Типичный неметалл - сера - относится к группе халькогенов и находится в VI группе периодической таблицы Менделеева. Сера - один из жизненно важных элементов, входящих в состав живых организмов.
Сера - 16 элемент периодической таблицы, находящийся в VI группе, главной подгруппе и в третьем периоде. Формула серы - S. Относительная атомная масса - 32.
Ядро атома серы имеет положительный заряд +16. Вокруг ядра располагается 16 отрицательно заряженных электронов на трёх энергетических уровнях.
Электронное строение атома серы - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . На внешнем энергетическом уровне находится шесть валентных электронов. До завершения р-орбитали не хватает двух электронов, поэтому степень окисления серы -2.
В соединениях проявляет себя как окислитель, отнимая электроны. Однако возможность переходить в возбуждённое состояние за счёт свободных d-орбиталей даёт элементу две дополнительные степени окисления - +4 и +6.
Рис. 1. Строение атома серы.
Известно четыре стабильных изотопа серы, находящиеся в природе. Это 32 S, 33 S, 34 S, 36 S. Кроме того, искусственно получено 20 радиоактивных изотопов серы.
Сера - хрупкое кристаллическое вещество желтоватого цвета. При нагревании плавится, превращаясь в жидкость жёлтого цвета. При увеличении температуры до 200°С становится вязкой тёмно-коричневой массой, напоминающей смолу.
Основные физические свойства элемента:
Сера образует аллотропные модификации, которые отличаются физическими свойствами. Краткое описание модификаций приведено в таблице.
Рис. 2. Аллотропные модификации серы.
В зависимости от реакции сера проявляет разную степень окисления:
Сера - активное вещество, образующее кислоты, соли, оксиды. Общие химические свойства элемента приведены в таблице.
Реакция |
Описание |
Уравнение |
С металлами |
В обычных условиях реагирует только с активными металлами. С остальными реакция протекает при нагревании. С золотом и платиной не реагирует. Образуются сульфиды |
2Na + S → Na 2 S; Cu + S → CuS; Zn + S → ZnS |
С неметаллами |
С водородом реагирует при 150-200°С, с кислородом - при 280-360°С. С фосфором и углеродом реагирует в отсутствии воздуха при нагревании. Реакция с фтором протекает в присутствии катализатора |
H 2 + S → H 2 S; S + O 2 → SO 2 ; 2S + 3O 2 → 2SO 3 ; 2P + 3S → P 2 S 3 ; 2S + C → CS 2 ; S + 3F 2 → SF 6 |
С кислотами |
Проявляет свойства восстановителя |
S + 2HNO 3 → 2NO + H 2 SO 4 |
Диспропорционирование |
Реакция со щёлочью образует сульфиды и сульфиты |
3S + 6KOH → K 2 S +4 O 3 + 2K 2 S -2 + 3H 2 O |
В природе сера находится в составе минералов, горных пород, полезных ископаемых. Например, в составе гипса (CaSO 4 ⋅2H 2 O), пирита (FeS 2), глауберовой соли (Na 2 SO 4 ⋅10H 2 O). Серу как продукт метаболизма вырабатывают некоторые бактерии. Сера присутствует в составе белков.
Чистая желтая сера
Минерал из класса самородных элементов. Сера представляет собой пример хорошо выраженного энантиоморфного полиморфизма. В природе образует 2 полиморфные модификации: a-сера ромбическая и b-сера моноклинная. При атмосферном давлении и температуре 95,6°С a-сера переходит в b-серу. Сера жизненно необходима для роста растений и животных, она входит в состав живых организмов и продуктов их разложения, ее много, например, в яйцах, капусте, хрене, чесноке, горчице, луке, волосах, шерсти и т.д. Она присутствует также в углях и нефти.
