Оксид серы(IV)

Оксид серы​(IV)​
Общие
Систематическое наименование	Оксид серы​(IV)​
Хим. формула	SO2
Рац. формула	SO2
Физические свойства
Состояние	бесцветный газ
Молярная масса	64,054 г/моль
Плотность	0,002927 г/см³
Энергия ионизации	12,3 ± 0,1 эВ[6] и 12,32 эВ[7]
Термические свойства
Температура
• плавления	−75,5 °C
• кипения	−10,01 °C
Тройная точка	197,69 К (—75,46 °C), 0,0157 МПа[1]
Критическая точка	430,7 (157,55 °C), 7,88 МПа, 122 см3/моль[2]
Энтальпия
• образования	—296,90[3][4]; —297,05[5] кДж/моль
Давление пара	3,2 ± 0,1 атм[6]
Химические свойства
Растворимость
• в воде	11,5 г/100 мл
Структура
Дипольный момент	5,4E−30 Кл·м[7]
Классификация
Рег. номер CAS	[7446-09-5]
PubChem	1119
Рег. номер EINECS	231-195-2
SMILES	O=S=O
InChI	InChI=1S/O2S/c1-3-2 RAHZWNYVWXNFOC-UHFFFAOYSA-N
Кодекс Алиментариус	E220
RTECS	WS4550000
ChEBI	18422
ChemSpider	1087
Безопасность
Предельная концентрация	10 мг/м³
Токсичность	Класс опасности III
Пиктограммы ECB
NFPA 704	0 3 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

Окси́д се́ры(IV) (диокси́д се́ры, двуокись серы, серни́стый газ, серни́стый ангидри́д) — соединение серы с кислородом состава SO₂. В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). В высоких концентрациях токсичен. Под давлением сжижается при комнатной температуре. Растворяется в воде с образованием нестойкой серни́стой кислоты; растворимость 11,5 г/100 г воды при 20 °C, снижается с ростом температуры. Растворяется также в этаноле и се́рной кислоте. Один из основных компонентов вулканических газов. Зарегистрирован в качестве пищевой добавки с номером E220.

Получение

Промышленный способ получения — сжигание серы или обжиг сульфидов, в основном — пирита, также сжигание сероводородсодержащего газа в специальных паровых котлах с циклонной топкой.

В лабораторных условиях и в природе SO₂ получают воздействием сильных кислот на сульфиты и гидросульфиты. Образующаяся сернистая кислота H₂SO₃ сразу разлагается на SO₂ и H₂O:

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}SO_{3}+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+H_{2}SO_{3}}},}$

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}SO_{3}\rightarrow H_{2}O+SO_{2}\uparrow }}.}$

Химические свойства

Относится к кислотным оксидам. Растворяется в воде с образованием сернистой кислоты (при обычных условиях реакция обратима):

${\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}SO_{3}}}.}$

С щелочами образует сульфиты:

${\displaystyle {\mathsf {2NaOH+SO_{2}\rightarrow Na_{2}SO_{3}+H_{2}O}}.}$

Химическая активность SO₂ весьма велика. Наиболее ярко выражены восстановительные свойства SO₂, степень окисления серы в таких реакциях повышается:

${\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+Br_{2}+2H_{2}O\rightarrow H_{2}SO_{4}+2HBr}},}$

${\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+Cl_{2}+2H_{2}O\longrightarrow H_{2}SO_{4}+2HCl}},}$

${\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+I_{2}+2H_{2}O\rightarrow H_{2}SO_{4}+2HI}},}$

${\displaystyle {\mathsf {2SO_{2}+O_{2}{\xrightarrow[{Pt}]{450^{o}C}}2SO_{3}}},}$

${\displaystyle {\mathsf {2SO_{2}+2H_{2}O+O_{2}\ \xrightarrow {+70^{o}C,p,CuSO_{4}} \ 2H_{2}SO_{4}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {5SO_{2}+2KMnO_{4}+2H_{2}O\rightarrow 2H_{2}SO_{4}+2MnSO_{4}+K_{2}SO_{4}}},}$

${\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}(SO_{4})_{3}+SO_{2}+2H_{2}O\rightarrow 2FeSO_{4}+2H_{2}SO_{4}}}.}$

Предпоследняя реакция является качественной реакцией на сульфит-ион SO₃²⁻ и на SO₂ (обесцвечивание фиолетового раствора).

