Сера в химии: подготовка к ЕГЭ (формула, химические свойства, подробное описание и происхождение)

Сера – химический элемент и простое вещество

Сера — химический элемент главной подгруппы VI группы периодической системы элементов.

Эту подгруппу также называют халькогенами. Это название происходит от двух греческих слов: «халкос», что в разных переводах означает «медь» или «минерал», и «генос», «рожаю».

Кислород и сера — элементы, входящие в состав многих металлических минералов.

Русское слово «сера» восходит к древнеславянским корням, обозначавшим горючие вещества, смолы.

Латинская сера, вероятно, происходит от индоевропейского swelp — «гореть».

С древних времен храмовые жрецы использовали серу во время ритуалов; он считался продуктом существ из мира духов.

Еще в Древней Греции серу использовали в военных действиях — она входила в состав знаменитого «греческого огня».

Алхимики считали серу отцом всех металлов, и теперь мы знаем, почему: большинство металлических руд являются именно сульфидами.

Во внешней электронной оболочке серы шесть электронов, два из которых неспаренные, поэтому сера может принять два электрона, демонстрируя степень окисления -2, действуя как окислитель.

Но из-за отщепления оставшихся четырех электронов на подуровень 3d максимальная степень окисления серы в соединениях с более сильными окислителями (фтор, кислород, хлор) равна +6.

Химически сера очень активна, но все же встречается в природе в виде простого вещества (самородная сера).

Основным источником самородной серы являются вулканический пепел и породы вулканического происхождения.

В большинстве случаев сера встречается в природе в виде соединений:

• пирит (железный колчедан) FeS2
• медное свечение CuS
• znS цинковая обманка
• гипс CaS04
• киноварь HgS

Большое количество серы содержится в морской воде в виде английской соли MgSO4, именно это придает морской воде горьковатый привкус.

Сера образует три простых вещества (аллотропные модификации):

• ромбический
• моноклинический
• пластик

Ромбическая сера

Наиболее устойчивое и хрупкое вещество желтого цвета.

Это именно та сера, которую мы все привыкли видеть. Сера часто встречается в аптечках (используется как пищевая добавка, а также как наружное средство при кожных заболеваниях), а также используется в сельском хозяйстве для окуривания растений от паразитов и грибков.

Моноклинная сера

Менее стабильная модификация, образующаяся при медленном охлаждении расплавленной серы.

Пластиковая сера

Нестойкий, его можно получить, если расплавленную серу резко охладить (например, вылить в холодную воду).

Моноклинные и пластические модификации со временем самопроизвольно переходят в ромбические.

У меня есть дополнительная информация для этой части руководства!

Аллотропия (от греч allos «другой» и tropos «оборот, свойство») — существование веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам, так называемые аллотропные модификации или формы.

Явление аллотропии обусловлено различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава) или тем, как атомы или молекулы расположены в кристаллической решетке (аллотропия формы).

История и происхождение названия

История открытия

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

Жрецы использовали серу в составе священных благовоний во время религиозных обрядов. Это считалось делом рук сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов.

Давным-давно серу стали использовать в составе различных топливных смесей военного назначения. Уже Гомер описывает «сернистые пары», смертельный эффект сжигания выделений серы. Сера, вероятно, была частью «греческого огня», наводившего ужас на противников.

Примерно с 8 века китайцы стали использовать его в пиротехнических смесях, в частности, в смесях типа пороха. Горючесть серы, легкость ее соединения с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности металлических деталей) объясняет, почему она считалась «принципом горючести» и обязательным компонентом металлических руд.

Пресвитер Феофил (12 век) описывает метод окислительного обжига медносульфидной руды, вероятно, известный в Древнем Египте.

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

Позже он стал одним из трех принципов алхимиков, а позже «принцип горючести» лег в основу теории флогистона. Элементарная природа серы была установлена ​​Лавуазье в его опытах по горению.

С появлением в Европе пороха началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа ее получения из пирита; последний был распространен в Древней Руси. Впервые в литературе он описан Агриколой.

Происхождение названия

Слово «сера», известное в древнерусском языке с XV века, заимствовано из древнеславянского «сера» — «сера, смола», вообще «горючее вещество, жир». Этимология слова до настоящего времени не выяснена, так как первоначальное общеславянское название вещества утеряно, а в современный русский язык слово попало в искаженном виде.

По Фасмеру, «сера» восходит к лат.serums — «воск» или лат.serum — «сыворотка».

Латинское слово сера (происходящее от эллинизированного написания этимологического слова sulpur) предположительно происходит от индоевропейского корня *swelp, «гореть».

Сера в природе

Крупные скопления самородной серы (содержание >25%) редки, встречаются в местах вулканической активности, сопровождаются сернистыми фумаролами и сернистыми водами.

Серные руды разрабатываются в самородных месторождениях серы, добываемых из сульфидных руд и промышленных газов.

Серобактерии могут окислять сероводород при разложении органических отходов до серы и накапливать ее.