Смотрите так же:
Самородная сера обычно представлена a-серой, которая кристаллизуется в ромбической сингонии, ромбо-дипирамидальный вид симметрии. Кристаллическая сера имеет две модификации; одну из них, ромбическую, получают из раствора серы в сероуглероде (CS 2) испарением растворителя при комнатной температуре. При этом образуются ромбовидные просвечивающие кристаллы светложелтого цвета, легко растворимые в CS 2 . Эта модификация устойчива до 96° С, при более высокой температуре стабильна моноклинная форма. При естественном охлаждении расплавленной серы в цилиндрических тиглях вырастают крупные кристаллы ромбической модификации с искаженной формой (октаэдры, у которых частично «срезаны» углы или грани). Такой материал в промышленности называется комовая сера. Моноклинная модификация серы представляет собой длинные прозрачные темножелтые игольчатые кристаллы, также растворимые в CS 2 . При охлаждении моноклинной серы ниже 96° С образуется более стабильная желтая ромбическая сера.
Самородная сера жёлтого цвета, при наличии примесей — жёлто-коричневая, оранжевая, бурая до чёрной; содержит включения битумов, карбонатов, сульфатов, глины. Кристаллы чистой серы прозрачны или полупрозрачны, сплошные массы просвечивают в краях. Блеск смолистый до жирного. Твердость 1-2, спайности нет, излом раковистый. Плотность 2,05 -2,08 г/см 3 , хрупкая. Легко растворима в канадском бальзаме, в скипидаре и керосине. В HCl и H 2 SO 4 нерастворима. HNO 3 и царская водка окисляют серу, превращая её в H 2 SO 4 . Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов.
Наиболее стабильны циклические молекулы S 8 , имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера - хрупкое вещество жёлтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S 4 , S 6) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую). Формулу серы чаще всего записывают просто S, так как она, хотя и имеет молекулярную структуру, является смесью простых веществ с разными молекулами.
Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C превращается в очень вязкую тёмно-коричневую массу. Наибольшую вязкость расплав серы приобретает при температуре 190 °C; дальнейшее повышение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше 300 °C расплавленная сера снова становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она постепенно полимеризуется, увеличивая длину цепочки с повышением температуры. При нагревании серы свыше 190 °C полимерные звенья начинают рушиться.
Сера может служить простейшим примером электрета. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд.
Образует усечённо-дипирамидальные, реже дипирамидальные, пинакоидальные или толстопризматические кристаллы, а также плотные скрытокристаллические, сливные, зернистые, реже тонковолокнистые агрегаты. Главные формы на кристаллах: дипирамиды (111) и (113), призмы (011) и (101), пинакоид (001). Также сростки и друзы кристаллов, скелетные кристаллы, псевдосталактиты, порошковатые и землистые массы, налёты и примазки. Для кристаллов характерны множественные параллельные срастания.
Сера образуется при вулканических извержениях, при выветривании сульфидов, при разложении гипсоносных осадочных толщ, а также в связи с деятельностью бактерий. Главные типы месторождений самородной серы — вулканогенные и экзогенные (хемогенно-осадочные). Экзогенные месторождения преобладают; они связаны с гипсо-ангидритами, которые под воздействием выделений углеводородов и сероводорода восстанавливаются и замещаются серно-кальцитовыми рудами. Такой инфильтрационно-метасоматический генезис имеют все крупнейшие месторождения. Самородная сера часто образуется (кроме крупных cкоплений) в результате окисления H 2 S. Геохимические процессы её образования существенно активизируются микроорганизмами (сульфатредуцирующими и тионовыми бактериями). Сопутствующие минералы — кальцит, арагонит, гипс, ангидрит, целестин, иногда битумы. Среди вулканогенных месторождений самородной серы главное значение имеют гидротермально-метасоматические (например, в Японии), образованные сероносными кварцитами и опалитами, и вулканогенно-осадочные сероносные илы кратерных озёр. Образуется также при фумарольной деятельности. Образуясь в условиях земной поверхности, самородная сера является всё же не очень устойчивой и, постепенно окисляясь, даёт начало сульфатам, гл. образом гипсу.