В присутствии сильных восстановителей SO₂ способен проявлять окислительные свойства. Например, для извлечения серы из отходящих газов металлургической промышленности используют восстановление SO₂ оксидом углерода(II):

${\displaystyle {\mathsf {SO_{2}+2CO\rightarrow 2CO_{2}+S}}.}$

Или для получения фосфорноватистой кислоты:

${\displaystyle {\mathsf {PH_{3}+SO_{2}\rightarrow HP(OH)_{2}+S}}.}$

Применение

Большая часть оксида серы(IV) используется для производства серной кислоты каталитическим методом: полученный при сжигании серы или сероводородсодержащего газа сернистый ангидрид проходит через каталитический реактор, где окисляется до серного ангидрида, после чего происходит охлаждение газа, содержащего водяной пар помимо серного ангидрида, и конденсация концентрированной серной кислоты, уходящей затем в другие технологические процессы, такие как сернокислотное алкилирование, либо на охлаждение и розлив в железнодорожные и автоцистерны. Используется также в виноделии в качестве консерванта (пищевая добавка E220). Газ убивает микроорганизмы, поэтому им окуривают овощехранилища и склады. Оксид серы(IV) используется для отбеливания соломы, шёлка и шерсти, то есть материалов, которые нельзя отбеливать хлором. Применяется он также и в качестве растворителя в лабораториях^[8]. Оксид серы(IV) применяется также для получения различных солей сернистой кислоты.

Токсичность и безопасность

Оксид серы(IV) SO₂ в высоких дозах очень токсичен. Симптомы при отравлении сернистым газом — насморк, кашель, охриплость, сильное першение в горле и своеобразный привкус. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации — удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких.

При кратковременном вдыхании оказывает сильное раздражающее действие, вызывает кашель и першение в горле.

ПДК (предельно допустимая концентрация):

• в атмосферном воздухе максимально разовая — 0,5 мг/м³, среднесуточная — 0,05 мг/м³;
• в помещении (рабочая зона) — 10 мг/м³.

По степени воздействия на человеческий организм сернистый ангидрид относится к III классу опасности («умеренно-опасное химическое вещество») согласно ГОСТ 12.1.007-76.

Интересно, что чувствительность по отношению к SO₂ весьма различна у отдельных людей, животных и растений. Так, среди растений наиболее устойчивы по отношению к сернистому газу берёза и дуб, наименее — роза, сосна и ель.

По данным исследования^[9] средний порог восприятия запаха может превышать ПДК (21 мг/м3), а у части людей порог был значительно выше среднего значения.

В качестве пищевой добавки оксид серы признан безопасным для потребления, однако у астматиков он может вызвать аллергические реакции^[10]. Уровень, не вызывающий видимых отрицательных эффектов (УНВОЭ) составляет 70 мг/кг массы тела у животных, допустимое суточное потребление (ДСП) составляет 0,7 мг/кг массы тела человека, по данным Европейского агентства по безопасности продуктов питания (EFSA)^[10]. Это количество совпадает с мнением Объединённого экспертного комитета ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам (JECFA), установившего аналогичный уровень ДСП в 1998 году^[11].

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) в США признаёт оксид серы как «общепризнанную безопасную» (GRAS) пищевую добавку, за исключением его использования в продуктах, признанных источником витамина B1 (тиамина), поскольку оксид серы (наряду с добавками E220-E228, выделяющими оксид серы) разлагает этот микронутриент и его использование в перечне богатых витамином B1 продуктов, а также во фруктах и овощах запрещено^[12].

Биологическая роль

Роль эндогенного сернистого газа в физиологии организма млекопитающих ещё окончательно не выяснена^[13]. Сернистый газ блокирует нервные импульсы от рецепторов растяжения лёгких и устраняет рефлекс, возникающий в ответ на перерастяжение лёгких, стимулируя тем самым более глубокое дыхание.

Показано, что эндогенный сернистый газ играет роль в предотвращении повреждения лёгких, уменьшает образование свободных радикалов, оксидативный стресс и воспаление в лёгочной ткани, в то время как экспериментальное повреждение лёгких, вызываемое олеиновой кислотой, сопровождается, наоборот, снижением образования сернистого газа и активности опосредуемых им внутриклеточных путей и повышением образования свободных радикалов и уровня оксидативного стресса. Что ещё более важно, блокада фермента, способствующего образованию эндогенного сернистого газа, в эксперименте способствовала усилению повреждения лёгких, оксидативного стресса и воспаления и активации апоптоза клеток лёгочной ткани. И напротив, обогащение организма подопытных животных серосодержащими соединениями, такими, как глютатион и ацетилцистеин, служащими источниками эндогенного сернистого газа, приводило не только к повышению содержания эндогенного сернистого газа, но и к уменьшению образования свободных радикалов, оксидативного стресса, воспаления и апоптоза клеток лёгочной ткани^[14].

Считают, что эндогенный сернистый газ играет важную физиологическую роль в регуляции функций сердечно-сосудистой системы, а нарушения в его метаболизме могут играть важную роль в развитии таких патологических состояний, как лёгочная гипертензия, гипертоническая болезнь, атеросклероз сосудов, ишемическая болезнь сердца, ишемия-реперфузия и др.^[15].

