A kén vegyületei — Mólmester

A) Áttekintés

A kén oxidációs állapotai

A kén (S) a periódusos rendszer VI. főcsoportjának (16. csoport, az oxigéncsoport) eleme, hat vegyértékelektronnal. Az oxigénhez hasonlóan két elektron felvételével érheti el a nemesgáz-szerkezetet (ekkor −2 oxidációs számú, pl. a szulfidokban), de mivel a kén harmadik periódusos elem, üres d-pályái révén pozitív oxidációs számokat is felvehet: a legfontosabbak a +4 (SO₂, kénessav, szulfitok) és a +6 (SO₃, kénsav, szulfátok).

A kénvegyületek viselkedésének az egész fejezetet átfogó rendező elve az oxidációs szám: a kén köztes (+4) állapotban mindkét irányba reagálhat (redox kettősség), a legalsó (−2) állapotban csak redukálószer, a legfelső (+6) állapotban pedig (megfelelő körülmények közt) oxidálószer lehet.

Interaktív oxidációsszám-skála

Kattints a kén egy-egy oxidációs állapotára, hogy lásd a hozzá tartozó vegyületeket és a jellemző redox-szerepet!

Vegyület	Képlet	S oxidációs száma	Csoport
Kén-hidrogén	H₂S	−2	szulfidok savformája
Kén-dioxid	SO₂	+4	savanhidrid
Kénessav / szulfition	H₂SO₃ / SO₃²⁻	+4	kénessav és sói
Kén-trioxid	SO₃	+6	savanhidrid
Kénsav / szulfátion	H₂SO₄ / SO₄²⁻	+6	kénsav és sói

🔑

A nagy összefüggés. A −2 (H₂S) csak redukálódni nem tud, csak oxidálódni → erélyes redukálószer. A +6 (kénsav, SO₃) a legfelső állapot → ott a kén csak oxidálószer lehet. A +4 (SO₂, kénessav) köztes → mindkét irányba reagálhat: redukálószerként elszínteleníti a jód- és a permanganát-oldatot, oxidálószerként a H₂S-ből kén válik le.

B) A −2-es kén: kén-hidrogén és szulfidok

Kén-hidrogén (H₂S)

A kén-hidrogénben a kén oxidációs száma −2. A molekula — a vízhez hasonlóan — V-alakú (a kénatomon két nemkötő elektronpár van), de a víznél kevésbé stabilis. A kén kisebb elektronegativitása miatt az S–H kötés kevésbé poláris, mint az O–H, ezért a kén-hidrogén molekulái között nincs hidrogénkötés — innen ered a vízhez képest egészen más fizikai viselkedés.

A H₂S V-alakú molekulája — nincs hidrogénkötés

A H₂S a vízhez hasonló V-alakú dipólusmolekula, de a kis polaritású S–H kötések miatt a molekulák között nincs hidrogénkötés — ezért a víztől eltérően szobahőmérsékleten gáz.

Fizikai tulajdonságok

Színtelen, „záptojásszagú", a levegőnél nagyobb sűrűségű, mérgező gáz. Vízben jól oldódik. Záptojásszaga már igen kis koncentrációban érezhető — de figyelem: nagyobb töménységben éppen a szaglást bénítja meg, ezért alattomos méreg.

☠️

Erősen mérgező gáz! A kén-hidrogén belélegezve fejfájást, hányingert, majd eszméletvesztést, végül halált okozhat. A sejtlégzést bénítja — a citokróm-c-oxidáz enzimet gátolja (a cianidhoz hasonlóan). Mindig elszívófülke alatt dolgozz vele!

Gyenge, kétértékű sav

A kén-hidrogén vizes oldata gyengén savas. Kétértékű (kétlépcsős) sav, mindkét lépésben gyengén disszociál:

H₂S + H₂O ⇌ HS⁻ + H₃O⁺

HS⁻ + H₂O ⇌ S²⁻ + H₃O⁺

Erélyes redukálószer

Mivel a kén a legalsó (−2) oxidációs állapotában van, a H₂S csak oxidálódni tud — ezért erélyes redukálószer. Reakcióit az alábbi interaktív eszközzel böngészheted.

🔥

A két égéstermék az oxigén mennyiségétől függ: bőséges O₂-ben a kén egészen +4-ig oxidálódik (SO₂ keletkezik), kevés O₂-ben viszont csak elemi kén (S) válik ki — innen a sárga kénbevonat a tökéletlen égéskor.

