Диоксид серы

Диоксид серы (сернистый ангидрид, оксид серы(IV)) — неорганическое соединение серы с кислородом, химическая формула SO₂. При нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). Относится к кислотным оксидам, хорошо растворим в воде с образованием сернистой кислоты (H₂SO₃). Является одним из основных загрязнителей атмосферы, но при этом широко используется в промышленности и пищевой технологии.

Физические свойства

Диоксид серы — бесцветный газ, тяжелее воздуха (плотность 2,927 г/л при н.у.). Температура плавления −75,5 °C, температура кипения −10,1 °C. При охлаждении до −10 °C конденсируется в бесцветную жидкость, которая при дальнейшем охлаждении кристаллизуется. Хорошо растворим в воде (около 40 объёмов SO₂ на 1 объём воды при 20 °C), в этаноле, серной кислоте, уксусной кислоте. Обладает удушливым запахом, который ощущается при концентрации в воздухе от 3 мг/м³.

Химические свойства

Диоксид серы проявляет свойства кислотного оксида. При растворении в воде обратимо образует сернистую кислоту: \[ SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3 \]

Взаимодействует с щелочами с образованием сульфитов и гидросульфитов: \[ SO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_3 + H_2O \] \[ SO_2 + NaOH \rightarrow NaHSO_3 \]

Характерной особенностью SO₂ является его способность выступать как в роли окислителя, так и в роли восстановителя. В присутствии сильных окислителей (например, кислорода, озона, пероксида водорода) окисляется до серного ангидрида SO₃: \[ 2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3 \]

С сильными восстановителями (например, сероводородом) SO₂ восстанавливается до элементарной серы: \[ SO_2 + 2H_2S \rightarrow 3S + 2H_2O \]

Обесцвечивает многие органические красители, что используется в отбеливании.

Получение

Промышленные способы

Основной промышленный метод — сжигание серы или серосодержащих руд (например, пирита FeS₂): \[ S + O_2 \rightarrow SO_2 \] \[ 4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2 \]

Также диоксид серы получают как побочный продукт при обжиге сульфидных руд цветных металлов (меди, цинка, свинца) и при производстве серной кислоты.

Лабораторные способы

В лаборатории SO₂ получают действием сильных кислот на сульфиты или гидросульфиты: \[ Na_2SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + SO_2 + H_2O \]

Или восстановлением концентрированной серной кислоты металлами (например, медью): \[ Cu + 2H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + SO_2 + 2H_2O \]

Применение

Пищевая промышленность

Диоксид серы (пищевая добавка E220) используется как консервант и антиоксидант. Он подавляет рост плесневых грибов, дрожжей и бактерий, предотвращает потемнение фруктов и овощей. Применяется при сушке фруктов (курага, изюм, чернослив), в производстве вин, соков, пюре, картофельных полуфабрикатов. В виноделии SO₂ используется для стабилизации вина, подавления диких дрожжей и бактерий, защиты от окисления. В России и странах Евразийского экономического союза содержание E220 в пищевых продуктах строго регламентируется техническими регламентами (например, ТР ТС 029/2012 «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств»).

Химическая промышленность

• Производство серной кислоты (контактным способом через окисление до SO₃).
• Получение сульфитов, гидросульфитов, тиосульфата натрия.
• Отбеливание целлюлозы, бумаги, текстиля, соломы.
• В качестве растворителя для некоторых неорганических веществ (в жидком виде).

Сельское хозяйство

• Фумигация (окуривание) складов и теплиц для уничтожения вредителей и грибков.
• Обработка виноградников перед уборкой урожая для защиты от серой гнили.

Металлургия

• Используется в процессах выщелачивания некоторых руд (например, марганцевых).

Влияние на организм человека и окружающую среду

Токсикология

Диоксид серы относится к веществам 3-го класса опасности (умеренно опасные). При вдыхании вызывает раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз. При высоких концентрациях (выше 400 мг/м³) может вызывать ожог дыхательных путей, отёк лёгких, рефлекторную остановку дыхания. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны в России составляет 10 мг/м³, среднесуточная ПДК в атмосферном воздухе населённых мест — 0,05 мг/м³.

Особенно чувствительны к воздействию SO₂ люди с бронхиальной астмой и хроническими заболеваниями лёгких. При длительном воздействии низких концентраций возможно развитие хронического бронхита, эмфиземы лёгких, нарушение обоняния.

Экологические последствия

Диоксид серы является одним из основных компонентов, вызывающих кислотные дожди. В атмосфере SO₂ окисляется до серной кислоты, которая выпадает с осадками, подкисляя почву и водоёмы. Это приводит к гибели рыбы, нарушению экосистем, повреждению лесов и разрушению зданий (особенно из известняка и мрамора). В России основными источниками выбросов SO₂ являются предприятия цветной и чёрной металлургии, теплоэлектростанции, работающие на угле и мазуте, а также нефтеперерабатывающие заводы.

Методы очистки выбросов

Для снижения выбросов диоксида серы в атмосферу применяются различные методы:

• Известняковый способ: пропускание дымовых газов через суспензию известняка (CaCO₃) или извести (Ca(OH)₂) — образуется гипс (CaSO₄·2H₂O).
• Аммиачный способ: поглощение SO₂ водным раствором аммиака с получением сульфата аммония (удобрение).
• Содовый способ: использование раствора карбоната натрия.
• Адсорбция: поглощение SO₂ твёрдыми сорбентами (активированный уголь, цеолиты).

Интересные факты

• Диоксид серы — один из компонентов вулканических газов. Крупные извержения вулканов (например, Пинатубо в 1991 году) выбрасывают в стратосферу миллионы тонн SO₂, что может приводить к временному понижению глобальной температуры.
• В атмосфере Венеры диоксид серы присутствует в значительных количествах и участвует в мощном парниковом эффекте.
• В XIX веке диоксидом серы окуривали помещения для дезинфекции во время эпидемий холеры и чумы.
• В пищевой промышленности обработка сухофруктов сернистым ангидридом позволяет сохранять их яркий цвет (например, курага остаётся оранжевой, а не темнеет), однако часть потребителей предпочитает необработанные продукты, несмотря на их менее привлекательный внешний вид.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: И. Л. Кнунянц (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994.
• Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.3492-17 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений».
• ТР ТС 029/2012 «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств».
• Экологическая химия: учебное пособие / под ред. А. И. Иванцова. — М.: Юрайт, 2019.