Показано, что у детей с врождёнными пороками сердца и лёгочной гипертензией повышен уровень гомоцистеина (вредного токсичного метаболита цистеина) и снижен уровень эндогенного сернистого газа, причём степень повышения уровня гомоцистеина и степень снижения выработки эндогенного сернистого газа коррелировала со степенью выраженности лёгочной гипертензии. Предложено использовать гомоцистеин как маркер степени тяжести состояния этих больных и указано, что метаболизм эндогенного сернистого газа может быть важной терапевтической мишенью у этих больных^[16].

Также показано, что эндогенный сернистый газ понижает пролиферативную активность клеток гладких мышц эндотелия сосудов, угнетая активность MAPK-сигнального пути и одновременно активируя аденилатциклазный путь и протеинкиназу A^[17]. А пролиферация гладкомышечных клеток стенок сосудов считается одним из механизмов гипертензивного ремоделирования сосудов и важным звеном патогенеза артериальной гипертензии, а также играет роль в развитии стеноза (сужения просвета) сосудов, предрасполагающего к развитию в них атеросклеротических бляшек.

Эндогенный сернистый газ оказывает эндотелий-зависимое вазодилатирующее действие в низких концентрациях, а в более высоких концентрациях становится эндотелий-независимым вазодилататором, а также оказывает отрицательное инотропное действие на миокард (понижает сократительную функцию и сердечный выброс, способствуя снижению артериального давления). Этот вазодилатирующий эффект сернистого газа опосредуется через АТФ-чувствительные кальциевые каналы и кальциевые каналы L-типа («дигидропиридиновые»). В патофизиологических условиях эндогенный сернистый газ оказывает противовоспалительное действие и повышает антиоксидантный резерв крови и тканей, например при экспериментальной лёгочной гипертензии у крыс. Эндогенный сернистый газ также снижает повышенное артериальное давление и тормозит гипертензивное ремоделирование сосудов у крыс в экспериментальных моделях гипертонической болезни и лёгочной гипертензии. Последние (на 2015 год) исследования показывают также, что эндогенный сернистый газ вовлечён в регуляцию липидного метаболизма и в процессы ишемии-реперфузии^[18].

Эндогенный сернистый газ также уменьшает повреждение миокарда, вызванное экспериментальной гиперстимуляцией адренорецепторов изопротеренолом, и повышает антиоксидантный резерв миокарда^[19].

Воздействие на атмосферу

Из-за образования в больших количествах в качестве отходов диоксид серы является одним из основных газов, загрязняющих атмосферу.

Наибольшую опасность представляет собой загрязнение соединениями серы, которые выбрасываются в атмосферу при сжигании угольного топлива, нефти и природного газа, а также при выплавке металлов и производстве серной кислоты.

Антропогенное загрязнение серой в два раза превосходит природное^[20][21]. Серный ангидрид образуется при постепенном окислении сернистого ангидрида кислородом воздуха с участием света. Конечным продуктом реакции является аэрозоль серной кислоты в воздухе, раствор в дождевой воде (в облаках). Выпадая с осадками, она подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей, скрыто угнетающе воздействует на здоровье человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий чаще отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Растения около таких предприятий обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты, что доказывает присутствие её в окружающей среде в существенных количествах. Пирометаллургические предприятия цветной и чёрной металлургии, а также ТЭЦ ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

Необходимо отметить также, что диоксид серы имеет максимум в спектре поглощения света в ультрафиолетовой области (190—220 нм), что совпадает с максимумом в спектре поглощения озона. Это свойство диоксида серы позволяет утверждать, что наличие этого газа в атмосфере имеет также положительный эффект, предотвращая возникновение и развитие онкологических заболеваний кожи человека. Диоксид серы в атмосфере Земли существенно ослабляет влияние парниковых газов (диоксид углерода, метан) на рост температуры атмосферы^[22].

Наибольших концентраций сернистый газ достигает в северном полушарии, особенно над территорией США, Европы, Китая, европейской части России и Украины. В южном полушарии содержание его значительно ниже^[23].

Примечания

Литература

• Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — 4-е изд., стер. — М.: Химия, 2000. — 592 с.
• Киреев В. А. Краткий курс физической химии. — 5-е изд., стер. — М.: Химия, 1978. — 621 с.
• Фёдоров П. И. Тройная точка (рус.) // Химическая энциклопедия. — Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — С. 12.
• Хазанова Н. Е. Критическое состояние (рус.) // Химическая энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даф — Мед. — С. 541—543.

Ссылки

• Global map of sulfur dioxide distribution Архивная копия от 8 февраля 2017 на Wayback Machine (англ.)
• United States Environmental Protection Agency Sulfur Dioxide page Архивная копия от 25 декабря 2008 на Wayback Machine (англ.)
• International Chemical Safety Card 0074 Архивная копия от 7 августа 2019 на Wayback Machine (англ.)
• IARC Monographs. «Sulfur Dioxide and some Sulfites, Bisulfites and Metabisulfites» v54. 1992. p131. (англ.)
• Sulfur Dioxide, Molecule of the Month Архивная копия от 3 августа 2019 на Wayback Machine (англ.)