Общая характеристика серы

В группе VIA к широко известным и распространенным в природе химическим элементам относится также сера. В земной коре сера находится в виде целого ряда минералов, образующих богатые залежи. Нередко встречается самородная сера, т.с. простое вещество S (S₈). Очень распространены соединения серы с металлами. Многие из них наиболее ценны как руды для получения металлов: свинцовый блеск PbS, цинковая обманка ZnS, медный блеск CuS и др. Минерал пирит FeS₂ (железный колчедан), образующий кубические кристаллы цвета латуни, служит главным образом как сырье для получения серной кислоты.

Большое распространение имеют также некоторые сульфаты. Минералы гипс и ангидрит (кристаллогидрат CaS0₄ • 2Н₂0 и безводный сульфат кальция) образуют местами целые горы. Сульфаты магния и натрия содержатся в морской воде. Прозрачные кристаллы образует сульфат стронция SrS0₄ — целестин. Барит, или тяжелый шпат BaS0₄, широко применяется для производства белил и как наполнитель в бумажной и резиновой промышленности. Например, слой барита наносится на фотобумагу. В значительном количестве сера содержится в каменном угле и при его сжигании попадает в атмосферу. В воздухе постоянно присутствует оксид cepbi (IV) S0₂. Если бы эта сера извлекалась из продуктов сжигания угля, то появилась бы возможность резко сократить добычу традиционных серных руд. Одновременно уменьшилось бы вредное воздействие S0₂ на растительность и пресные водоемы. Сера всегда имеется в белках, так как аминокислоты цистеин и метионин содержат серу. Общая масса серы в организме человека -120 г.

Мировая добыча серы превышает 60 млн т. Более половины этого количества идет на производство серной кислоты, а остальное — на производство сульфитов, резины, средств борьбы с вредителями в сельском хозяйстве.

Природная сера состоит из четырех устойчивых изотопов, причем 95% в этой смеси приходится на изотоп По химическим свойствам сера не проявляет значительного сходства с кислородом. Главное, что сближает эти два элемента — это двухвалентное состояние в соединениях с большинством химических элементов. При этом следует отметить, что в соединениях между кислородом и серой кислород остается двухвалентным, а сера может быть четырехи шести валентной. Высшие валентные состояния серы возможны благодаря наличию свободного 3</-подуровня, на орбитали которого переходят один или два электрона атома серы с 35- и Зр-подуровней:

Одним из важных и характерных свойств атомов серы является способность образовывать цепочки:

Если атомы кислорода соединяются в цепочки нс более чем из трех атомов (в молекуле озона), то сера при определенных условиях дает цепочки из сотен тысяч атомов. Два связанных между собой атома серы -8−8- часто служат перемычкой внутри белковой молекулы.

Сера. Простые вещества

Сера как простое вещество образует несколько разновидностей. Обычная сера — желтое кристаллическое хрупкое вещество, называемое ромбической серой. Встречаются красивые кристаллы природной серы в местах выхода вулканических газов (Камчатка, Курильские острова). Ромбическая сера, устойчивая при обычных условиях, плавится при 112,8°С. Но жидкая сера при 119 °C начинает кристаллизоваться в виде темпо-желтых игольчатых кристаллов моноклинной системы. Таким образом, сера образует две разные твердые фазы, но ниже 112,8°С устойчива ромбическая сера. Температура кипения серы — 444,6°С. Сера не растворяется в воде, но растворяется в сероуглероде и бензоле.

Твердая сера и ее растворы состоят из молекул 8₈. Это кольцевые молекулы, по форме напоминающие корону (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Строение молекулы серы.

При написании химических реакций молекулярное строение серы обычно не учитывают и записывают ее в виде атомов. Выше температуры плавления сера постепенно темнеет и при ~250°С превращается в вязкую массу красно-бурого цвета, состоящую из очень длинных цепочек 8_Я.

Выше 300 °C сера снова становится подвижной жидкостью. Кипящая сера образует оранжево-желтые пары. В парах серы содержатся молекулы Б₈, 5_б, 8₄ и $₂. Молекулы 5₂ по структуре близки к молекулам кислорода 0₂.

Если расплавленную серу, нагретую до кипения, вылить в холодную воду (рис. 19.4), то она превращается в коричневую мягкую резиноподобную массу, растягивающуюся в нити. Эта разновидность серы называется пластической серой. Она состоит из зигзагообразных очень длинных молекул Б, где п достигает 100 000 и более. Через непродолжительное время пластическая сера становится хрупкой, приобретает желтый цвет и постепенно превращается в ромбическую серу 5₈.

Рис. 19.4. Получение пластической серы.

Серу добывают непосредственно из природных месторождений. Добытую серу для очистки перегоняют в специальных рафинировочных печах. Сначала пары серы поступают в большую кирпичную камеру. На холодных стенках сера осаждается в виде светло-желтого порошка, известного под названием серного цвета. На горячих стенках при температуре около 120 °C сера превращается в жидкость, которую выпускают в деревянные формы, где она застывает в виде палочек. Полученная таким путем сера называется черенковой.

Известно также много реакций, при которых сера выделяется из сложных веществ. Сера образуется при смешивании газообразных сероводорода и сеонистого газа:

Сгорание сероводорода в условиях недостатка кислорода также ведет к образованию серы (см. ниже).

Оксиды серы (1У) и углерода (Н) реагируют с выделением серы в присутствии катализатора:

Эту реакцию применяют для очистки продуктов сгорания топлива от примеси серы.

Серу можно получить по реакции в водном растворе. При добавлении соляной кислоты к раствору тиосульфата натрия Ыа₂5₂0₃ жидкость мутнеет, и в осадок постепенно выпадает светло-желтая мелкодисперсная сера:

Химические превращения серы происходят главным образом при нагревании. Без участия других реагентов сера образует целый ряд разных молекул:

Сера соединяется почти со всеми неметаллами и металлами. Реакция; водородом обратима:

Сера реагирует с галогенами, образуя соединения в двухи четырехвалентном состоянии. Только с фтором при его избытке образуется газообразное устойчивое соединение БР₆.

На воздухе и в кислороде сера горит голубым пламенем:

При горении серы температура превышает 800 °C, вследствие чего равновесие второй реакции сильно смещается влево и лишь ~5% серы превращается в $ 0₃.

С металлами сера реагирует с большим выделением теплоты. При поджигании смеси порошков серы и цинка происходит яркая вспышка. Образуется сульфид цинка белого цвета:

С некоторыми^{-элементами} 5-го и 6-го периодов сера реагирует легче, чем кислород. Серебро устойчиво к действию кислорода, но в смеси с серой без нагревания образует бурый сульфид:

Сера реагирует с оксидами, кислотами и солями, проявляющими сильные окислительные свойства:

При нагревании с раствором щелочи сера реагирует по такому же типу, как галогены, т. е. дисиропорционирует:

Атомы серы из простого вещества могут присоединяться к сере в некоторых сложных веществах:

В образовавшемся полисульфиде натрия имеются цепочки из атомов серы с отрицательными зарядами на концах:

Раствор сульфита натрия реагирует с серой при кипячении:

В образующемся бесцветном растворе находится соль тиосерной кислоты — тиосульфат натрия.