Сера как химический элемент¶
Сера (лат. Sulfur, химический символ — S) — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы VI группы) третьего периода периодической системы, атомный номер 16, атомная масса 32,06. Относится к группе халькогенов. В обычных условиях представляет собой твёрдое кристаллическое вещество жёлтого цвета, хрупкое, нерастворимое в воде. Сера известна с древнейших времён и является одним из немногих элементов, встречающихся в природе в самородном состоянии.
¶История и происхождение названия
Сера — один из элементов, известных человечеству с античности. В древности её применяли для дезинфекции, в составе благовоний и в военном деле. Упоминания о «горючем камне» встречаются в трудах греческих и римских авторов. В Библии сера фигурирует как символ очищающего огня.
Латинское название sulfur, вероятно, восходит к санскритскому корню, связанному со словом «горючий». Русское «сера» имеет общеславянские корни. В алхимии сера считалась одним из трёх первоначал (наряду с ртутью и солью) и символизировала горючесть и изменчивость. Как самостоятельный химический элемент сера была признана Антуаном Лавуазье в конце XVIII века, который опроверг представление о ней как о сложном теле.
¶Распространение в природе
Сера довольно широко распространена в земной коре, занимая по содержанию одно из ведущих мест среди неметаллов. Встречается в нескольких формах:
- Самородная сера — образуется в результате вулканической деятельности и окисления сероводорода.
- Сульфиды — важнейшие минералы: пирит (железный колосчедан) FeS₂, галенит PbS, сфалерит ZnS, киноварь HgS.
- Сульфаты — гипс CaSO₄·2H₂O, ангидрит, барит BaSO₄, мирабилит.
- В составе нефти, природного газа и угля — в виде сероорганических соединений и сероводорода.
Значительные месторождения самородной серы расположены в вулканических районах — в Италии (Сицилия), США, Мексике, Японии, а также в Средней Азии и Поволжье. В России крупные месторождения разрабатываются в Самарской области (Водинское) и в Астраханской области.
¶Физические и химические свойства
Сера образует несколько аллотропных модификаций:
| Модификация | Строение | Устойчивость |
|---|---|---|
| Ромбическая (α-сера) | Кольца S₈ | Устойчива ниже 95,6 °C |
| Моноклинная (β-сера) | Кольца S₈ | Устойчива выше 95,6 °C |
| Пластическая | Цепи Sₙ | Образуется при быстром охлаждении расплава |
Температура плавления ромбической серы — около 112,8 °C, кипения — около 444,6 °C. Сера плохо проводит тепло и электричество, нерастворима в воде, но растворяется в сероуглероде и некоторых органических растворителях.
Химически сера активна. Она взаимодействует:
- с металлами, образуя сульфиды (например, с железом — FeS);
- с водородом при нагревании, давая сероводород H₂S;
- с кислородом, образуя диоксид SO₂ и триоксид SO₃;
- с галогенами и другими неметаллами.
Сера проявляет как восстановительные, так и окислительные свойства, что обусловлено промежуточной степенью окисления. В соединениях встречаются степени окисления −2, 0, +4, +6.
¶Получение
Основные способы получения серы:
- Добыча самородной серы из природных залежей — открытым или подземным способом (метод Фраша, при котором сера выплавляется горячим паром).
- Извлечение из природного газа и нефти — очистка углеводородного сырья от сероводорода с последующей переработкой по процессу Клауса.
- Получение из сульфидных руд при обжиге.
Значительная часть мировой серы производится как побочный продукт нефте- и газопереработки, что связано с требованиями к экологической чистоте топлива.
¶Применение
Сера — важное сырьё для химической промышленности. Основные направления использования:
- Производство серной кислоты H₂SO₄ — крупнейшего по объёму продукта основной химии.
- Вулканизация каучука — придание резине прочности и эластичности.
- Сельское хозяйство — как фунгицид для защиты растений и как компонент удобрений.
- Спичечное производство, пиротехника.
- Медицина и фармацевтика — в составе мазей, при лечении кожных заболеваний.
- Производство красителей, бумаги, взрывчатых веществ.
Серная кислота применяется в производстве удобрений, металлургии, нефтепереработке, аккумуляторах.
¶Биологическая роль и воздействие на человека
Сера — биогенный элемент. Она входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), белков, витаминов (тиамин, биотин), коферментов. Сера участвует в окислительно-восстановительных процессах в клетках, в образовании дисульфидных связей, поддерживающих структуру белков.
В организме человека содержится около 140 г серы, преимущественно в составе белков кожи, волос, ногтей. Недостаток серы встречается редко, так как она поступает с пищей.
Соединения серы могут быть токсичны. Сероводород H₂S — сильный яд, поражающий нервную систему. Диоксид серы SO₂ раздражает дыхательные пути и является одним из основных загрязнителей атмосферы, вызывая кислотные дожди. В то же время элементная сера малотоксична.
¶Экологические аспекты
Выбросы соединений серы в атмосферу при сжигании топлива приводят к образованию кислотных осадков, закислению почв и водоёмов, повреждению растительности и зданий. Для снижения выбросов применяются методы сероочистки дымовых газов и ужесточение требований к содержанию серы в топливе. В России и других странах действуют нормативы предельно допустимых концентраций сернистых соединений в воздухе.
¶Интересные факты
- Самородная сера имеет характерный жёлтый цвет и запах (при горении образует диоксид с резким запахом).
- Сера горит синеватым пламенем, образуя SO₂.
- Вулканы выбрасывают значительные количества сернистых газов, что влияет на климат.
- Сера — один из немногих элементов, известных в самородном виде с древности.
Источники: учебные пособия по общей и неорганической химии, справочные материалы по химии элементов, энциклопедические издания по естественным наукам.