Сера — химический элемент¶
Сера — химический элемент 16-й группы периодической таблицы Менделеева, с атомным номером 16 и символом S. Относится к неметаллам, в природе распространён широко, участвует в множестве природных и промышленных процессов. В чистом виде представляет собой жёлтый кристаллический неметалл, известный человечеству с древнейших времён.
¶Свойства
Сера — простое вещество, состоящее из одноимённых атомов. В нормальных условиях это твёрдое кристаллическое вещество жёлтого цвета, плохо растворимое в воде, но растворимое в сероуглероде и некоторых органических растворителях. При нагревании до 115,2 °C сера плавится, образуя вязкую тёмно-коричневую жидкость, которая при дальнейшем нагреве разжижается и приобретает жёлтый цвет. Кипит сера при 444,6 °C.
Атомная масса элемента — 32,065. В природе существует четыре стабильных изотопа: ³²S (основной, около 95 %), ³³S, ³⁴S и ³⁶S.
Сера проявляет типичные свойства неметалла: в реакциях с металлами образует сульфиды, с кислородом — оксиды (в первую очередь сернистый газ SO₂ и серный ангидрид SO₃). Химически активна, горит в кислороде голубовато-зелёным пламенем с образованием сернистого газа.
¶Нахождение в природе
Сера — двадцатый по распространённости элемент в земной коре. Встречается в свободном виде (самородная сера) и в составе множества минералов и соединений. Основные природные сульфиды — пирит (FeS₂), галенит (PbS), цинковая обманка (ZnS), медный колчедан (CuFeS₂). Сульфаты представлены гипсом (CaSO₄·2H₂O), баритом (BaSO₄) и мириабилитом (Na₂SO₄·10H₂O).
Свободная сера образуется в результате вулканической деятельности (вулканические газы содержат сероводород и сернистый ангидрид) и при деятельности сульфатредуцирующих бактерий. Крупнейшие месторождения самородной серы сосредоточены в США (штат Техас и Луизиана), Мексике, Польше, Италии, Японии, а также в Туркменистане и на Украине. В России сера добывается преимущественно как побочный продукт переработки сероводородсодержащего природного газа.
¶Добыча и производство
Основной промышленный способ получения серы — клаусовский процесс, в котором сероводород, выделяемый при очистке природного газа и нефтепродуктов, окисляется до элементарной серы. Этот метод обеспечивает подавляющую часть мирового производства.
До середины XX века широкое применение находил так называемый фраш-процесс — добыча самородной серы горным способом: в скважину закачивали перегретую воду, расплавлявшую серу, которую затем выкачивали наверх. С развитием клаусовского процесса добыча самородной серы резко сократилась.
Мировое производство серы оценивается примерно в 80–90 млн тонн в год. Крупнейшие производители — Китай, США, Россия, Канада и страны Ближнего Востока.
¶Применение
Около 80–90 % добываемой серы расходуется на производство серной кислоты H₂SO₄ — одного из важнейших продуктов химической промышленности. Серная кислота применяется в производстве удобрений (аммофос, суперфосфат), минеральных кислот, красителей, взрывчатых веществ, а также в металлургии (гидрометаллургическая переработка руд), аккумуляторной промышленности и нефтепереработке.
Прямое применение серы небольшое, но разнообразное:
- производство сернистых соединений, сульфидов и сульфатов;
- вулканизация каучука — сера придаёт резине эластичность и прочность;
- изготовление спичек (головки спичек содержат сульфид сурьмы);
- производство фунгицидов и пестицидов;
- кожевенное производство (дубление);
- медицина — мази и пасты на основе серы применяются в дерматологии;
- лабораторные исследования и аналитическая химия.
¶Биологическая роль
Сера входит в состав аминокислот цистеина и метионина, а значит — практически всех белков. Сульфат-ион участвует в биохимических процессах, а серосодержащие соединения важны для функционирования ферментов. Некоторые микроорганизмы (автотрофные бактерии) используют окисление сероводорода или самородной серы в качестве источника энергии.
Дефицит серы в почве ограничивает урожайность сельскохозяйственных культур, особенно бобовых и крестоцветных, поэтому в составе комплексных удобрений применяют серосодержащие добавки.
¶Влияние на здоровье и экологию
Сернистый газ SO₂, образующийся при сжигании серосодержащего топлива и пирометаллургической переработке руд, — один из основных загрязнителей атмосферы. В сочетании с влагой он образует серную кислоту, входящую в состав кислотных дождей, наносящих ущерб растительности, почвам и водоёмам.
Сероводород H₂S — токсичный газ с характерным запахом тухлых яиц, опасный при вдыхании в высоких концентрациях.
Сера и большинство её простых соединений при обычных условиях не представляют серьёзной опасности для человека; ограничения касаются прежде всего производственных выбросов и работы с сероводородом.
¶История открытия
Сера известна человеку с глубокой древности — упоминания о ней встречаются в шумерских и вавилонских текстах (III тысячелетие до н. э.). В Библии сера связывается с гибелью Содома и Гоморры. Древние египтяне использовали серу при мумификации, античные врачи — в медицинских целях. Алхимики средневековья считали серу одним из «принципов» материи, сопоставимым по значению с ртутью.
Химическое изучение серы связано с именами Роберта Бойля, Антуана Лавуазье и Иоганна Якоба Берцелиуса, который в 1817 году предложил современный химический символ элемента — S.
¶Источники
- Д. И. Менделеев, «Основы химии»
- Н. Н. Величко, «Химия: Справочное пособие»
- Г. П. Хомченко, «Химия для поступающих в вузы»
- Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева
- Справочник «Минералогия», Геологический институт РАН