Ru.Wikipedia.Org - Сера

Меню
Главная
Случайная статья
Настройки

Сера
Материал из https://ru.wikipedia.org

Сера

32,06

3s²3p⁴

Сера (химический символ — S, от лат. sulpur, sulphur, sulfur^[3]) — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы, VIA) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 16.

Простое вещество сера — светло-жёлтый порошкообразный неметалл.

В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов, образуя многие кислоты и соли. Практически нерастворима в воде. Многие серосодержащие соли малорастворимы в воде.

Содержание

Изотопы

Природная сера состоит из четырёх стабильных изотопов:

³²S (95,02 %), ³³S (0,75 %), ³⁴S (4,21 %), ³⁶S (0,02 %).

Получены также искусственные радиоактивные изотопы

³¹S (T = 2,4 с), ³⁵S (

История и этимология

Происхождение названия

Слово «сера», известное в древнерусском языке с XV века, заимствовано из старославянского «сра» — «сера, смола», вообще «горючее вещество, жир». Этимология слова не выяснена до настоящих времён, поскольку первоначальное общеславянское название вещества утрачено и слово дошло до современного русского языка в искажённом виде^[4].

По предположению Фасмера^[5], «сера» восходит к лат. сera — «воск» или лат. serum — «сыворотка».

Латинское sulpureus, sulphurous впервые использовал древнеримский поэт Квинт Энний^[6]. Возможно, происходит из эллинизированного написания этимологического sulpur (Серу греки называли «фео»), предположительно, восходит к индоевропейскому корню *swelp — «гореть»^[7].

История открытия

Точное время открытия серы не установлено, но этот элемент использовался до нашей эры.

Сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Она считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов.

Очень давно сера стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений горящей серы. Сера, вероятно, входила в состав «греческого огня», наводившего ужас на противников.

Около VIII века китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла), объясняют то, что её считали «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд.

Пресвитер Теофил (XII век) описывает способ окислительного обжига сульфидной медной руды, известный, вероятно, ещё в древнем Египте.

В период арабской алхимии возникла ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась обязательной составной частью (отцом) всех металлов.

В дальнейшем она стала одним из трёх принципов алхимиков, а позднее «принцип горючести» явился основой теории флогистона. Элементарную природу серы установил Лавуазье в своих опытах по сжиганию.

С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения её из пиритов; последний был распространён в древней Руси. Впервые в литературе он описан у Агриколы.

Сера в природе

Большие скопления самородной серы (с содержанием >25 %) редки, они встречаются в местах вулканической активности, им сопутствуют сернистые фумаролы и сернистые воды^[8].

Серная руда разрабатывается в месторождениях самородной серы, добывается из сульфидных руд и промышленных газов^[9].

Серные бактерии могут окислять сероводород от гниющих органических остатков до серы и накапливать её^[10].

Природные минералы серы

Сера является шестнадцатым по химической распространённости элементом в земной коре. Встречается в свободном (самородном) состоянии и в связанном виде.

Важнейшие природные минералы серы: FeS₂ — железный колчедан, или пирит, ZnS — цинковая обманка, или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск, или галенит, HgS — киноварь, Sb₂S₃ — антимонит, Cu₂S — халькозин, CuS — ковеллин, CuFeS₂ — халькопирит. Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера — шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона и обусловливает «постоянную» жёсткость пресной воды. Жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.

Свойства

Физические свойства

Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны циклические молекулы S₈, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера — хрупкое вещество жёлтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S₄, S₆) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую). Формулу серы чаще всего записывают просто S, так как она, хотя и имеет молекулярную структуру, является смесью простых веществ с разными молекулами. В воде сера нерастворима, но хорошо растворяется в органических растворителях, например, в сероуглероде, скипидаре.

Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C превращается в очень вязкую тёмно-коричневую массу. Наибольшую вязкость расплав серы приобретает при температуре 190 °C; дальнейшее повышение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше 300 °C расплавленная сера снова становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она постепенно полимеризуется, увеличивая длину цепочки с повышением температуры. При нагревании серы свыше 190 °C полимерные звенья начинают рушиться.

Сера может служить простейшим примером электрета. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд^[11].

Фазовая диаграмма серы

Элементарная кристаллическая сера может существовать в виде двух аллотропных модификаций (энантиотропия серы) — ромбической и моноклинной, — то есть сера диморфна, поэтому для элементарной серы возможно существование четырёх фаз: твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной, жидкой и газообразной, а на фазовой диаграмме серы (см. рисунок; для давления использован логарифмический масштаб) имеются два поля твёрдых фаз: область ромбической серы и область существования моноклинной серы (треугольник АВС)^[12].

