Сера - один из самых распространенных элементов на Земле. Она входит в состав многих природных соединений и играет важную роль в жизни растений, животных и человека. В этой статье мы подробно рассмотрим, какие степени окисления проявляет сера в разных соединениях - от -2 до +6.
Сера в природе
Сера широко распространена в земной коре, ее среднее содержание составляет около 0,05% по массе. Основные природные источники серы:
- Вулканическая деятельность. Извержения вулканов выбрасывают в атмосферу соединения серы, такие как сернистый газ SO2.
- Минералы. Сера встречается в виде самородной серы и в составе сульфидов, сульфатов, полисульфидов.
- Биосфера. Многие организмы аккумулируют серу в процессе жизнедеятельности. Так образуются залежи биогенной серы.
В геологической истории Земли сера играла важную роль. Выбросы сернистых газов извергающимися вулканами формировали первичную атмосферу нашей планеты. Соединения серы участвуют в круговороте веществ в биосфере. Сера входит в состав многих биологически важных соединений.
Физические и химические свойства серы
В чистом виде сера представляет собой твердое вещество желтого цвета. Она существует в нескольких аллотропных модификациях. Ромбическая сера имеет плотность 2,07 г/см3 и температуру плавления 112,8°C. Моноклинная модификация отличается плотностью 1,96 г/см3 и температурой плавления 119,3°C.
Жидкая сера представляет собой вязкую маслянистую жидкость желтого цвета. Температура кипения серы составляет 444,6°C. Сера практически не растворяется в воде, но хорошо растворяется в таких органических растворителях, как бензол, сероуглерод, толуол. Сера обладает высокой химической активностью. Она легко взаимодействует при нагревании с большинством химических элементов, образуя соединения.
Электронное строение и валентность серы
В основном состоянии атом серы имеет электронную конфигурацию 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4. Наличие неспаренных электронов в 3p-подуровне объясняет способность серы проявлять различные степени окисления от -2 до +6. Это связано с возможностью отдавать электроны для образования ковалентных связей или принимать электроны для заполнения вакантных орбиталей.
Химические свойства серы сильно зависят от ее валентности в конкретном соединении. Чем выше степень окисления, тем сера проявляет бóльшую электроотрицательность и образует более прочные связи.
Степень окисления -2
Степени окисления серы в -2 проявляются в сульфидах, гидросульфидах, сульфидокислотах и других соединениях, где сера выступает как восстановитель:
- Сульфиды: FeS, ZnS, PbS
- Гидросульфиды: NaHS, KHS
- Сульфидокислоты: H2S2, H2S3
Например, сероводород H2S можно получить пропусканием паров серы через раскаленный уголь. Происходит реакция:
S + H2 → H2S
Сульфиды металлов образуются при взаимодействии серы с металлами. К примеру, при нагревании железа с серой происходит реакция:
Fe + S → FeS
Соединения серы со степенью окисления -2 играют важную роль в биохимических процессах. Они входят в состав аминокислот цистеина и метионина, а значит, присутствуют в белках.
Степень окисления +4
Степени окисления серы в +4 проявляются в тетраоксиде серы SO2, тиосульфате натрия Na2S2O3 и некоторых других соединениях.
Тетраоксид серы(IV) или сернистый ангидрид SO2 получают промышленным сжиганием серы на воздухе:
S + O2 → SO2
Из SO2 можно получить сернистую кислоту H2SO3 и сульфиты, например:
SO2 + H2O → H2SO3
SO2 + 2NaOH → Na2SO3 + H2O
Соединения серы(IV) находят применение как восстановители и обесцвечивающие реагенты.
Степень окисления +6
Максимальная степень окисления +6 проявляется сере в серной кислоте H2SO4 и сульфатах. Серный ангидрид SO3 получают окислением SO2. Затем по реакции:
SO3 + H2O → H2SO4
образуется серная кислота, один из важнейших промышленных продуктов. Она находит широкое применение в производстве удобрений, красителей, взрывчатых веществ. Сульфаты также играют большую роль в промышленности и сельском хозяйстве. Например, сульфат аммония (NH4)2SO4 используется как азотное удобрение.
Аналитическое определение серы
Для качественного определения серы используют такие реакции:
- Образование сероводорода H2S с металлами
- Реакция с NaOH с образованием сульфидов
- Реакция с Pb(CH3COO)2 с образованием черного осадка PbS
Количественное определение серы проводят гравиметрическим или титриметрическим методом. Например, осаждением в виде сульфата бария BaSO4 с последующим взвешиванием.