Szulfidok és a kén-hidrogén kimutatása

A kén-hidrogén sói a szulfidok (a −2-es kén sói). Sok fém-szulfid vízben rosszul oldódik, és jellegzetes színű csapadék formájában válik ki — ezért a szulfidképzés a kén-hidrogén (és sok fémion) klasszikus kimutatási módszere. A csapadék színe segít azonosítani a fémet:

Interaktív szulfid-csapadék színskála

Válassz egy fémiont, és nézd meg, milyen színű szulfid-csapadékot ad kén-hidrogénnel!

A jellegzetes szulfid-csapadékok

Pb(NO₃)₂ + H₂S = 2 HNO₃ + PbS↓ (fekete)

CdSO₄ + H₂S = H₂SO₄ + CdS↓ (sárga)

ZnSO₄ + H₂S = H₂SO₄ + ZnS↓ (fehér)

2 Ag⁺ + H₂S = Ag₂S↓ + 2 H⁺ (fekete)

Az ezüsttárgyak sötétedése a levegőn

Az ezüst ékszerek és evőeszközök idővel megfeketednek: a levegő nyomnyi kén-hidrogénje a felületükön fekete ezüst-szulfiddá alakítja az ezüstöt (az oxigén is részt vesz a reakcióban):

2 H₂S + O₂ + 4 Ag = 2 Ag₂S + 2 H₂O

Laboratóriumi előállítás

A kén-hidrogént a laborban jellemzően vas(II)-szulfidból sósavval fejlesztik (Kipp-készülékben):

FeS + 2 HCl = H₂S + FeCl₂

Szulfid-csapadékok jellegzetes színei

A szulfidok színe alapján következtethetünk a fémionra: PbS és Ag₂S fekete, CdS sárga, ZnS fehér. (A színes, rosszul oldódó csapadékok az analitikai kimutatás alapját adják.)

C) A +4-es kén: kén-dioxid, kénessav, szulfitok

Kén-dioxid (SO₂)

A kén-dioxidban a kén oxidációs száma +4. A molekula a H₂S-hez hasonlóan V-alakú (a központi kénatomon egy nemkötő elektronpár van).

Fizikai tulajdonságok

Színtelen, fojtó/szúrós szagú, köhögésre ingerlő, mérgező gáz. Sűrűsége a levegőének kb. kétszerese; könnyen cseppfolyósítható; vízben jól oldódik (és reagál is vele).

Redox kettősség — mindkét irányba

A +4-es kén köztes oxidációs állapotban van, ezért a kén-dioxid redukálószerként és oxidálószerként is viselkedhet:

Redukálószerként (gyakoribb)

Elszínteleníti a jód- és a permanganát-oldatot, és fehérít (ezt használják a borkénezésnél és a cellulóz fehérítésénél). A jóddal pl. kénsavvá oxidálódik:

SO₂ + I₂ + 2 H₂O = H₂SO₄ + 2 HI

SO₂ redukálószerként: elszínteleníti a barna jódoldatot (animált)

A redukálószer SO₂ a barna jódot színtelen jodidionná (HI) alakítja — innen az elszíntelenedés. Ugyanígy halványítja a lila permanganát-oldatot is.

Oxidálószerként

Erélyes redukálószerrel, pl. kén-hidrogénnel szemben a SO₂ oxidálószer — ekkor mindkét kénből elemi kén válik ki. Ez játszódik le a vulkánok közelében (kénkiválás):

SO₂ + 2 H₂S = 2 H₂O + 3 S

Keletkezése és előállítása

Kén égetésével: S + O₂ = SO₂
Szulfidércek (pirit) pörkölésével az iparban.
Laborban szulfitból erős savval: Na₂SO₃ + 2 HCl = 2 NaCl + H₂O + SO₂↑

S + O₂ = SO₂

Na₂SO₃ + 2 HCl = 2 NaCl + H₂O + SO₂↑

Reakciója vízzel és továbboxidálása

Vízben oldva részben kénessavvá alakul (savanhidrid):

SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃

Katalizátor jelenlétében, ~450 °C-on tovább oxidálható kén-trioxiddá — ez a kénsavgyártás kulcslépése:

2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃ (katalizátor, ~450 °C)

Felhasználása

Kénsavgyártás kiindulási anyaga (a kontakt eljárásban).
Borkénezés (a hordók és a must fertőtlenítése, oxidáció elleni védelem).
Cellulóz (papír) fehérítése; általános fertőtlenítés.

