Сера - один из самых распространённых элементов земной коры. Чаще всего она встречается в составе минералов, содержащих кроме неё металлы. Очень интересны процессы, происходящие при достижении температуры кипения и плавления серы. Эти процессы, а также связанные с ними сложности мы и разберём в этой статье. Но для начала окунёмся в историю открытия этого элемента.
История
В самородном виде, а также в составе минералов сера была известна ещё с древности. В старых греческих текстах описано ядовитое действие ее соединений на человеческий организм. Сернистый газ, выделяемый при горении соединений этого элемента, действительно может быть смертельно опасен для людей. Примерно в 8 веке серу начали использовать в Китае для приготовления пиротехнических смесей. Неудивительно, ведь именно в этой стране, как считается, изобрели порох.
Ещё в Древнем Египте людям был известен способ обжига серосодержащей руды на основе меди. Таким образом добывали этот металл. Сера уходила в виде ядовитого газа SO2.
Несмотря на известность с древнейших времён, знание о том, что представляет собой сера, пришло благодаря работам французского естествоиспытателя Антуана Лавуазье. Именно он установил, что она является элементом, а продукты её горения - оксидами.
Вот такая вот краткая история знакомства людей с этим химическим элементом. Далее мы подробно расскажем о процессах, происходящих в недрах земли и приводящих к образованию серы в том виде, в котором она есть сейчас.
Как появляется сера?
Существует распространённое заблуждение о том, что чаще всего этот элемент встречается в самородном (то есть чистом) виде. Однако это не совсем так. Самородная сера чаще всего встречается как вкрапление в другую руду.
На данный момент есть несколько теорий, касающихся происхождения элемента в чистом виде. Они предполагают отличие во времени образования серы и руд, в которые она вкрапляется. Первая, теория сингенеза, предполагает образование серы совместно с рудами. Согласно ей некоторые бактерии, обитающие в толще океана, восстанавливали сульфаты, находящиеся в воде, до сероводорода. Последний, в свою очередь, поднимался вверх, где с помощью других бактерий окислялся до серы. Она падала на дно, смешивалась с илом, и впоследствии они вместе образовывали руду.
Суть теории эпигенеза - то, что сера в руде образовалась позднее её самой. Тут есть несколько ответвлений. Мы расскажем лишь о самом распространённом варианте этой теории. Состоит он вот в чём: подземные воды, протекая через скопления сульфатных руд, обогащаются ими. Затем, проходя через месторождения нефти и газа, ионы сульфатов восстанавливаются до сероводорода благодаря углеводородам. Сернистый водород, поднимаясь к поверхности, окисляется кислородом воздуха до серы, которая и оседает в породах, образуя кристаллы. Эта теория в последнее время находит всё больше подтверждений, но пока остаётся открытым вопрос о химизме этих превращений.
От процесса происхождения серы в природе перейдём к её модификациям.
Аллотропия и полиморфизм
Сера, как и многие другие элементы таблицы Менделеева, существует в природе в нескольких формах. В химии их называют аллотропными модификациями. Существует сера ромбическая. Температура плавления её несколько ниже, чем у второй модификации: моноклинной (112 и 119 градусов по Цельсию). А различаются они строением элементарных ячеек. Ромбическая сера отличается большей плотностью и устойчивостью. Она может при нагревании до 95 градусов переходить во вторую форму - моноклинную. У обсуждаемого нами элемента есть аналоги в таблице Менделеева. Полиморфизм серы, селена и теллура учёные обсуждают до сих пор. Они имеют очень тесную связь между собой, и все модификации, которые они образуют, сильно похожи.
А далее мы разберём процессы, происходящие при плавлении серы. Но перед тем как начать, следует немного окунуться в теорию строения кристаллической решётки и явлений, происходящих при фазовых переходах вещества.
Из чего состоит кристалл?
Как известно, в газообразном состоянии вещество находится в виде молекул (или атомов), беспорядочно движущихся в пространстве. В жидком веществе составляющие его частицы группируются, но всё равно имеют достаточно большую свободу движения. В твёрдом агрегатном состоянии всё немного иначе. Здесь степень упорядоченности возрастает до своего максимального значения, и атомы образуют кристаллическую решётку. В ней, конечно, происходят колебания, но они имеют очень малую амплитуду, и это нельзя назвать свободным движением.
Любой кристалл можно поделить на элементарные ячейки - такие последовательные соединения атомов, которые повторяются во всём объёме образца соединения. Тут стоит уточнить, что такие ячейки - это не кристаллическая решётка, и тут атомы располагаются внутри объёма определённой фигуры, а не в её узлах. Для каждого кристалла они индивидуальны, но их можно разделить на несколько основных типов (сингоний) в зависимости от геометрии: триклинная, моноклинная, ромбическая, ромбоэдрическая, тетрагональная, гексагональная, кубическая.
