Аллотропия - удивительное свойство некоторых химических элементов существовать в разных физических формах. Сера проявляет это свойство особенно ярко, имея сразу несколько стабильных модификаций. Давайте разберемся, в чем их особенности и отличия, где они встречаются в природе и технике. Это поможет лучше понять свойства самого элемента серы.
Сера в периодической системе
В периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева сера находится в шестой группе (группа кислорода или халькогенов), третьем периоде. Это типичный представитель неметаллов. Атом серы имеет 16 протонов и 16 электронов, которые распределены по электронным оболочкам следующим образом:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
На внешнем энергетическом уровне находится 6 электронов. Это валентные электроны, с помощью которых атом серы образует химические связи с другими атомами. В соединениях сера проявляет степени окисления от -2 до +6, наиболее характерны -2, +4 и +6.
Природные источники серы
В земной коре сера довольно распространена, по содержанию элемент занимает 16 место. Встречается как в свободном виде, так и в составе минералов и горных пород. Крупнейшими месторождениями самородной серы являются:
- США (штат Техас)
- Канада
- Мексика
- Польша
- Россия (Поволжье)
Основные серосодержащие минералы:
- Пирит FeS2
- Сфалерит ZnS
- Галенит PbS
- Киноварь HgS
Сера входит в состав многих белков живых организмов, играет важную биологическую роль. В организме взрослого человека содержится около 140 г серы. Суточная потребность составляет 1 г. Богаты серой такие продукты как фасоль, горох, чеснок, пшеница, мясо, рыба.
Общая характеристика аллотропных модификаций серы
Аллотропия - способность химического элемента существовать в двух и более простых веществах с различными физическими свойствами. У серы известно несколько аллотропных модификаций. Все они имеют молекулярное строение S8, то есть представляют собой циклические молекулы, состоящие из 8 атомов. Однако кристаллические решетки разных модификаций отличаются, что и определяет их физические различия.
Ромбическая сера
Наиболее распространенная и устойчивая при нормальных условиях форма серы. Имеет ромбическую кристаллическую решетку, желтый цвет, плотность 2,07 г/см3. Температура плавления 113°С. Хорошо растворима в органических растворителях.
Благодаря физико-химической стойкости ромбическую серу широко используют в различных отраслях промышленности. Например, в производстве:
- Серной кислоты
- Каучуков
- Спичек
- Порохов и пиротехники
- Фунгицидов и инсектицидов
Моноклинная сера
При нагревании ромбической серы выше 95°С она переходит в моноклинную модификацию. Кристаллическая решетка становится моноклинной, цвет темно-желтый с красноватым оттенком. Температура плавления 119°С, плотность несколько ниже - 1,96 г/см3. Моноклинная сера хорошо растворяется в сероуглероде CS2.
Любопытный факт: если расплавленную серу быстро охладить, образуются тонкие темные иглы моноклинной модификации длиной до нескольких сантиметров.
В отличие от ромбической разновидности, моноклинная сера гораздо менее стабильна при комнатной температуре. Поэтому промышленного применения практически не находит. Иногда ее используют в научных целях благодаря хорошей растворимости в органике.
Таким образом, в первой части статьи мы рассмотрели положение серы в периодической системе, природные источники этого элемента, дали общую характеристику аллотропным модификациям и более детально описали свойства двух наиболее важных форм - ромбической и моноклинной серы.
Пластические модификации серы
Еще одна разновидность серы, отличающаяся по строению и свойствам - пластическая сера. В отличие от кристаллических модификаций, она представляет собой аморфное вещество с резиноподобной структурой. Цвет коричневый, консистенция напоминает пластилин.
Пластическую серу получают при быстром охлаждении расплава серы с температурой выше 160°С. При обычных условиях эта аллотропная форма неустойчива и со временем превращается в ромбическую серу. Но перед кристаллизацией пластическую серу можно использовать для изготовления различных серных изделий - статуэток, барельефов, медальонов.
Взаимные превращения разных форм серы
Как мы видели, аллотропные модификации серы могут переходить друг в друга. Эти превращения происходят при определенных условиях.
| Переход | Условия |
| Ромбическая → Моноклинная | Нагревание выше 95°С |
| Моноклинная → Ромбическая | Охлаждение ниже 95°С |
| Расплав → Пластическая | Быстрое охлаждение расплава |
| Пластическая → Ромбическая | Выдерживание при комнатной температуре |
Знание закономерностей этих превращений важно для получения серы с нужными свойствами и предотвращения нежелательных переходов при ее хранении или использовании.
Получение технической серы
В промышленных масштабах серу производят следующими основными способами:
- Выплавка из природных залежей самородной серы
- Обжиг серных руд (пирита FeS2 и др.)
- Переработка сероводорода H2S и сульфидов
При этом условия процесса (температура, скорость охлаждения) подбирают таким образом, чтобы получалась именно ромбическая модификация - наиболее технологичная и востребованная в промышленности.
Перспективы дальнейшего изучения
Несмотря на многолетнее изучение аллотропных модификаций серы, остается еще много нерешенных вопросов. Ученые продолжают исследовать возможность существования новых, пока неизвестных кристаллических и аморфных форм этого элемента. Особый интерес представляет изучение серы при экстремально высоких давлениях, характерных для недр планет.
Особые свойства пластической серы
Помимо неустойчивости, пластическая сера обладает рядом уникальных свойств. В отличие от других модификаций, она хорошо проводит электрический ток. Этим свойством можно воспользоваться, например, чтобы сделать серные барельефы проводящими для создания оригинальных световых панелей и декоративных элементов.
Способы стабилизации пластической серы
Чтобы предотвратить быструю кристаллизацию пластической серы и сохранить ее свойства, применяют различные методы стабилизации:
- Добавление 5-10% сероуглерода CS2
- Легирование теллуром в количестве 0,1-0,5%
- Обработка α-лучами для сшивания полимерных цепей
Такие приемы позволяют значительно замедлить переход в кристаллическое состояние и расширить возможности использования пластической серы.
Применение различных модификаций серы
Каждая аллотропная модификация серы благодаря своим уникальным характеристикам находит специфическое применение:
- Ромбическая - производство кислот, каучуков, боеприпасов
- Моноклинная - научные исследования
- Пластическая - художественные изделия, серные отливки
Поэтому знания об особенностях разных аллотропных форм этого элемента очень важны как для фундаментальной науки, так и для различных областей практической деятельности человека.
Перспективы практического использования
Дальнейшее изучение природы аллотропных превращений серы, возможно, позволит найти способы получения ее новых модификаций со специфическими физико-химическими или электрическими свойствами. Это откроет дополнительные перспективы применения этого удивительного элемента в современных технологиях - оптоэлектронике, сенсорике, гибкой электронике.