На фазовой диаграмме серы^[12]:

DA — линия возгонки ромбической серы S_p, описывающая зависимость давления насыщенного пара серы S_п от температуры над твёрдой ромбической серой;
AС — линия возгонки моноклинной серы S_м, описывающая зависимость давления насыщенного пара серы от температуры над твёрдой моноклинной серой;
СF — линия испарения жидкой серы S_ж, описывающая зависимость давления насыщенного пара серы от температуры над расплавом серы;
AB — линия полиморфного превращения сера ромбическая <—> сера моноклинная, описывающая зависимость температуры фазового перехода между ромбической и моноклинной серой от давления;
ВЕ — линия плавления ромбической серы, описывающая зависимость температуры плавления ромбической серы от давления;
CВ — линия плавления моноклинной серы, описывающая зависимость температуры плавления моноклинной серы от давления.

Пунктирные линии отражают возможность существования метастабильных фаз, которые наблюдаются при резком изменении температуры:

AО — линия сублимации перегретой ромбической серы;
ВО — линия плавления перегретой ромбической серы;
СО — линия испарения переохлаждённой жидкой серы;

На фазовой диаграмме серы имеются три стабильные тройные точки и одна метастабильная, каждая из которых отвечает условиям термодинамического равновесия трёх фаз^[12]:

точка А (дополнительная): равновесие твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной и газообразной серы;
точка В (дополнительная): равновесие твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной и жидкой серы;
точка С (основная): равновесие твёрдой моноклинной, расплавленной и газообразной серы;
точка О (метастабильная): метастабильное равновесие между перегретой твёрдой ромбической, переохлаждённой жидкой и газообразной серой.

Как показывает фазовая диаграмма, ромбическая сера не может одновременно находиться в равновесии с расплавом и парами серы^[13], поэтому в основной тройной точке (когда равновесные фазы находятся в разных агрегатных состояниях) твёрдая фаза представлена моноклинной серой. Метастабильная тройная точка появляется вследствие низкой скорости превращения одной кристаллической модификации серы в другую^[14].

Химические свойства

Сера — хороший окислитель, как и O₂, Но более сильные окислители, такие как кислород и галогены, окисляют её.

Реакции с неметаллами
Реагент	Уравнение	Описание
O₂	${\mathsf {S+O_{2}\rightarrow SO_{2}\uparrow }}$ ${\mathsf {2SO_{2}+O_{2}\rightarrow 2SO_{3}\uparrow }}$	На воздухе сера горит, образуя сернистый газ — бесцветный газ с резким запахом. С помощью спектрального анализа установлено, что на самом деле процесс окисления серы в двуокись представляет собой цепную реакцию и происходит с образованием ряда промежуточных продуктов: моноокиси серы S₂O₂, молекулярной серы S₂, свободных атомов серы S и свободных радикалов моноокиси серы SO^[15]. Окисляется оксид серы(IV) кислородом воздуха при температуре 400—500 °C, в присутствии катализатора (V₂O₅, Pt, NaVO₃, Fe₂O₃). Реакция ${\mathsf {2SO_{2}+O_{2}\rightarrow 2SO_{3}\uparrow }}$ экзотермична (_rH^o = 198 кДж/моль).
Hal₂	${\mathsf {S+3F_{2}\rightarrow SF_{6}\uparrow }}$	Восстановительные свойства серы проявляются в реакциях серы и с другими неметаллами, однако при комнатной температуре сера реагирует только со фтором. Гексафторид серы представляет собой плотный газ, используемый в качестве изоляционного газа в высоковольтных трансформаторах; это также нереактивный и нетоксичный пропеллент для контейнеров под давлением.
Hal₂	${\mathsf {S+Cl_{2}\xrightarrow {t} SCl_{2}}}$ ${\mathsf {2S+Cl_{2}\xrightarrow {t} S_{2}Cl_{2}}}$ ${\mathsf {nS+Cl_{2}\xrightarrow {t} S_{n}Cl_{2}}}$	Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов (дихлорид серы и дитиодихлорид)^[16], являющиеся важными промышленными химическими веществами. При избытке серы также образуются разнообразные дихлориды полисеры типа S_nCl₂^[17].
P	${\mathsf {5S+2P\xrightarrow {^{o}t} \ P_{2}S_{5}}}$	При нагревании сера также реагирует с фосфором, образуя смесь сульфидов фосфора^[18], среди которых — высший сульфид P₂S_5.
С Si	${\mathsf {C+2S\xrightarrow {^{o}t} \ CS_{2}}}$ ${\mathsf {Si+2S\xrightarrow {^{o}t} \ SiS_{2}}}$	Кроме того, при нагревании сера реагирует с водородом, углеродом, кремнием, образуя сероводород, сероуглерод, сульфид кремния.
H₂	${\mathsf {S+H_{2}\xrightarrow {^{o}t} \ H_{2}S\uparrow }}$	Расплав серы (t > 200 °C) реагирует с водородом, но выход H₂S относительно мал.
	${\mathsf {N_{2},Te,I_{2}+S\nrightarrow }}$	Азот, иод, теллур с серой не реагируют.