Кратко разберём каждый тип решёток, ведь они делятся ещё на несколько подвидов. И начнём мы с того, чем они могут отличаться между собой. Во-первых, это соотношения длин сторон, а во-вторых, угол между ними.
Таким образом, триклинная сингония, самая низшая из всех, представляет собой элементарную решётку (параллелограмм), в которой все стороны и углы не равны между собой. Ещё один представитель так называемой низшей категории сингоний - моноклинная. Здесь два угла ячейки равны 90 градусам, а все стороны имеют разную длину. Следующий вид, относящейся к низшей категории, - ромбическая сингония. Она имеет три неравные между собой стороны, но все углы фигуры равны 90 градусам.
Перейдём к средней категории. И первый её член - тетрагональная сингония. Тут по аналогии нетрудно догадаться, что все углы фигуры, которую она представляет, равны 90 градусам, а также две из трёх сторон равны между собой. Следующий представитель - ромбоэдрическая (тригональная) сингония. Тут всё немного интереснее. Этот тип определяется тремя одинаковыми сторонами и тремя углами, которые равны между собой, но не являются прямыми.
Последний вариант средней категории - гексагональная сингония. В её определении ещё больше сложности. Этот вариант строится на трёх сторонах, две из которых равны и образуют угол 120 градусов, а третья находится в перпендикулярной им плоскости. Если взять три ячейки гексагональной сингонии и приложить их друг к другу, то мы получим цилиндр с шестигранным основанием (именно поэтому у неё такое название, ведь "гекса" в переводе с латинского означает "шесть").
Ну а вершина всех сингоний, имеющая симметрию во всех направлениях, - кубическая. Она является единственной принадлежащей к высшей категории. Тут можно сразу догадаться, как её можно характеризовать. Все углы и стороны равны между собой и образуют куб.
Итак, мы закончили разбор теории по основным группам сингоний, а теперь подробнее расскажем о строении различных форм серы и свойствах, которые из этого вытекают.
Строение серы
Как уже было сказано, сера имеет две модификации: ромбическую и моноклинную. После раздела с теорией наверняка стало ясно, чем они отличаются. Но вся суть состоит в том, что в зависимости от температуры структура решётки может меняться. Вся суть в самом процессе превращений, происходящих, когда достигается температура плавления серы. Тогда кристаллическая решётка полностью разрушается, и атомы могут более-менее свободно двигаться в пространстве.
Но вернёмся к строению и особенностям такого вещества, как сера. Свойства химических элементов во многом зависят от их строения. Например, сера в силу особенностей кристаллической структуры обладает свойством флотации. Её частички не смачиваются водой, и прилипающие к ним пузырьки воздуха тянут их на поверхность. Таким образом, комовая сера всплывает при погружении в воду. На этом основаны некоторые способы отделения этого элемента из смеси ему подобных. А далее мы разберём основные методы добычи этого соединения.
Добыча
Сера может залегать с различными минералами, а следовательно, на различной глубине. В зависимости от этого выбирают разные способы добычи. Если глубина небольшая и под землёй нет скоплений газов, мешающих добыче, то материал добывают открытым способом: убирают пласты пород и, находя руду, содержащую серу, отправляют её на переработку. Но если эти условия не соблюдены и есть опасности, то применяют скважинный метод. В нём необходимо, чтобы достигалась температура плавления серы. Для этого применяют специальные установки. Аппарат для плавления комовой серы в этом способе просто необходим. Но об этом процессе -немного позднее.
Вообще при добыче серы любым способом существует большой риск отравления, потому как чаще всего вместе с ней залегают сероводород и сернистый газ, которые очень опасны для человека.
Чтобы лучше понять, какими недостатками и достоинствами обладает тот или иной способ, ознакомимся с методами переработки серосодержащей руды.
Извлечение
Тут тоже есть несколько приёмов, основанных на совершенно разных свойствах серы. Среди них выделяют термические, экстракционные, пароводяные, центрифугальные и фильтрационные.
Самые проверенные из них - термические. Они основаны на том, что температуры кипения и плавления серы ниже, чем у руд, в которые она "вклинивается". Проблема только в том, что расходуется много энергии. Для поддержания температуры раньше приходилось сжигать часть серы. Несмотря на всю простоту, этот метод малоэффективен, и потери могут доходить до рекордных 45 процентов.
