СЕРА: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СОСТАВ, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Серы являются неметаллическим элементом ведет, в атмосфере кислорода, группа халькогенов периодической таблицы. Он определенно расположен в группе 16 с периодом 3 и представлен химическим символом S. Из его природных изотопов ³² S является наиболее распространенным (около 94% всех атомов серы).

Это один из самых распространенных элементов на Земле, составляющий около 3% от его общей массы. Другими словами, если взять всю серу на планете, можно было бы построить две желтые луны; было бы три спутника вместо одного. Он может принимать различные степени окисления (+2, -2, +4 и +6), поэтому его соли многочисленны и обогащают земную кору и ядро.

Кристаллы серы. Источник: Pixabay.

Сера является синонимом желтого, неприятного запаха и ада. Основная причина неприятного запаха - производные соединения; особенно газированные и органические. В остальном его минералы твердые и имеют цвета, включая желтый, серый, черный и белый (среди прочего).

Это один из элементов, который чаще всего представляет собой большое количество аллотропов. Его можно найти в виде небольших дискретных молекул S ₂ или S ₃ ; в виде колец или циклов, причем ромбическая и моноклинная сера S ₈ является наиболее стабильной и распространенной из всех; и как винтовые цепи.

Он находится не только в земной коре в виде минералов, но и в биологических матрицах наших тел. Например, он есть в аминокислотах цистине, цистеине и метионине, в белках железа, кератине и некоторых витаминах. Он также присутствует в чесноке, грейпфруте, луке, капусте, брокколи и цветной капусте.

По химическому составу это мягкий элемент и в отсутствие кислорода образует сернистые минералы и сульфаты. Он горит голубоватым пламенем и может выглядеть как аморфное или кристаллическое твердое вещество.

Несмотря на то, что он необходим для синтеза серной кислоты, высококоррозионного вещества, и имеет неприятный запах, на самом деле это доброкачественный элемент. Серу можно хранить в любом помещении без особых мер предосторожности, если не допускать возгорания.

История серы

В Библии

Сера - один из древнейших элементов в истории человечества; настолько, что его открытие остается сомнительным, и неизвестно, какая из древних цивилизаций использовала его впервые (за 4000 лет до Рождества Христова). На самых страницах Библии его можно найти сопровождающим адский огонь и ад.

Считается, что предполагаемый запах серы из ада связан с извержениями вулканов. Его первый первооткрыватель наверняка наткнулся на рудники этого элемента, такие как пыльные земли или желтые кристаллы, поблизости от вулкана.

древность

Это желтоватое твердое вещество вскоре продемонстрировало замечательные лечебные эффекты. Например, египтяне использовали серу для лечения воспаления век. Он также избавил от чесотки и прыщей - применение, которое сегодня можно увидеть в серном мыле и других дерматологических средствах.

Римляне использовали этот элемент в своих ритуалах как фумигант и отбеливатель. Когда он горит, он выделяет SO ₂ , газ, который заполнил комнаты, смешиваясь с влажностью и создавая антибактериальную среду, способную убивать насекомых.

Римляне, как и греки, открыли высокую горючесть серы, поэтому она стала синонимом огня. Цвет его голубоватого пламени, должно быть, освещал римские цирки. Считается, что греки со своей стороны использовали этот элемент для создания зажигательного оружия.

Китайцы, со своей стороны, узнали, что, смешав серу с селитрой (KNO ₃ ) и углем, они создали материальный черный порошок, который произвел исторический поворот и вызвал большой спрос и интерес к этому минералу у народов того времени.

Современное время

Как будто порох не был достаточной причиной, чтобы жаждать серы, вскоре появилась серная кислота и ее промышленное применение. С помощью жезла серной кислоты количество богатства или процветания страны измерялось по отношению к уровню потребления этого соединения.

Только в 1789 году блестящий химик Антуан Лавуазье смог распознать серу и классифицировать ее как элемент. Затем в 1823 году немецкий химик Эйльхард Мичерлих обнаружил, что сера может кристаллизоваться преимущественно двумя способами: ромбоэдрическим и моноклинным.

История серы следовала тому же пути ее соединений и применений. Учитывая огромное промышленное значение серной кислоты, она сопровождалась вулканизацией каучуков, синтезом пенициллина, эксплуатацией шахт, переработкой сырой нефти, богатой серой, питанием почв и т. Д.

свойства

Внешность

Хрупкое твердое вещество в виде порошка или кристаллов. Цвет тускло-лимонно-желтый, безвкусный и без запаха.

Жидкий вид

Жидкая сера уникальна тем, что ее первоначальный желтый цвет становится красноватым и усиливается и темнеет при воздействии высоких температур. Когда он горит, он испускает ярко-синее пламя.

Молярная масса

32 г / моль.

Температура плавления

115,21 ° С.

Точка кипения

445 ° С.

точка воспламенения

160 ° С.

Температура самовоспламенения

232 ° С.