Используется в производстве серной кислоты (около 50% добываемого количества). В 1890 г. Герман Фраш предложил плавить серу под землёй и извлекать на поверхность через скважины, и в настоящее время месторождения серы разрабатывают главным образом путём выплавки самородной серы из пластов под землёй непосредственно в местах её залегания. Сера также в больших количествах содержится в природном газе (в виде сероводорода и сернистого ангидрида), при добыче газа она откладывается на стенках труб, выводя их из строя, поэтому её улавливают из газа как можно быстрее после добычи.
Примерно половина производимой серы используется в производстве серной кислоты. Серу применяют для вулканизации каучука, как фунгицид в сельском хозяйстве и как сера коллоидная - лекарственный препарат. Также сера в составе серобитумных композиций применяется для получения сероасфальта, а в качестве заместителя портландцемента - для получения серобетона. Сера находит применение для производства пиротехнических составов, ранее использовалась в производстве пороха, применяется для производства спичек.
Сера (англ. Sulphur) — S
Strunz (8-ое издание) | 1/B.03-10 |
Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.CC.05 |
Dana (7-ое издание) | 1.3.4.1 |
Dana (8-ое издание) | 1.3.5.1 |
Hey’s CIM Ref. | 1.51 |
Cера в природе
Самородная сера
Украина, Поволжье, Центральная Азия и др
Сульфиды
PbS - свинцовый блеск
Cu 2 S – медный блеск
ZnS – цинковая обманка
FeS 2 – пирит, серный колчедан, кошачье золото
H 2 S – сероводород (в минеральных источниках и природном газе)
Белки
Волосы, кожные покровы, ногти…
Сульфаты
CaSO 4 x 2 H 2 O - гипс
MgSO 4 x 7 H 2 O – горькая соль (английская)
Na 2 SO 4 x 10 H 2 O – глауберова соль (мирабилит)
Физические свойства
Твердое кристаллическое вещество желтого цвета , нерастворима в воде, водой не смачивается (плавает на поверхности), t ° кип = 445°С
Аллотропия
Для серы характерны несколько аллотропных модификаций:
Ромбическая (a - сера) - S 8 t ° пл. = 113° C ; ρ = 2,07 г/см 3 . Наиболее устойчивая модификация. |
Моноклинная (b - сера) - S 8 темно-желтые иглы, t ° пл. = 119° C ; ρ = 1,96 г/см3. Устойчивая при температуре более96°С; при обычных условиях превращается в ромбическую. |
Пластическая S n коричневая резиноподобная (аморфная) масса.Неустойчива, при затвердевании превращается в ромбическую. |
|
|
c остальными металлами (кроме Au , Pt ) - при повышенной t ° : 2Al + 3S – t ° -> Al 2 S 3 Zn + S – t
°->
ZnS ОПЫТ Cu + S – t
°->
CuS ОПЫТ 2) С некоторыми неметаллами сера образует бинарные соединения: H 2 + S -> H 2 S 2P + 3S -> P 2 S 3 C + 2S -> CS 2 |
1) c кислородом: S + O 2 – t ° -> S +4 O 2 2S + 3O 2 – t ° ; pt -> 2S +6 O 3 2) c галогенами (кроме йода): S + Cl 2 -> S +2 Cl 2 3) c кислотами - окислителями: S + 2H 2 SO 4 (конц) -> 3S +4 O 2 + 2H 2 O S + 6HNO 3 (конц) -> H 2 S +6 O 4 + 6NO 2 + 2H 2 O Применение Вулканизация каучука, получение эбонита, производство спичек, пороха, в борьбе с вредителями сельского хозяйства, для медицинских целей (серные мази для лечения кожных заболеваний), для получения серной кислоты и т.д. Применение серы и её соединений ЗАДАНИЯ №1. Закончите уравнения реакций:S + O 2 S + Na S + H 2 Расставьте коэффициенты методом электронного баланса, укажите окислитель, восстановитель. №2. Осуществите превращения по схеме: №3. Закончите уравнения реакций, укажите, какие свойства проявляет сера (окислителя или восстановителя):