Мы идём по ветке исторического развития, поэтому переходим к пароводяному методу. В отличие от термических эти способы до сих пор используются на многих фабриках. Как ни странно, основаны они на том же свойстве - отличии температуры кипения и плавления серы от аналогичных показателей для сопутствующих металлов. Разница состоит лишь в том, каким образом происходит нагрев. Весь процесс идёт в автоклавах - специальных установках. Туда подаётся обогащённая серная руда, содержащая до 80 % добываемого элемента. Затем под давлением в автоклав закачивается горячий водяной пар. Разогреваясь до 130 градусов по Цельсию, сера плавится и выводится из системы. Конечно, остаются и так называемые хвосты - частички серы, плавающие в воде, образовавшейся благодаря конденсированию водяного пара. Их удаляют и вновь пускают в процесс, так как там тоже содержится немало нужного нам элемента.
Один из самых современных методов - центрифужный. К слову, разработан он в России. Если кратко, суть его в том, что расплав смеси серы и минералов, которым она сопутствует, погружается в центрифугу и раскручивается с большой скоростью. Более тяжёлая порода за счёт центробежной силы стремится от центра, а сама сера остаётся выше. Затем полученные слои просто отделяют друг от друга.
Есть ещё один метод, который тоже по сей день используется на производствах. Заключается он в отделении серы от минералов через специальные фильтры.
В этой статье мы рассмотрим исключительно термические методы извлечения несомненно важного для нас элемента.
Процесс плавления
Исследование теплообмена при плавлении серы - важный вопрос, потому как это один из самых экономичных способов добычи этого элемента. Мы можем комбинировать параметры системы при нагревании, и нам необходимо вычислить их оптимальное сочетание. Именно для этого проводится исследование теплообмена и анализ особенностей процесса плавления серы. Существует несколько видов установок для осуществления этого процесса. Котёл для плавления серы - одна из них. Получение искомого элемента с помощью этого изделия - лишь вспомогательный способ. Однако сегодня есть специальная установка - аппарат для плавления комовой серы. Он может эффективно использоваться на производстве для получения высокочистой серы в большом объёме.
Для вышеизложенной цели в 1890 году была изобретена установка, позволяющая плавить серу на глубине и выкачивать на поверхность с помощью трубы. Её конструкция достаточно проста и эффективна в действии: две трубы находятся друг в друге. По внешней трубе циркулирует перегретый до 120 градусов (температура плавления серы) пар. Конец внутренней трубы достаёт до залежей нужного нам элемента. Нагреваясь водой, сера начинает плавиться и выходить наружу. Всё достаточно просто. В современном варианте установка содержит ещё одну трубу: она находится внутри трубы с серой, и по ней идёт сжатый воздух, который заставляет расплав подниматься быстрее.
Есть ещё несколько методов, и в одном из них достигается температура плавления серы. Под землю опускают два электрода и пускают по ним ток. Так как сера - типичный диэлектрик, она не проводит ток и начинает сильно нагреваться. Таким образом она плавится и с помощью трубы, как и в первом способе, выкачивается наружу. Если серу хотят направить на производство серной кислоты, то её поджигают под землёй и выводят полученный газ наружу. Его доокисляют до оксида серы (VI), а потом растворяют в воде, получая конечный продукт.
Мы разобрали плавление серы, установки плавления серы и способы её добычи. Теперь пришла пора выяснить, зачем нужны столь сложные методы. На самом деле анализ процесса плавления серы и система контроля температуры нужны для того, чтобы хорошо очистить и эффективно применить конечный продукт добычи. Ведь сера - один из важнейших элементов, играющих ключевую роль во многих сферах нашей жизни.
Применение
Бессмысленно говорить, где применяются соединения серы. Проще сказать, где они не применяются. Сера есть в любой резине и резиновых изделиях, в газе, который подаётся в дома (там он нужен для идентификации утечки в случае таковой). Это самые бытовые и простые примеры. На самом деле сфер применения серы бесчисленное множество. Перечислить их все просто нереально. Но если мы возьмёмся делать это, окажется, что сера - один из самых необходимых для человечества элементов.
Заключение
Из этой статьи вы узнали, какая температура плавления у серы, чем этот элемент так важен для нас. Если вы заинтересованы в этом процессе и его изучении, то наверняка почерпнули для себя что-то новое. Например, это могут быть особенности плавления серы. В любом случае нет предела совершенству, и никому из нас не помешают знания процессов, происходящих в промышленности. Вы можете самостоятельно продолжить освоение технологических тонкостей процессов добычи, извлечения и переработки серы и других элементов, содержащихся в земной коре.