плотность

2,1 г / мл. Однако другие аллотропы могут быть менее плотными.

Молярная теплоемкость

22,75 Дж / моль К

Ковалентный радиус

105 ± 15.00.

Электроотрицательность

2,58 по шкале Полинга.

полярность

Связи SS неполярны, потому что оба атома серы имеют одинаковую электроотрицательность. Это делает все его аллотропы, циклические или цепочечные, неполярными; и, следовательно, его взаимодействие с водой неэффективно, и он не может быть в ней растворен.

Однако сера может быть растворена в неполярных растворителях, таких как сероуглерод, CS ₂ и ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол и т. Д.).

ион

Сера может образовывать различные ионы, обычно анионы. Самая известная из них - сера S ^2- . S ^2- отличается своей громоздкостью и имеет мягкое основание Льюиса.

Поскольку это мягкая основа, теория утверждает, что она будет иметь тенденцию образовывать соединения с мягкими кислотами; такие как катионы переходных металлов, включая Fe ²⁺ , Pb ²⁺ и Cu ²⁺ .

Структура и электронная конфигурация

Серная корона

Молекула S8, наиболее стабильный и распространенный аллотроп серы. Источник: Benjah-bmm27.

Сера может встречаться в большом количестве аллотропов; и они, в свою очередь, имеют кристаллические структуры, которые модифицируются при различных давлениях и / или температурах. Следовательно, сера является элементом, богатым аллотропами и полиморфами, и изучение ее твердых структур представляет собой бесконечный источник теоретико-экспериментальной работы.

Почему такая сложность конструкции? Начнем с того, что ковалентные связи в сере (SS) очень прочные, их превосходят только углеродные связи CC и водородные HH.

Сера, в отличие от углерода, склонна образовывать не тетраэдры, а бумеранги; которые с их углами складываются и кольца для стабилизации цепочек серы. Самым известным кольцом из всех, также представляющим наиболее стабильный аллотроп серы, является S ₈ , «серная корона» (верхнее изображение).

Обратите внимание, что все звенья SS в S ₈ выглядят как отдельные бумеранги, в результате получается кольцо со складками, а не плоское. Эти коронки S ₈ взаимодействуют посредством сил Лондона, ориентируясь таким образом, что создают структурные узоры, определяющие ромбический кристалл; называется S ₈ α (S-α, или просто ромбическая сера).

Полиморфы

Серная корона - один из многих аллотропов этого элемента. S ₈ α является полиморфом этой короны. Есть два других (среди наиболее важных), называемые S ₈ β и S ₈ γ (S-β и S-γ соответственно). Оба полиморфа кристаллизуются в моноклинные структуры, причем S ₈ γ является более плотным (гамма-сера).

Все три твердые частицы желтого цвета. Но как получить каждый полиморф отдельно?

S ₈ β получают нагреванием S ₈ α до 93 ° C, затем позволяя его медленному охлаждению замедлить его переход обратно в орторомбическую фазу (α). А S ₈ γ, с другой стороны, получается, когда S ₈ α плавится при 150 ° C, снова позволяя ему медленно остыть; это самый плотный из краун-полиморфов серы.

Другие циклические аллотропы

Корона S ₈ - не единственный циклический аллотроп. Есть другие, такие как S ₄ , S ₅ (аналог циклопентана), S ₆ (представленный шестиугольником, подобным циклогексану), S ₇ , S ₉ и S _10-20 ; последнее означает, что могут быть кольца или циклы, содержащие от десяти до двадцати атомов серы.

Каждый из них представляет собой разные циклические аллотропы серы; и, в свою очередь, чтобы подчеркнуть это, они имеют разновидности полиморфов или полиморфных структур, которые зависят от давления и температуры.

Например, S ₇ имеет до четырех известных полиморфов: α, β, γ и δ. Члены или короны более высоких молекулярных масс являются продуктами органического синтеза и не преобладают в природе.

Серные цепи

Серная цепь. Источник: OpenStax

Чем больше атомов серы включается в структуру, тем меньше их склонность к кольцеванию, и цепи серы остаются открытыми и принимают спиральные формы (как если бы они были спиралями или винтами).

Таким образом, возникает еще одно обширное семейство аллотропов серы, состоящее не из колец или циклов, а из цепочек (как на изображении выше).

Когда эти SS-цепи выстраиваются параллельно в кристалле, они захватывают примеси и в конечном итоге образуют волокнистое твердое вещество, называемое волокнистой серой или S-ψ. Если между этими параллельными цепями есть ковалентные связи, которые их связывают (как это происходит при вулканизации резины), мы имеем ламинарную серу.

При плавлении серы S ₈ образуется жидкая фаза желтоватого цвета, которая может потемнеть при повышении температуры. Это происходит потому, что связи SS разрываются, и, следовательно, происходит процесс термической деполимеризации.

Эта жидкость при охлаждении показывает пластичные, а затем стекловидные характеристики; то есть получается стекловидная и аморфная сера (S-χ). В его состав входят как кольца, так и серные цепочки.