Al + S =(при нагревании) S + H 2 = (150-200) S + O 2 = (при нагревании) S + F 2 = (при обычных условиях) S + H 2 SO 4 (к) = S + KOH = S + HNO 3 =Это интересно... Содержание серы в организме человека массой 70 кг - 140 г. В сутки человеку необходимо 1 г серы. Серой богаты горох, фасоль, овсяные хлопья, пшеница, мясо, рыба, плоды и сок манго. Сера входит в состав гормонов, витаминов, белков, она есть в хрящевой ткани, в волосах, ногтях. При недостатке серы в организме наблюдается хрупкость ногтей и костей, выпадение волос. Следите за своим здоровьем! Знаете ли вы... ·Соединения серы могут служить лекарственными препаратами ·Сера – основа мази для лечения грибковых заболеваний кожи, для борьбы с чесоткой. Тиосульфат натрия Na 2 S 2 O 3 используется для борьбы с нею ·Многие соли серной кислоты содержат кристаллизационную воду: ZnSO 4 ×7H 2 O и CuSO 4 ×5H 2 O. Их применяют как антисептические средства для опрыскивания растений и протравливания зерна в борьбе с вредителями сельского хозяйства ·Железный купорос FeSO 4 ×7H 2 O используют при анемии ·BaSO 4 применяют при рентгенографическом исследовании желудка и кишечника ·Алюмокалиевые квасцы KAI(SO 4) 2 ×12H 2 O - кровоостанавливающее средство при порезах ·Минерал Na 2 SO 4 ×10H 2 O носит название «глауберова соль» в честь открывшего его в VIII веке немецкого химика Глаубера И.Р. Глаубер во время своего путешествия внезапно заболел. Он ничего не мог есть, желудок отказывался принимать пищу. Один из местных жителей направил его к источнику. Как только он выпил горькую соленую воду, сразу стал есть. Глаубер исследовал эту воду, из нее выкристаллизовалась соль Na 2 SO 4 ×10H 2 O. Сейчас ее применяют как слабительное в медицине, при окраске хлопчато- бумажных тканей. Соль также находит применение в производстве стекла ·Тысячелистник обладает повышенной способностью извлекать из почвы серу и стимулировать поглощение этого элемента с соседними растениями ·Чеснок выделяет вещество – альбуцид, едкое соединение серы. Это вещество предотвращает раковые заболевания, замедляет старение, предупреждает сердечные заболевания. |
а) В пробирку, укрепленную в держателе, насыпать до половины ее объема кусочков черенковой серы и очень осторожно нагревать, все время встряхивая. Сера начнет плавиться, образуя желтую подвижную жидкость. Выше 160° жидкость темнеет, а при 200° становится темнокоричневой и настолько вязкой, что не выливается из пробирки. Выше 250° вязкость снова Уменьшается и при 400° сера превращается в легкоподвижную жидкость темнокоричневого цвета, которая при 444,5°закипает, образуя оранжево-желтые пары. Объяснить изменения, происходящие при нагревании расплавленной серы.
б) Вылить кипящую серу тонкой струей в стакан с холодной водой. Если сера вспыхнет, следует после выливания прикрыть отверстие пробирки крышкой от тигля или куском асбеста. Достать из воды полученную массу и убедиться в ее пластичности. Сохранить образовавшуюся пластическую серу, чтобы проследить переход аморфной формы в кристаллическую.
Получение ромбической серы
Поместить в пробирку 2-3 кусочка черенковой серы величиной с горошину, прибавить 2 мл сероуглерода и, встряхивая, растворить серу. Сероуглерод - легкогорючая жидкость, и все работы с ним нужно проводить вдали от огня. Несколько капель полученного раствора вылить на часовое стекло. Дать испариться сероуглероду и наблюдать выделение ромбических кристаллов серы.
3)Возгонка красного фосфора
В пробирку положить немного красного фосфора, закрыть ее ватой и, закрепив горизонтально в штативе, слегка нагревать пламенем горелки. Красный фосфор испаряется, и на холодных частях пробирки осаждается налет белого. Опыт производить осторожно, все время следить за тем, чтобы пары фосфора при выходе из пробирки не загорались.
