Физические свойства серы. Описание серы

Сера - вещество, в настоящий момент изученное человечеством практически полностью. В древности оно считалось мистическим, было окружено тайнами, легендами и мифами, которые возникали из-за суеверного страха людей перед всем неизведанным. Впрочем, многие физические свойства серы были известны людям еще до того, как Менделеев поместил элемент в периодическую таблицу и присвоил ему номер 16. Это вещество достаточно широко применялось еще в эпоху Гомера, кроме того, некоторую информацию (условно достоверную) о нем можно найти в Новом и Ветхом Заветах.

Химический элемент

В одночасье систематизировать накопленную веками информацию о таком веществе, как сера, было достаточно сложно. Этим занимались многие ученые, но определить ее принадлежность к классу химических элементов удалось Д. И. Менделееву. В периодической системе она обозначена номером 16. Расположена сера в третьем периоде, шестой группе главной подгруппы, атомная масса - 32, плотность (при нормальных условиях) - 2070 кг/м³.

История использования

Древние люди активно применяли физические свойства серы, которые были им известны. Источником ее возникновения считались боги земли, или подземные люди, наделенные особыми качествами. Характерный запах данного вещества и легкость его воспламенения пригодились служителями церкви при проведении различных религиозных обрядов и изгнании «злых духов». В дальнейшем сера стала применяться в военных целях, входила в состав горючих смесей. С большой долей вероятности можно утверждать, что она использовалась при создании «греческого огня», который наводил священный ужас на противника. В быту сера и ее соединения применялись в косметологии, сельском хозяйстве, с ее помощью отбеливали ткани и выводили паразитов. В древнем Китае первые пиротехнические опыты производились при помощи серы. Полученные смеси еще не являлись порохом, но послужили базой для создания его формулы, которая, к слову, в современных условиях была модернизирована. Однако на начальном этапе ее основу составляла именно сера. Химия, точнее, алхимия того времени, называет данный элемент «отцом всех металлов». Подобный вывод основывается на присутствии серы во многих рудах и ее повышенной горючести. Развеять этот миф удается Лавуазье в 1789 году. Ученый отнес элемент к неметаллам и, как показали дальнейшие исследования, был прав. В медицине соединения серы применялись в качестве антисептических и антипаразитарных средств.

В природе

В горных породах земной коры сера встречается достаточно часто. По степени доступности и распространенности она занимает 16 место среди всех химических элементов. Строение атома серы дает возможность данному веществу находиться в чистом виде (в определенных природных условиях). Но в большинстве случаев она входит в состав различных руд, в соединениях образует сульфиды и сульфаты. Наиболее распространены ее связи с металлами: железный колчедан (пирит), киноварь, свинцовый блеск (галенит), цинковая обманка (сфалерит). В Мировом океане присутствуют сульфаты магния, кальция, натрия. На сегодняшний день определено более 200 наименований минералов. Второй - по массовой доле содержания - группой являются гипс, кизерит, глауберова соль. Сера входит в состав белковых молекул, т. е. содержится в организмах животных. Очень широко представлены органические соединения: нефть, газы и природный уголь. Основным источником образования серы и ее производных являются извержения вулканов, но деятельность человека (производственная, хозяйственная) ускорила и обогатила этот процесс. Значительное количество данного вещества накоплено в подземных водах, глинах, гипсе, на дне озер и морей, в нефти, природном газе и угле, в солончаках и в водах океанов. Круговорот серы в биосфере происходит при помощи микроорганизмов, способствует этому и влага, которая испаряется с поверхности огромного водного пространства, выпадает в виде осадков и со сточными потоками рек уходит обратно в моря и океаны.

Название

В период развития алхимии существовало несколько названий, которым обозначали современный химический элемент сера. Какое вещество подразумевалось под ними - не совсем ясно, возможно, речь шла о соединениях, руде или сернистом газе. В периодической системе Менделеева сера обозначена символом S (Sulfur). Данное латинское наименование не имеет ясного происхождения, вероятно, оно было заимствовано из древнегреческого языка, а перевести его можно как «горение». У термина, употребляемого в русском языке, очень древние корни. Словом «сера» обозначались неприятно пахнущие вещества, горючие смеси. Также есть версия о происхождение названия от цвета вещества: «светло-желтый», «серый», т. е. не определенный. Так называли все смолы. Второе название вещества, не применяемое в современности, – «жупел». Также несет в себе определение понятиям горючесть и дурной запах. Филологи пришли к выводу о наличии в этом слове санскритского корня «убивать», что, вероятно, связано со свойствами сернистого газа.