А когда смесь волокнистого и ламинарного аллотропа получается из аморфной серы, получается Crystex, коммерческий продукт, используемый для вулканизации резины.

Малые аллотропы

Хотя их оставили последними, они не менее важны (или интересны), чем аллотропы с более высокими молекулярными массами. Молекулы S ₂ и S ₃ представляют собой сульфированные версии O ₂ и O ₃ . В первом два атома серы соединены двойной связью S = S, а во втором - три атома с резонансной структурой S = SS.

И S _2, и S ₃ газообразны. S ₃ имеет вишнево-красный цвет. Оба имеют достаточно библиографического материала для каждой отдельной статьи.

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация атома серы:

3с ² 3п ⁴

Он может получить два электрона для завершения своего октета валентности и, таким образом, иметь степень окисления -2. Точно так же он может терять электроны, начиная с двух на своих 3p-орбиталях, при степени окисления +2; если вы потеряете еще два электрона с пустыми 3p-орбиталями, ваша степень окисления будет +4; а если вы потеряете все электроны, будет +6.

получение

минералогический

Сера входит в состав многих минералов. Среди них пирит (FeS ₂ ), галенит (PbS), ковеллит (CuS) и другие сульфатные и сульфидные минералы. Путем их обработки можно извлекать не только металлы, но и серу после ряда восстановительных реакций.

Его также можно получить в чистом виде в вулканических жерлах, где при повышении температуры он тает и разливается вниз; А если загорится, то ночью будет выглядеть как голубоватая лава. Благодаря тяжелому труду и тяжелому физическому труду сера может быть добыта так же, как это часто делалось на Сицилии.

Серу также можно найти в подземных шахтах, которые перекачивают перегретую воду, чтобы растопить ее и переместить на поверхность. Этот процесс получения известен как процесс Фраша, который в настоящее время мало используется.

масло

Сегодня большая часть серы поступает из нефтяной промышленности, поскольку ее органические соединения входят в состав сырой нефти и ее очищенных производных.

Если неочищенный или очищенный продукт богат серой и подвергается гидрообессериванию, он выделяет большое количество H ₂ S (вонючий газ, который пахнет тухлыми яйцами):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

Затем H ₂ S подвергается химической обработке в процессе Клаусса, который резюмируется следующими химическими уравнениями:

3 О ₂ + 2 Н ₂ S → 2 SO ₂ + 2 Н ₂ О

SO ₂ + 2 H ₂ S → 3 S + 2 H ₂ O

Приложения

Некоторые из применений серы упомянуты ниже и в общем виде:

- Это важный элемент как для растений, так и для животных. Он даже присутствует в двух аминокислотах: цистеине и метионине.

- Это сырье для серной кислоты, соединения, участвующего в производстве бесчисленных коммерческих продуктов.

- В фармацевтической промышленности он используется для синтеза производных серы, пенициллин - самый известный из примеров.

- Обеспечивает вулканизацию каучуков за счет соединения полимерных цепей связями SS.

- Его желтый цвет и его смеси с другими металлами делают его востребованным в пигментной промышленности.

- Смешанный с неорганической матрицей, такой как песок и камни, бетон и серный асфальт заменяют битум.

Риски и меры предосторожности

Сера сама по себе является безвредным, нетоксичным веществом и также не представляет потенциального риска, если не вступает в реакцию с образованием других соединений. Его сульфатные соли не опасны, и с ними можно обращаться без особых мер предосторожности. Однако это не относится к его газообразным производным: SO ₂ и H ₂ S, оба очень токсичны.

Если он находится в жидкой фазе, это может вызвать серьезные ожоги. Если его проглотить в больших количествах, это может вызвать производство H ₂ S в кишечнике. В противном случае он не представляет опасности для тех, кто его жует.

В общем, сера - это безопасный элемент, который не требует слишком многих мер предосторожности, кроме как держать его подальше от огня и сильных окислителей.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Лаура Крапанцано. (2006). Полиморфизм серы: структурные и динамические аспекты. Физика .Université Joseph-Fourier - Grenoble I. English. fftel-00204149f
3. Wikipedia. (2019). Аллотропы серы. Получено с: en.wikipedia.org
4. Мейер Бит. (1976). Элементарная сера. Химические обзоры, Том 76, № 3.
5. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе серы. Chemicool. Получено с: chemicool.com
6. Дональд В. Дэвис и Рэндалл А. Детро. (2015). История серы. Корпорация Джорджии Галф Сульфур. Получено с: georgiagulfsulfur.com
7. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (11 января 2019 г.). 10 интересных фактов о сере. Получено с: thinkco.com
8. Бун, К.; Бонд, С .; Холлман, А .; Дженкинс, Дж. (2017). Общий информационный бюллетень по сере; Национальный информационный центр по пестицидам, Консультационные службы Университета штата Орегон. npic.orst.edu