4) Горение фосфора под водой
а) Кусочек белого фосфора положить в стакан с водой и нагреть воду до 60-70°. Затем пропустить из газометра слабый ток кислорода, держа отводную трубку так, чтобы она касалась фосфора. Последний загорается. Написать уравнение реакция.
б) Проделать то же самое, заменив белый фосфор красным. Красный фосфор не горит под водой.
1. Фосфорный ангидрид и его свойства
(Работа производится под тягой)
В фарфоровую чашку (или на крышку тигля), поставленную на асбестированную сетку, положить 0,4-0,5 г красного фосфора. Над чашкой на небольшом расстоянии (около 0,5 см) от сетки укрепить сухую воронку. Зажечь фосфор накаленной стеклянной палочкой. На стенках воронки осаждается фосфорный ангидрид, образующийся при горении фосфора, в виде белой, похожей на сиег кристаллической массы.
Когда весь фосфор сгорит, вложить воронку в кольцо штатива и оставить на некоторое время. Фосфорный ангидрид очень быстро расплывается. На какое свойство Р 2 О 5 указывает это явление?
2. Получение фосфорных кислот
а) Фосфорный ангидрид, полученный в предыдущем опыте, смыть дестиллированной водой со стенок воронки в пробирку. Когда раствор сделается прозрачным, отлить его немного в другую пробирку и добавить в последнюю избыток раствора AgN0 3 . Образуется белый осадок AgP0 3 . Написать уравнения реакций.
б) Оставшуюся часть раствора Н 3 РО 4 вылить в стакан, добавить 10-15 мл воды и 1-2 мл концентрированной HNO 3
3. Действие щелочных металлов на воду
(Работа производится за стеклом вытяжного шкафа!)
Взять три фарфоровые чашки с водой. Отрезать ножом по маленькому кусочку лития, натрия и калия, обсушив их фильтровальной бумагой, бросить в воду: в одну чашку -литий, в другую - натрий, в третью - калий. Наблюдать за ходом реакции через стекло вытяжного шкафа. Защита стеклом необходима ввиду разбрызгивания, имеющего место при конце реакций. Отметить, что наиболее энергично с водой реагирует калий, а наименее энергично - литий. Испытать лакмусом или фенолфталеином полученные растворы. Написать уравнений реакций.
Получение калийной селитры
В стаканчик, содержащий 20 мл воды, внести 7,5 г КС1 и растворить при нагревании; затем добавить 8,5 г измельченного NaN03. Содержимое стаканчика кипятить в течение нескольких минут, после чего быстро отфильтровать жидкость от образовавшегося осадка NaCl, пользуясь укороченной стеклянной воронкой (с отрезанной трубкой). Дать раствору охладиться и наблюдать выделение кристаллов KN0 3 . Отделитькристаллы путем декантации маточного раствора и высушить их между листами фильтровальной бумаги.Объяснить явления, наблюдаемые при опыте, исходя из растворимости солей, которые могут образоваться в растворе
5. Реакция открытия ионов Na - и К"
а) Налить в пробирку нейтральный раствор какой-нибудь соли натрия и добавить нахолоду крепкий (лучше свежеприготовленный) раствор кислого пиросурьмянокислого калия K 2 H 2 Sb 2 0 7 . Наблюдать выпадение белого кристаллического осадка Na 2 H 2 Sb 2 0 7 . В случае надобности выпадение осадка можно ускорить трением стеклянной палочки о стенки пробирки. Написать уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.
б) К нейтральному раствору какой-нибудь калиевой соли прилить раствор кислого виннокислого натрия NaHC4H 4 0 6 и взболтать. Наблюдать выпадение белого кристаллического осадка КНС4Н4О6. Написать уравнение реакции в молекулярной и ионной формах.
Вопросы
1. Что общего в процессах горения натрия в хлоре, взаимодействия натрия с водой и взаимодействия натрия с серной кислотой?