🌧️

Környezeti hatás. A kén-dioxid a savas eső fő összetevője (a levegőben kénessavvá, majd kénsavvá alakulva), és a városi szmog egyik fontos komponense. Fő forrása a kéntartalmú fosszilis tüzelőanyagok elégetése.

Kén-trioxid (SO₃)

A kén-trioxidban a kén a +6-os (legmagasabb) oxidációs állapotában van. A molekula sík háromszög (trigonális) alakú, a kötések szimmetrikusan helyezkednek el, ezért a molekula apoláris.

A SO₃ sík háromszög (trigonális), apoláris molekula

A három S=O kötés 120°-os szögben, egy síkban helyezkedik el; a dipólusok kiejtik egymást, ezért a SO₃ apoláris molekula.

Fizikai tulajdonságok

Szobahőmérsékleten nagy sűrűségű, színtelen folyadék, amely polimerizációra hajlamos. A levegő nedvességével azonnal reagál: jellegzetes „kén-trioxid-ködöt" képez. Vízben rosszul, kénsavban viszont jól oldódik.

Reakciói

Vízzel kénsavvá alakul (a SO₃ a kénsav savanhidridje):

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Kénsavban elnyelve dikénsavat (óleumot) ad — ez a kontakt eljárás kulcsa, mert a vízzel való közvetlen reakció túl heves és ködképző volna:

SO₃ + H₂SO₄ = H₂S₂O₇ (dikénsav / óleum)

⚙️

A SO₃ a köztitermék a kénsavgyártásban: a SO₂-ből katalitikusan állítják elő, majd nem vízbe, hanem tömény kénsavba nyeletik el (óleum), ezt később hígítva kapják a kénsavat.

Kénessav (H₂SO₃) és a szulfitok

A kénessavban a kén oxidációs száma +4. A kénessav gyenge, kétértékű sav, amely csak oldatban létezik — tisztán nem nyerhető ki, mert vízre és kén-dioxidra bomlik:

H₂SO₃ ⇌ SO₂ + H₂O

Kétlépcsős disszociáció

H₂SO₃ + H₂O ⇌ HSO₃⁻ + H₃O⁺

HSO₃⁻ + H₂O ⇌ SO₃²⁻ + H₃O⁺

Könnyen kénsavvá oxidálódik

A +4-es kén oxidálható +6-ig: a kénessav könnyen kénsavvá oxidálódik (redukálószer). Pl. jóddal:

H₂SO₃ + I₂ + H₂O = 2 HI + H₂SO₄

A szulfitok

A kénessav sói a szulfitok (SO₃²⁻) és a savanyú sók, a hidrogén-szulfitok (HSO₃⁻). Néhány fontos képviselő:

Só	Képlet	Megjegyzés
Nátrium-hidrogén-szulfit	NaHSO₃	savanyú só; tartósító-, fehérítőszer
Nátrium-szulfit	Na₂SO₃	közömbös só; redukáló-, fertőtlenítőszer
Kalcium-szulfit	CaSO₃	füstgáz-kéntelenítés terméke

A nátrium-szulfit elemi kénnel reagálva nátrium-tioszulfátot ad — ez a fixírsó előállításának alapja (lásd a 10. szakaszt):

Na₂SO₃ + S = Na₂S₂O₃

D) A +6-os kén: a kénsav és sói

A kénsav (H₂SO₄)

A kénsav a vegyipar egyik legfontosabb terméke — gyakran „a kémia kenyerének" is nevezik. Benne a kén oxidációs száma +6. A szulfátion (SO₄²⁻) szabályos tetraéderes felépítésű: a +6 oxidációs számú központi kénatom körül négy oxigénatom helyezkedik el, a kötések delokalizáltak (egyenértékűek), ezért az ion nagyon stabilis.

A szulfátion (SO₄²⁻) tetraéderes szerkezete

A szulfátion tetraéderes, delokalizált, egyenértékű kötésekkel — ez a magyarázata a nagy stabilitásának és annak, hogy a kénsav sói (szulfátok) tartós, jól definiált vegyületek.

Fizikai tulajdonságok

Színtelen, szagtalan, olajszerű, a víznél nagyobb sűrűségű, nem illékony folyadék; magas a forráspontja. Erősen higroszkópos (mohón köti a vizet) — ezért kiváló vízelvonó szer.

