下可以发生化学反应，反应的化学方程式为________________________________________________________________________。
(3)欲制备Na2S2O3，从氧化还原角度分析，合理的是_____(填字母)。
A．Na2S＋S　　　　　　　 B．Na2SO3＋S
C．Na2SO3＋Na2SO4 D．SO2＋Na2SO4
(4)将X与SO2混合，可生成淡黄色固体，该反应的氧化产物与还原产物的质量之比为________。
【答案】(1)H2S　SO2　(2)Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O　(3)B　(4)2∶1
【解析】(2)W的浓溶液是浓硫酸，与铜单质在加热条件下发生反应：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O。(3)Na2S2O3中S元素的化合价是＋2价，从氧化还原的角度分析，反应物中S元素的化合价必须分别大于2和小于2，A中S的化合价都小于2，C、D中S的化合价都大于2，故B符合题意。(4)X为H2S，与SO2混合可生成淡黄色固体：2H2S＋SO2===3S↓＋2H2O，H2S作还原剂，二氧化硫作氧化剂，则该反应的氧化剂与还原剂的物质的量之比为1∶2。所以该反应的氧化产物与还原产物的质量之比为2∶1。
Na2SO3储存应远离火种、热源。应与酸类等分开存放，切忌混储。Na2SO3中有+4价的硫,它既有氧化性又有还原性，现有试剂：溴水、Na2S溶液、Na2SO3溶液、H2SO4、NaOH溶液、氨水。
(1)要证明Na2SO3具有还原性，应选用的试剂有________________，看到的现象是____________，反应的离子方程式： 。
(2)要证明Na2SO3具有氧化性，应选用的试剂有____________，看到的现象是________________,反应的离子方程式： 。
(3)证明H2SO3的酸性小于H2SO4,选用的试剂有____________，反应的现象是______________，反应的离子方程式： 。
【答案】(1)Na2SO3溶液、溴水　溴水褪色 SO32-+Br2+H2OSO42-+2Br-+2H+
(2)Na2SO3溶液、Na2S溶液、H2SO4　有黄色浑浊出现SO32-+2S2-+6H+3S↓+3H2O
(3)Na2SO3溶液、H2SO4　有刺激性气味的气体产生 SO32-+2H+SO2↑+H2O
【解析】(1)要证明Na2SO3具有还原性，应选用氧化性物质溴水。向Na2SO3溶液中滴加溴水，溴水褪色，说明Na2SO3具有还原性。(2)要证明Na2SO3具有氧化性，应选用还原性物质Na2S溶液和H2SO4。先加入少量H2SO4，使反应在酸性环境中进行，为反应提供H+，再向Na2SO3溶液中滴加Na2S溶液，若溶液中出现黄色浑浊，说明有单质硫生成，也说明Na2SO3具有氧化性。(3)要证明H2SO3的酸性小于H2SO4，应选用的试剂为Na2SO3溶液和H2SO4，向Na2SO3溶液中滴加硫酸，若有刺激性气味的气体产生，说明H2SO3的酸性小于H2SO4。
含硫化合物的种类很多，现有SO2、Na2SO3、H2SO4、CuSO4 这4种常见的含硫化合物。回答下列问题：
(1)为进一步减少SO2的污染并变废为宝，我国正在探索在一定条件下用CO还原SO2的方法来除去SO2。写出该反应的化学方程式：_______________________________。
(2)亚硫酸钠和碘酸钾在酸性溶液中发生以下反应：
　 Na2SO3＋ 　KIO3＋ 　H2SO4 === 　Na2SO4＋ 　K2SO4＋ 　 I2＋ 　H2O。
①配平上面的氧化还原反应方程式。
②若反应中有5 mol电子转移，则生成的碘单质是________mol。
(3)向FeCl3和BaCl2的酸性混合溶液中通入SO2气体，有白色沉淀生成，此沉淀是________(填字母)。
A．BaSO4 B．FeS C．BaSO3 D．S
(4)常温下，将铁棒置于浓硫酸中，课本上解释发生了钝化，但有人认为未发生反应。为验证此过程，某同学经过思考，设计了如下实验：将经浓硫酸处理过的铁棒洗净后置于CuSO4溶液中，若铁棒表面____________，则发生了钝化。
【答案】(1)2CO＋SO2S↓＋2CO2 (2)①5　2　1　5　1　1　1　②0.5
(3)A (4)无明显现象
【解析】(1)CO还原SO2，C元素被氧化，化合价由＋2价→＋4价，升高了2价，S元素被还原，化合价由＋4价→0价，降低了4价，最小公倍数为4，再依据原子守恒得：2CO＋SO2S↓＋2CO2。(2)①Na2SO3中S元素化合价由＋4价→＋6价，升高了2价，KIO3中I元素化合价由＋5价→0价，降低了5价，最小公倍数为10，然后依据原子守恒得：5Na2SO3＋2KIO3＋H2SO4===5Na2SO4＋K2SO4＋I2＋H2O；②依据①生成1 mol I2，共转移电子10 mol，因此转移5 mol 电子，生成0.5 mol I2。(3)Fe3＋具有氧化性，SO2具有还原性，两者发生氧化还原反应生成Fe2＋、SO，Ba2＋＋SO===BaSO4↓，因此沉淀是硫酸钡，故选项A正确。(4)钝化：利用浓硫酸的强氧化性，在铁表面产生一层致密的氧化物薄膜阻碍反应的进行。氧化膜是铁的氧化物，不与硫酸铜反应，因此若铁棒表面无明显现象，则发生了钝化，如果没有发生钝化，会发生反应Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋，有红色物质附着在铁棒表面。
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