Экологические аспекты
Соединения серы могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Например, сернистый газ SO2, выделяющийся при сжигании топлива, загрязняет атмосферу.
Для очистки выбросов от оксидов серы применяют мокрые известняковые или доломитовые скрубберы. Также используют каталитическое окисление SO2 до SO3 с последующей нейтрализацией.
Существуют нормативы предельно допустимых концентраций серосодержащих соединений для атмосферного воздуха населенных мест.
Исторические факты
Сера известна человеку с древнейших времен. Еще в Библии упоминается использование серы при религиозных обрядах для окуривания. В алхимии сера рассматривалась как одно из важных веществ наряду с ртутью. Считалось, что все металлы состоят из серы и ртути.
Сера применялась в древнем Китае для изготовления пиротехнических составов. А в византийской империи на основе серы был создан легендарный "греческий огонь". В 1789 году Антуан Лавуазье доказал, что сера является химическим элементом. А в 1822 году Эйльхард Мичерлих открыл явление аллотропии серы.
Применение в медицине
Соединения серы используются в медицине благодаря их противомикробному и противогрибковому действию. Сера применяется наружно в виде мазей и порошков для лечения кожных заболеваний - псориаза, дерматитов, себореи.
Серосодержащие препараты используют для борьбы с паразитарными инфекциями, в частности с чесоткой. Растворы серы иногда применяют внутрь как слабительное средство.
Перспективы
Химия серы продолжает активно развиваться. Ведутся исследования по созданию новых материалов на основе соединений серы, в том числе полимеров, катализаторов, лекарств.
Перспективно использование серы в нанотехнологиях для получения серосодержащих наночастиц с уникальными свойствами. Также ведутся работы по разработке более экологичных и энергоэффективных способов промышленного производства серы из природного и техногенного сырья.
Сера в искусстве
Несмотря на токсичность, соединения серы находили применение в изобразительном искусстве. Сульфид ртути HgS использовался художниками в живописи как красный пигмент - киноварь. Известно применение киновари еще в пещерной живописи.
Сера входила в состав клеевых составов для золочения, применявшихся при создании икон, церковной утвари. При возгонке серы образуются пары различной окраски, это свойство использовалось в "огненной живописи".
Сера в косметологии
Серосодержащие соединения применяются в производстве средств личной гигиены и косметических препаратов. Сера входит в состав некоторых шампуней, применяется для лечения перхоти и себореи.
Косметические маски с добавлением коллоидной серы оказывают очищающее и отбеливающее действие на кожу. Сульфид селена используется в качестве антиоксиданта в средствах по уходу за кожей.
Сера в сельском хозяйстве
Соединения серы применяются в сельском хозяйстве в качестве пестицидов и удобрений. Элементарная сера и полисульфиды используются для борьбы с грибковыми болезнями растений.
Серная кислота входит в состав многих жидких комплексных удобрений в качестве подкислителя. Сульфат аммония является азотным удобрением, содержащим серу в форме сульфат-иона.
Биологическая роль серы
Сера играет важную роль в процессах жизнедеятельности организмов. Она входит в состав некоторых аминокислот, витаминов, ферментов. Серасодержащие аминокислоты цистеин и метионин незаменимы для человека и животных. Они участвуют в построении белков.
Витамины биотин и тиамин также содержат серу в своем составе. Они выполняют различные биологические функции. Многие ферменты содержат остатки цистеина, серосодержащие группы играют большую роль в их активности.
Метаболизм серы
В организме сера претерпевает сложные биохимические превращения, включающие реакции окисления-восстановления. Растения потребляют серу в виде сульфатов, восстанавливая ее до органических форм с минимальной степенью окисления.
Животные получают органически связанную серу с пищей. В печени идут процессы окисления серосодержащих соединений. Конечным продуктом метаболизма серы являются неорганические сульфаты, выводимые из организма.
Недостаток и избыток серы
Дефицит серы в организме человека встречается редко, но приводит к серьезным нарушениям. Симптомами недостатка серы являются потеря аппетита, замедление роста, нарушение структуры волос и ногтей.
Избыток соединений серы также нежелателен. При отравлении сероводородом возможен летальный исход. Повышенное содержание серы в воде и почве приводит к гибели растений и животных.