⚠️

Életbevágó biztonsági szabály — a kénsav hígítása! A tömény kénsavat mindig a vízbe öntjük, lassan, kevergetve — és SOHA fordítva (sosem öntünk vizet a savba!). A hígulás erősen exoterm: ha vizet öntenénk a savba, a felszínen hirtelen felforrna, és a forró sav kifröccsenve súlyos marási sérülést okozna. Segít a mnemonik: „savat a vízbe, mint a Tiszába".

A kénsav hígítása: SAVAT a VÍZBE, lassan, kevergetve (animált)

A nagy víztartalom elnyeli a felszabaduló hőt. Fordított sorrendben a savfelszín hirtelen felforrna — ezért a sorrend nem ízlés, hanem baleset-megelőzés kérdése.

Erős, kétértékű sav

A híg kénsav erős, kétértékű sav, két lépésben disszociál:

H₂SO₄ ⇌ H⁺ + HSO₄⁻

HSO₄⁻ ⇌ H⁺ + SO₄²⁻

A forró tömény kénsav: erős oxidálószer

Míg a híg kénsav „közönséges" erős sav, a forró tömény kénsav erős oxidálószer (a +6-os kén oxidál). A vasat és az alumíniumot azonban passziválja (vékony, védő oxidréteget hoz létre a felületükön), ezért ezek a fémek tömény kénsavval nem reagálnak — emiatt szállítható tömény kénsav vas- és acéltartályban.

Roncsoló / vízelvonó hatás

A tömény kénsav annyira mohón vonja el a vizet, hogy a szénhidrátokból (cukor, fa, papír) kivonja a hidrogént és az oxigént víz formájában, és fekete szenet (elszenesedés) hagy hátra:

C₁₂H₂₂O₁₁ → 12 C + 11 H₂O

Cukor-elszenesedés: a tömény kénsav vízelvonó hatása (animált)

A cukorból a kénsav „kihúzza" a vizet (H és O), és visszamarad a tiszta szén — látványos, felfúvódó fekete oszlop. Ugyanígy szenesíti el a fát, a papírt és a bőrt is.

Reakciói fémekkel és lúggal — interaktív

A híg és a tömény kénsav fémekkel másképp viselkedik. Válassz egy reakciót!

Felhasználása

Az ólomakkumulátor elektrolitja (autóakkumulátor).
Vízelvonó-, roncsoló- és oxidálószer a laborban és az iparban.
Műtrágya-, festék-, gyógyszer- és robbanóanyag-gyártás.
Kőolajfinomítás.

A kénsav ipari előállítása — a kontakt eljárás

A kénsavat iparilag a kontakt eljárással állítják elő. A folyamat lényege, hogy a SO₂-t katalizátor felületén („kontaktján") oxidálják SO₃-dá, majd azt nem közvetlenül vízbe, hanem tömény kénsavba (óleumba) nyeletik. Lépésről lépésre:

Interaktív kontakt-eljárás stepper

Lépkedj végig a négy fázison, és nézd meg a hozzájuk tartozó egyenleteket!

A négy lépés egyenlete

Kén égetése (vagy pirit pörkölése) → kén-dioxid:
S + O₂ = SO₂
Katalitikus oxidáció kén-trioxiddá (katalizátor, ~450 °C):
2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃
Elnyeletés óleumban (a SO₃-ot tömény kénsavba vezetik → dikénsav):
SO₃ + H₂SO₄ = H₂S₂O₇
Hígítás vízzel → két molekula kénsav:
H₂S₂O₇ + H₂O = 2 H₂SO₄

⚙️

Miért az óleum-lépés? A SO₃ vízzel olyan hevesen reagál, hogy ködöt képezne és nehéz volna megfogni. Ezért előbb tömény kénsavban nyeletik el (óleum = dikénsav), és csak ezt hígítják kontrolláltan vízzel — így a kén szinte teljesen kénsavvá alakítható.