Физические свойства серы

В зависимости от аллотропной модификации, варьируются связи внутри элемента. Принято выделять три образуемых вида решетки (устойчивой цепочки атомов): ромбическая, пластическая, моноклинная. Цвет, физические свойства вещества сера зависят от модификации. Самыми стабильными и распространенными являются циклические соединения S₈. Именно такой вид цепочки характерен для кристаллической серы - хрупкого вещества, имеющего желтоватый оттенок. Пластическая и моноклинная модификации являются нестабильными и переходят в циклическую структуру самопроизвольно через некоторое время после получения. Формула серы в данном случае содержит символ S₄ или S₆. При нормальных условиях (комнатная температура) устойчивым соединением является ромбическая цепочка: в процессе нагревания вещество переходит в жидкое агрегатное состояние, затем густеет. Постепенное охлаждение образует игольчатые кристаллы моноклинной серы, которые имеют темно-желтый цвет. При взаимодействии расплавленного вещества с холодной водой образуется пластическая аллотропная модификация, которая имеет структуру, подобную резине, и состоит из нескольких полимерных цепочек, имеет грязно-желтый (темный) цвет. Наиболее часто встречается описание серы как твердого желтого вещества, которое не взаимодействует с водой, оставаясь на ее поверхности. В качестве растворителя могут применяться органические соединения: скипидар, сероуглерод и т. д. Сера в качестве простого вещества в нормальных условиях имеет следующие термодинамические свойства:

1. Относительная плотность – 2,070 г/см³.
2. Теплопроводность - 300 К.
3. Температура плавления - 112 ^оС.
4. Молярная теплоемкость - 22,6 Дж.
5. Температура кипения - 444 ^оС.
6. Молярный объем - 15,5 см³/моль.

В процессе нагревания число атомов серы в молекуле уменьшается. При 300 ^оС она является достаточно активно двигающейся жидкостью, для получения паров температуру увеличивают до 450 ^оС. Одноатомную серу можно получить в процессе нагревания вещества до 1760 ^оС (S₈ – S₆ – S₄ – S₂ - S). Данное вещество является плохим проводником электрического тока и тепла, что широко используется при его применении.

Химические свойства

Сера вступает в реакцию со всеми металлами, в результате чего образуются сульфиды. В большинстве случаев для химической реакции необходим катализатор, в качестве которого выступает нагрев. При нормальных условиях (комнатная температура) соединение происходит только со ртутью. Данное свойство используется для обезвреживания ее паров, которые образуются в результате взаимодействия капель металла с кислородом. Не взаимодействует элемент с платиной, иридием, золотом. Полученные сульфиды являются пожароопасными соединениями, которые при поджигании достаточно интенсивно горят. Сера, очищенная на открытом воздухе, реагирует с кислородом. Данное соединение характеризуется процессом образования бесцветного газа (сернистого ангидрида) и горением. Обратимая реакция взаимодействия с водородом происходит при нагреве (по аналогии с углеродом и кремнием), образующиеся газы называют сероводородом, сероуглеродом. Как и все остальные элементы VI группы таблицы Менделеева, сера взаимодействует в запаянной трубке с галогенами (фтор, бром, хлор, фосфор). При комнатной температуре реакция возможна только со фтором. Хлорид серы является веществом, наиболее широко применяемым в химической промышленности. С водой и растворами кислот не взаимодействует, соединения со щелочью обратимы - они образуются при воздействии катализатора. Многие существующие кислоты и соли образованы в результате соединения (обязательным условием является температура) серы с кислородом и водородом.

Электронная структура

Строение атома серы дает возможность элементу проявлять себя в качестве окислителя и восстановителя, а при химической реакции иметь различную валентность. Это обусловлено распределением электронов по уровням. Ядро атома имеет заряд +16 при атомной массе 32 (16 протонов и нейтронов), радиус - 127 пм. Схема серы (электронная) выглядит следующим образом: S+16)2)8)6; в спокойном состоянии - 1S²2S²2P⁶3S²3P⁴. На третьем уровне атом серы имеет пять незанятых орбиталей, поэтому валентность в его соединениях варьируется в следующих пределах: -2, +2,+4,+6, которые зависят от степени его возбуждения.