Природные минералы серы

Сера является шестнадцатым по распространенности элементом в земной коре. Встречается в свободном (нативном) состоянии и в связанной форме.

Важнейшие природные минералы серы: FeS2 — железный пирит или пирит, ZnS — цинковая обманка или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск или галенит, HgS — киноварь, Sb2S3 — антимонит, Cu2S — халькозин, CuS — ковеллит, CuFeS2 — халькопирит . Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера является шестым элементом природных вод, встречается в основном в виде сульфат-иона и определяет «постоянную» жесткость пресной воды. В волосах сосредоточен жизненно важный для высших организмов элемент, составная часть многих белков.

Строение атома серы

В атоме серы 16 электронов (рис. 51), из них 6 электронов находятся на внешней электронной оболочке:

В соединениях с металлами и водородом сера обычно имеет степень окисления -2, например
— сульфид алюминия. В соединениях с более электроотрицательными элементами (F, O, N, Cl, Br) атомы серы проявляют положительные степени окисления, чаще всего +4 и +6, например
— оксид серы(IV),
— фторид серы (VI).

Свойства

Физические свойства

Сера представляет собой кристаллическое соединение, которое при нагревании принимает пластичную форму. Цвет неметалла варьируется от ярко-желтого до коричневого. Модификации серы зависят от количества атомов серы в молекуле.

Сера является слабым проводником тепла и электричества. С водой не взаимодействует, но хорошо растворяется в органических растворителях: феноле, бензоле, аммиаке, сероуглероде.

В природе сера встречается в виде самородков и в составе минералов, полезных ископаемых и горных пород. Сера содержится в сульфидах, сульфатах, углях, нефти, газе. Сера накапливается бактериями, перерабатывающими сероводород.

Химические свойства

Сера — активный элемент, взаимодействует при нагревании почти со всеми элементами, кроме инертных газов и N2, I2, Au, Pt, с соляной кислотой сера не взаимодействует. Основные реакции серы с элементами описаны в таблице.

Сера входит в состав белков. В волосах накапливается большое количество серы.

Фазовая диаграмма серы

Элементарная кристаллическая сера может существовать в виде двух аллотропных модификаций (энантиотропии серы) — ромбической и моноклинной, — то есть сера диморфна, поэтому для элементарной серы возможны четыре фазы: твердая ромбическая, твердая моноклинная, жидкая и газообразная, а на диаграмме состояния серы (см рисунок; для давления используется логарифмическая шкала) имеются два поля твердой фазы: ромбическая область серы и моноклинная область существования серы (треугольник ABC).

На фазовой диаграмме серы:

• DA – линия возгонки ромбической серы Sp, описывающая температурную зависимость давления насыщенных паров серы Sp над твердой ромбической серой;
• AS – линия возгонки моноклинной серы Sm, описывающая температурную зависимость давления паров насыщения серы над твердой моноклинной серой;
• CF – линия испарения жидкой серы Sl, описывающая зависимость давления насыщенных паров серы от температуры над расплавом серы;
• АВ — линия полиморфного превращения ромбической серы <—> моноклинной серы, описывающая температурную зависимость фазового перехода между ромбической и моноклинной серой от давления;
• BE – линия плавления орторомбической серы, описывающая зависимость температуры плавления орторомбической серы от давления;
• CB – 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:

• АО – линия возгонки перегретой ромбической серы;
• ВО – линия плавления перегретой ромбической серы;
• СО – линия испарения переохлажденной жидкой серы;

Фазовая диаграмма серы имеет три стабильные тройные точки и одну метастабильную тройную точку, каждая из которых удовлетворяет условиям трехфазного термодинамического равновесия:

• точка А (необязательно): баланс ромбической твердой, моноклинной твердой и газообразной серы;
• точка Б (необязательно): баланс ромбической твердой, моноклинной твердой и жидкой серы;
• точка С (основная): баланс моноклинной твердой, расплавленной и газообразной серы;
• точка O (метастабильная): метастабильное равновесие между перегретым ромбическим твердым телом, переохлажденной жидкостью и газообразной серой.

Как показывает фазовая диаграмма, ромбическая сера не может одновременно находиться в равновесии с расплавом и паром серы, поэтому в главной тройной точке (когда равновесные фазы находятся в разных агрегатных состояниях) твердая фаза представлена ​​моноклинной серой. Метастабильная тройная точка возникает из-за низкой скорости превращения одной модификации кристалла серы в другую.

Получение и применение серы

В промышленных масштабах серу получают из природных месторождений самородной серы. Сера является сырьем для производства серной кислоты. Е1 используется в бумажной промышленности, в сельском хозяйстве, при производстве каучука, красителей, пороха и т.д. Сера нашла широкое применение в медицине, например, сера входит в состав различных мазей и присыпок, применяемых при кожных заболеваниях, а вскоре

Биологическая роль

Сера является одним из биогенных элементов. Сера входит в состав некоторых аминокислот (цистеин, метионин), витаминов (биотин, тиамин), ферментов. Сера участвует в формировании третичной структуры белка (образование дисульфидных мостиков). Сера также участвует в бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, а сероводород — источник водорода). Окислительно-восстановительные реакции серы являются источником энергии для хемосинтеза.