Реакции с металлами
Реагент	Уравнение	Описание
M	${\mathsf {2Na+S\xrightarrow {^{o}t} \ Na_{2}S}}$ ${\mathsf {Ca+S\xrightarrow {^{o}t} \ CaS}}$ ${\mathsf {2Al+3S\xrightarrow {^{o}t} \ Al_{2}S_{3}}}$ ${\mathsf {Fe+S\xrightarrow {^{o}t} \ FeS}}$	При нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто — весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды. Au, Pt, Ir не реагируют с серой. Серебро чернеет на воздухе из-за сероводорода: 4Ag + O₂ + 2H₂S 2Ag₂S + 2H₂O Сульфиды щелочных и щелочно-земельных металлов — ионные. В остальных большая доля ковалентности.
M₂S	${\mathsf {Na_{2}S+S\rightarrow Na_{2}S_{2}}}$	Растворы сульфидов щелочных металлов реагируют с серой с образованием полисульфидов.

Со сложными веществами
Реагент	Уравнение	Описание
H₂O	${\mathsf {3S+3H_{2}O\rightleftarrows \ 2H_{2}S\uparrow +H_{2}SO_{3}}}$	В воде сера, как и галогены, незначительно диспропорционирует. Равновесие смещается вправо в щелочном растворе. ${\mathsf {3S+6NaOH\xrightarrow {^{o}t} \ 2Na_{2}S+Na_{2}SO_{3}+3H_{2}O}}$ . Процесс диспропорционирования осложнен образованием полисульфидов и тиосульфата натрия: ${\mathsf {nS+Na_{2}S\xrightarrow {^{o}t} \ Na_{2}S_{n+1}}}$ . ${\mathsf {3S+Na_{2}SO_{3}\xrightarrow {^{o}t} \ Na_{2}S_{2}O_{3}\ (Na_{2}S_{2}O_{3}\cdot 5H_{2}O)}}$ .
KOH	${\mathsf {3S+6KOH_{melt}\xrightarrow {^{o}t} \ K_{2}SO_{3}+2K_{2}S+3H_{2}O}}$	Cера диспропорционирует с расплавленной щёлочью, аналогично хлору. Полученный сплав называется серной печенью.
HClO₃	${\mathsf {2S+4NaOH+3O_{2}\xrightarrow {^{o}t} \ 2Na_{2}SO_{4}+2H_{2}O}}$ ${\mathsf {S+HClO_{3}+H_{2}O\xrightarrow {\ } H_{2}SO_{4}+HCl}}$	Сильные окислители окисляют серу. Например кислород в щелочном расплаве.
HNO₃ H₂SO₄	${\mathsf {S+6HNO_{3(conc.)}\xrightarrow {^{o}t} \ H_{2}SO_{4}+6NO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}$ ${\mathsf {S+2H_{2}SO_{4(conc.)}\xrightarrow {^{o}t} \ 3SO_{2}\uparrow +2H_{2}O}}$	С концентрированными кислотами-окислителями (HNO₃, H₂SO₄) сера реагирует только при длительном нагревании.

Реагент	Уравнение	Описание
t^o	${\mathsf {S_{8}\xrightarrow {t^{o}} S_{6}\xrightarrow {t^{o}} S_{4}}}$	При увеличении температуры в парах серы происходят изменения в количественном молекулярном составе^[19]. Число атомов в молекуле уменьшается.
	${\mathsf {S_{4}{\xrightarrow {800-1400^{o}}}\ S_{2}}}$	При 800—1400 °C пары состоят в основном из двухатомной серы.
	${\mathsf {S_{2}{\xrightarrow {1700^{o}}}\ S}}$	А при 1700 °C сера становится атомарной.

Получение