Месторождения

Количество добываемой серы увеличивается ежегодно. Это связано с достаточно широким кругом ее применения, который постоянно растет за счет технологических прорывов и более тщательного исследования уже известных химических элементов. В природе сера содержится в самородном виде и входит в состав большого количества руд. В зависимости от этого применяются различные способы ее добычи. Стратиформные месторождения распространены в США, Ираке, среднем Поволжье и Прикарпатье. Они являются наиболее рентабельными в процентном отношении, там добывают от 50 до 60 % серы. Карбонатные и сульфатные породы пролегают огромными пластами, достигающими десятков метров в глубину и нескольких сотен - в длину. Солянокупольные месторождения характерны для регионов интенсивной добычи нефтепродуктов. К самым крупным залежам относят зону Мексиканского залива, которую параллельно разрабатывают США, Чили и Мексика. Наиболее современными, недавно сформировавшимися месторождениями являются вулканогенные залежи. Их происхождение связано с тектоническими разломами земной коры и действием вулканов. Соответственно, данные месторождения располагаются в Тихом океане. Активно осваивают данные зоны Япония и Россия. На территории Евразии более распространены залежи самородной серы, которая имеет достаточно древнее происхождение и преимущественно располагается в поверхностных слоях. Уральские горы, остров Сицилия, Поволжье, Львовская область являются освоенными месторождениями, которые разрабатываются до сегодняшнего дня. Мировая добыча серы составляет более 50 млн тонн в год, при этом 30 % - самородки, 33 % - газ и нефтепродукты, 14 % - переработка производственных выбросов, 16 % - из сульфидов, 6 % - из сульфатов.

Способы добычи

В зависимости от глубины залегания серосодержащей руды используют различные методы ее извлечения и дальнейшей переработки. Физические свойства серы на первый план, независимо от способа добычи, выводят безопасность процесса. Как правило, залежи данного вещества сопровождаются большим скоплением ядовитых газов, также не исключаются случаи самовозгорания. Поверхностные рудные слои снимаются пластами при помощи экскаваторов - этот способ наименее опасен (при соблюдении всех технологических требований). Сера очищенная получается в результате ее дальнейшей переработки на соответствующих предприятиях, куда она доставляется из карьеров. Способы очистки и обогащения разнообразны: термические, центрифугальные, фильтрационные, пароводяные, экстракционные.

Гораздо сложнее производить добычу серы, которая содержится в подземных слоях. Шахтный метод - за счет выделения сопутствующего газа - практически недоступен, поэтому достаточно успешно с 1895 года применяется метод Германа Фраша. Он наиболее продуктивен при разработке богатых месторождений и дает существенную экономию транспортных расходов и затрат на дальнейшую переработку руды, так как предполагает выход чистого вещества. Принцип установки прост: рудные слои, содержащие серу, подвергаются обработке горячей водой, которая подается по трубе. Внутри нее располагаются еще два цилиндрических обособленных сосуда, которые предназначены для подачи газа и выхода готового продукта. За счет низкой температуры плавления на поверхность под давлением выходит сера с небольшим количеством примесей.

Применение

Основным потребителем серы является химическая промышленность, которая не может существовать без кислот на основе данного элемента. Текстильные, нефтеперерабатывающие, пищевые, целлюлозные, горнодобывающие сегменты производства не могут обойтись без этого вещества. Формула серы дает возможность применять ее соединения для изготовления взрывчатки, спичек, резины, косметических средств, лекарств и т. д. В сельском хозяйстве рассматриваемое нами вещество входит в состав удобрений для почвы (повышает процент усвоенного фосфора) и ядов, которыми обрабатывают семена от различных вредителей.

Для производства красителей и светящихся составов используется очищенная сера. По степени добычи, переработки и использования этого элемента можно судить о промышленном потенциале всего государства. Большинство новейших разработок во многих наукоемких секторах экономики основано на использовании серы и ее соединений. Сложно оценить весь потенциал применения данного химического элемента, который используется человечеством с древних времен и продолжает активно участвовать в технологическом эволюционном процессе.