В организме человека содержится примерно 2 г серы на 1 кг массы тела.

Биологическое действие

Чистая сера не ядовита, но ядовиты многие летучие серосодержащие соединения (двуокись серы, двуокись серы, сероводород и др.).

Пожароопасные свойства серы

Тонкоизмельченная сера склонна к самопроизвольному химическому возгоранию в присутствии влаги, при контакте с окислителями, а также в смесях с углем, жирами и маслами. Сера образует взрывоопасные смеси с нитратами, хлоратами и перхлоратами. Он самовозгорается при контакте с отбеливателем.

Средства пожаротушения: водяная струя, воздушно-механическая пена.

По У. Маршаллу серная пыль относится к категории взрывоопасных, но для взрыва необходима достаточно высокая концентрация пыли — около 20 г/м³ (20 000 мг/м³), эта концентрация во много раз превышает предельно допустимую для человек в воздухе рабочей зоны — 6 мг/м³.

Пары образуют с воздухом взрывоопасную смесь.

Горение серы происходит только в расплавленном состоянии, аналогично горению жидкостей. Верхний слой горящей серы кипит, создавая пары, образующие слабо светящееся голубое пламя высотой до 5 см. Температура пламени при горении серы 1820°С.

Так как воздух по объему состоит примерно из 21% кислорода и 79% азота, а при сжигании серы из одного объема кислорода получается один объем SO2, то максимально теоретически возможное содержание SO2 в смеси газов составляет 21%. На практике горение происходит при некотором избытке воздуха, а объемное содержание SO2 в газовой смеси ниже теоретически возможного, обычно 14—15 %.

Обнаружение горения серы автоматическими системами пожаротушения представляет собой сложную задачу. Пламя трудно обнаружить человеческим глазом или видеокамерой, спектр синего пламени находится в основном в ультрафиолетовом диапазоне. Тепло, выделяемое при пожаре, приводит к более низкой температуре, чем при пожарах с участием других обычных горючих веществ. Для обнаружения горения тепловым детектором необходимо расположить его непосредственно возле серы. Пламя серы не излучает в инфракрасном диапазоне. Поэтому оно не будет обнаружено обычными инфракрасными детекторами. Они будут обнаруживать только вторичные возгорания. Пламя серы не выделяет водяного пара. Поэтому ультрафиолетовые датчики пламени, в которых используются соединения никеля, работать не будут.

Ультрафиолетовые детекторы на основе молибдена используются для эффективного обнаружения пламени. Они имеют диапазон спектральной чувствительности от 1850 до 2650 ангстрем, что достаточно для обнаружения горения серы.

Пожары на складах серы

В декабре 1995 года на открытом хранилище серы, расположенном в городе Сомерсет-Уэст, Западный Кейп, Южная Африка, вспыхнул крупный пожар, в результате которого погибли два человека.

16 января 2006 года около 17 часов на череповецком предприятии «Аммофос» загорелся склад с серой. Общая площадь возгорания составляет около 250 квадратных метров. Полностью снять его удалось только в начале второй ночи. Жертв и пострадавших нет.

15 марта 2007 г ранним утром на ООО «Балаковский завод волокнистых материалов» возник пожар на закрытом складе серы. Площадь возгорания составила 20 м2. На пожаре работали 4 пожарных расчета с расчетом 13 человек. Пожар был потушен примерно за полчаса. Никакого ущерба.

4 и 9 марта 2008 года в Атырауской области на складе серы ТШО на месторождении Тенгиз произошел пожар серы. В первом случае пожар был быстро потушен, во втором сера горела 4 часа. Масса сжигаемых отходов нефтепереработки, в состав которых по законодательству Казахстана входит сера, составила более 9 тонн.

В апреле 2008 года возле поселка Кряж Самарской области загорелся склад, где хранилось 70 тонн серы. Пожару присвоена вторая категория сложности. На место выехали 11 пожарных расчетов и спасатели. В то время, когда пожарные находились возле склада, горела еще не вся сера, а только небольшая часть — около 300 килограммов. Площадь освещения вместе с участками сухой травы, прилегающими к погребу, составила 80 квадратных метров. Пожарным удалось быстро потушить пламя и локализовать возгорание: пожары были засыпаны землей и залиты водой.

В июле 2009 года в Днепродзержинске сожгли серу. Пожар произошел на одном из коксохимических заводов в Баглейском районе города. Огонь охватил более восьми тонн серы. Никто из работников завода не пострадал.

В конце июля 2012 года под Уфой в поселке Тимашево загорелся склад серой площадью 3200 квадратных метров. На место происшествия выехало 13 единиц техники, в тушении пожара участвовал 31 пожарный. Атмосферный воздух был загрязнен продуктами горения. Погибших и раненых нет.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2