2. Какие из нижеследующих солей калия будут подвергаться заметному гидролизу: КС1, KNO3, K 2 S, К 2 СОз, СН 3 СООК?
3. Почему пластическая сера полностью не растворяется в сероуглероде?
4. Как можно удалить сероводород из смеси газов?
5. Можно ли применять азотную кислоту для получения сероводорода из его солей?
6. Почему сероводород является восстановителем и не проявляет окислительных свойств?
СВОЙСТВА СЕРЫ Серная кислота - один из важнейших продуктов химической промышленности (производящей щелочи, кислоты, соли, минеральные удобрения, хлор). Ее получают главным образом контактным или башенным способом по принципиальной схеме: Б льшая часть получаемой кислоты идет на производство минеральных удобрений (суперфосфат, сульфат аммония). Серная кислота служит исходным сырьем для получения солей и других кислот, для синтеза органических веществ, искусственных волокон, для очистки керосина, нефтяных масел, бензола, толоуола, при изготовлении красок, травлении черных металлов, в гидрометаллургии урана и некоторых цветных металлов, для получения моющих и лекарственных средств, как электролит в свинцовых аккумуляторах и как осушитель. Тиосерная кислота H 2 S 2 O 3 структурно аналогична серной кислоте за исключением замены одного кислорода на атом серы. Наиболее важным производным кислоты является тиосульфат натрия Na 2 S 2 O 3 - бесцветные кристаллы, образующиеся при кипячении сульфита натрия Na 2 SO 3 с серным цветом. Тиосульфат (или гипосульфит ) натрия используется в фотографии как закрепитель (фиксаж). Сульфонал (CH 3 ) 2 C(SO 2 C 2 H 5 ) 2 - белое кристаллическое вещество, без запаха, слабо растворимое в воде, является наркотиком и используется как седативное и снотворное средство. Сульфид водорода H 2 S (сероводород ) - бесцветный газ с резким неприятным запахом тухлых яиц. Он несколько тяжелее воздуха (плотность 1,189 г/дм 3 ), легко сжижается в бесцветную жидкость и хорошо растворим в воде. Раствор в воде является слабой кислотой с рН ~ 4. Жидкий сероводород используют как растворитель. Раствор и газ широко применяют в качественном анализе для отделения и определения многих металлов. Вдыхание незначительного количества сероводорода вызывает головную боль и тошноту, большие количества или непрерывное вдыхание сероводорода вызывают паралич нервной системы, сердца и легких. Паралич наступает неожиданно, в результате нарушения жизненных функций организма. Монохлорид серы S 2 Cl 2 - дымящая масляная жидкость янтарного цвета с едким запахом, слезоточивая и затрудняющая дыхание. Она дымит во влажном воздухе и разлагается водой, но растворима в сероуглероде. Монохлорид серы - хороший растворитель для серы, иода, галогенидов металлов и органических соединений. Монохлорид используется для вулканизации каучука, в производстве типографской краски и инсектицидов. При реакции с этиленом образуется летучая жидкость, известная как горчичный газ (ClC 2 H 4 ) 2 S - токсичное соединение, используемое как боевое химическое отравляющее вещество раздражающего действия. Дисульфид углерода CS 2 (сероуглерод ) - бледножелтая жидкость, ядовитая и легко воспламеняющаяся. CS 2 получают синтезом из элементов в электрической печи. Вещество нерастворимо в воде, имеет высокий коэффициент светопреломления, высокое давление паров, низкую температуру кипения (46 ° C). Сероуглерод - эффективный растворитель жиров, масел, каучука и резин - широко используют для экстракции масел, в производстве искусственного шелка, лаков, резиновых клеев и спичек, уничтожения амбарных долгоносиков и одежной моли, для дезинфекции почв. См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ . ЛИТЕРАТУРА Справочник сернокислотчика . М., 1971Бусев А.И., Симонова Л.Н. Аналитическая химия серы . М., 1975 |