Диоксид (двуокись) серы SO2 образуется при сжигании серы в воздухе или кислороде. Он получается также при прокаливании на воздухе («обжигании») сульфидов металлов, например железного колчедана:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2
По этой реакции диоксид серы получают обычно в промышленности (о других промышленных способах получения SO2 см. в § 131).
Диоксид серы — бесцветный газ («сернистый газ») с резким запахом горячей или горящей (по мнению редакции сайта) серы. Он довольно легко конденсируется в бесцветную жидкость, кипящую при −10,0 °C. При испарении жидкого SO2 происходит сильное понижение температуры (до −50 °C).
Диоксид серы хорошо растворяется в воде (около 40 объемов в 1 объеме воды при 20 °C); при этом частично происходит реакция с водой и образуется сернистая кислота:
SO2 + H2O ⇄ H2SO3
Таким образом, диоксид серы является ангидридом сернистой кислоты. При нагревании растворимость SO2 уменьшается и равновесие смещается влево; постепенно весь диоксид серы снова выделяется из раствора.
Молекула SO2 построена аналогично молекуле озона. Ядра составляющих ее атомов образуют равнобедренный треугольник:
Здесь атом серы, как и центральный атом кислорода в молекуле озона, находится в состоянии sp2-гибридизации и угол OSO близок к 120°. Ориентированная перпендикулярно к плоскости молекулы pz-орбиталь атома серы не участвует в гибридизации. За счет этой орбитали и аналогично ориентированных pz-орбиталей атомов кислорода образуется трехцентровая π-связь; осуществляющая ее пара электронов принадлежит всем трем атомам молекулы.
Диоксид серы применяют для получения серной кислоты, а также (в значительно меньших количествах) для беления соломы, шерсти, шелка и как дезинфицирующее средство (для уничтожения плесневых грибков в подвалах, погребах, винных бочках, бродильных чанах).
Сернистая кислота H2SO3 — очень непрочное соединение. Она известна только в водных растворах. При попытках выделить сернистую кислоту она распадается на SO2 и воду. Например, при действии концентрированной серной кислоты на сульфит натрия вместо сернистой кислоты выделяется диоксид серы:
NaSO3 или Na2SO3 (по мнению редакции сайта) + H2SO4 = Na2SO4 + SO2↑ + H2O
Раствор сернистой кислоты необходимо предохранять от доступа воздуха, иначе она, поглощая из воздуха кислород, медленно окисляется в серную кислоту:
2H2SO3 + O2 = 2H2SO4
Сернистая кислота — хороший восстановитель. Например, свободные галогены восстанавливаются ею в галогеноводороды:
H2SO3 + Cl2 + H2O = H2SO4 + 2HCl
Однако при взаимодействии с сильными восстановителями сернистая кислота может играть роль окислителя. Так, реакция ее с сероводородом в основном протекает согласно уравнению:
H2SO3 + 2H2S = 3S↓ + 3H2O
$$\begin{array}{r|l} 1 & \overset{+\mathrm{IV}}{\mathrm{S}} + 4e^- = \mathrm{S}^0 \\ 2 & \overset{-\mathrm{II}}{\mathrm{S}} = \mathrm{S}^0 + 2e^- \end{array}$$
Будучи двухосновной (K1 ≈ 2·10−2, K2 = 6,3·10−8), сернистая кислота образует два ряда солей. Средние ее соли называются сульфитами, кислые — гидросульфитами *.
Как и кислота, сульфиты и гидросульфиты являются восстановителями. При их окислении получаются соли серной кислоты.
Сульфиты наиболее активных металлов при прокаливании разлагаются с образованием сульфидов и сульфатов (реакция самоокисления-самовосстановления):
4Na2SO3 = Na2S + 3Na2SO4
$$\begin{array}{r|l} 3 & \overset{+\mathrm{IV}}{\mathrm{S}} = \overset{+\mathrm{VI}}{\mathrm{S}} + 2e^- \\ 1 & \overset{+\mathrm{IV}}{\mathrm{S}} + 6e^- = \overset{-\mathrm{II}}{\mathrm{S}} \end{array}$$
Сульфиты калия и натрия применяются для отбеливания некоторых материалов, в текстильной промышленности при крашении тканей, в фотографии. Раствор Ca(HSO3)2 (эта соль существует только в растворе) применяется для переработки древесины в так называемую сульфитную целлюлозу, из которой потом получают бумагу.
* Гидросульфитом натрия иногда неправильно называют дитионит натрия Na2S2O4 — натриевую соль дитионистой кислоты H2S2O4.