E) A kénsav sói és a tioszulfát

A fontosabb szulfátok

A kénsav sói a szulfátok (SO₄²⁻) és a savanyú sók, a hidrogén-szulfátok (HSO₄⁻, savas oldatúak). Sok szulfát kristályvizes formában fordul elő, és gyakorlati jelentősége óriási. Nézzük a legfontosabbakat:

Szulfát	Képlet	Köznapi név	Jellemző és felhasználás
Kalcium-szulfát-dihidrát	CaSO₄·2H₂O	gipsz	~120 °C-on égetve elveszti kristályvize egy részét; vízzel exoterm visszaalakul és megköt → orvosi rögzítés, öntőminta, építőanyag
Réz(II)-szulfát-pentahidrát	CuSO₄·5H₂O	rézgálic (kékkő)	kék kristály; hevítve színtelen vízmentessé válik → víz kimutatása; gombaölő (bordói lé)
Magnézium-szulfát-heptahidrát	MgSO₄·7H₂O	keserűsó	hashajtó
Nátrium-szulfát-dekahidrát	Na₂SO₄·10H₂O	glaubersó	hashajtó
Bárium-szulfát	BaSO₄	—	vízben oldhatatlan, nagy sűrűségű; röntgen-kontrasztanyag
Nátrium-hidrogén-szulfát	NaHSO₄	—	savanyú só, savas oldatú

Gipsz (CaSO₄·2H₂O)

A gipszet kb. 120 °C-on hevítve égetett gipszet kapunk (a kristályvíz egy része eltávozik). Az égetett gipsz vízzel keverve exoterm reakcióban visszaalakul és megszilárdul (megköt) — ezt használja az orvosi rögzítőkötés és az öntőminta-készítés.

Rézgálic (CuSO₄·5H₂O)

A kék rézgálicot hevítve a kristályvíz eltávozik, és színtelen, vízmentes réz(II)-szulfát marad vissza. Ez a folyamat fordítva is működik: a vízmentes só vízzel azonnal kékre színeződik, ezért alkalmas a víz kimutatására. Ammóniaoldattal mélykék komplexet képez:

CuSO₄ + 4 NH₃ = [Cu(NH₃)₄]SO₄ (azúrkék)

Rézgálic mint vízjelző: hevítve elszíntelenedik (animált)

A vízmentes (színtelen) réz(II)-szulfát vízre azonnal kékül — ezért a vízmentes CuSO₄ a víz érzékeny kimutatószere (pl. szerves oldószerek víztartalmának ellenőrzésére).

🩻

A bárium-szulfát (BaSO₄) vízben oldhatatlan és nagy sűrűségű, ráadásul jól elnyeli a röntgensugárzást — ezért használják röntgen-kontrasztanyagként (pl. a gyomor-bél rendszer vizsgálatánál). Bár a bárium ionjai mérgezőek, a BaSO₄ oldhatatlansága miatt biztonságos.

Nátrium-tioszulfát (fixírsó)

A nátrium-tioszulfát-pentahidrát (Na₂S₂O₃·5H₂O), köznapi nevén fixírsó, a kénvegyületek egyik legérdekesebb sója. Előállítása nátrium-szulfit és elemi kén reakciójával történik:

Na₂SO₃ + S = Na₂S₂O₃

Savas közegben bomlik

Savval kezelve a tioszulfát elbomlik — kén-dioxid fejlődik és elemi kén válik ki (a folyadék megzavarosodik):

Na₂S₂O₃ + 2 HCl = 2 NaCl + SO₂↑ + S↓ + H₂O

Komplexképzés — a fényképezés fixálása

A fixírsó nevét onnan kapta, hogy a klasszikus fekete-fehér fényképezésben ezzel rögzítik (fixálják) a képet: a meg nem világított, fölösleges ezüst-bromidot vízoldható komplex formájában kioldja, így a kép nem bomlik tovább:

AgBr + 2 Na₂S₂O₃ = Na₃[Ag(S₂O₃)₂] + NaBr

Felhasználása

Fekete-fehér fényképészet: a kép fixálása (rögzítése).
Jodometriás titrálás: a kémiai analízisben a jód mérőoldata a tioszulfáttal reagál — pontos mennyiségi meghatározás.

🎯

A fejezet nagy összefüggése. A kén vegyületeit végig az oxidációs szám rendezi: a −2 (H₂S, szulfidok) → redukálószer; a +4 (SO₂, kénessav, szulfitok) → redox kettősség; a +6 (SO₃, kénsav, szulfátok) → a legstabilabb, oxidáló állapot. Ebből vezethető le a H₂S mérgező redukáló jellege, a SO₂ fehérítő/savaseső-szerepe, a kénsav hígításának biztonsági szabálya, a kontakt eljárás logikája, valamint a szulfátok (gipsz, rézgálic, BaSO₄) és a tioszulfát gyakorlati alkalmazásai.