Сера: свойства, история и применение¶

Сера — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 16. Обозначается символом S (от латинского sulfur). В виде простого вещества представляет собой жёлтое кристаллическое или аморфное вещество, относящееся к классу халькогенов. Сера является одним из древнейших известных человечеству элементов, широко распространена в природе как в самородном виде, так и в составе многочисленных минералов и соединений.

¶История открытия и происхождение названия

Сера известна человеку с глубокой древности. Упоминания о ней встречаются в текстах Древнего Египта, где её использовали для ритуальных окуриваний и в составе косметических средств. Древние греки и римляне применяли серу для отбеливания тканей, в медицине и для дезинфекции помещений. Гомер в «Одиссее» описывает окуривание серой для очищения жилища.

Латинское название «sulfur» имеет индоевропейские корни и, вероятно, связано с санскритским словом «сульвере», что означало «жёлтый» или «горючий». Русское название «сера» происходит от праславянского слова, родственного древнеиндийскому «сйра» — «жёлтый», что отражает характерный цвет элемента.

В VIII веке китайские алхимики открыли, что сера входит в состав пороха, что стало поворотным моментом в военной истории. В Средние века арабские алхимики считали серу одним из двух первоначал всех металлов (наряду с ртутью). В 1777 году французский химик Антуан Лавуазье доказал, что сера является простым элементом, а не соединением, как считалось ранее.

¶Физические и химические свойства

В обычных условиях сера представляет собой твёрдое кристаллическое вещество жёлтого цвета. Она существует в нескольких аллотропных модификациях, наиболее устойчивой из которых является ромбическая сера (α-сера). При нагревании до 95,6 °C ромбическая сера переходит в моноклинную (β-серу), которая плавится при температуре 119 °C. Существует также пластическая (аморфная) сера, получаемая резким охлаждением расплава.

Сера практически нерастворима в воде, плохо растворима в спирте и эфире, но хорошо растворяется в сероуглероде и некоторых других органических растворителях. Она является диэлектриком — плохо проводит электрический ток и тепло.

Химически сера активна. При нагревании она реагирует почти со всеми металлами, образуя сульфиды, а также с неметаллами — водородом, кислородом, фосфором, углеродом. Сера горит на воздухе синеватым пламенем, образуя диоксид серы (SO₂) с характерным резким запахом. В соединениях сера проявляет степени окисления от −2 до +6. Наиболее важные соединения — сероводород (H₂S), сернистый газ (SO₂), серный ангидрид (SO₃), серная и сернистая кислоты.

¶Нахождение в природе и добыча

Сера — один из самых распространённых элементов земной коры, её содержание составляет около 0,05 % по массе. В природе встречается в трёх формах: самородная сера, сульфидные руды и сульфаты.

Самородная сера залегает в вулканических районах и в местах соляных куполов. Крупнейшие месторождения расположены в США (штаты Техас и Луизиана), Мексике, Польше, России (месторождения в Поволжье, на Кавказе, Камчатке), Туркменистане, Японии и Италии (Сицилия).

Основные минералы, содержащие серу: пирит (FeS₂), халькопирит (CuFeS₂), галенит (PbS), сфалерит (ZnS), киноварь (HgS), гипс (CaSO₄·2H₂O), барит (BaSO₄) и другие. Сера также входит в состав нефти, природного газа и каменного угля.

Исторически серу добывали открытым способом из самородных залежей. С 1890-х годов широко применялся метод Фраша, разработанный американским инженером Германом Фрашем: через скважину в пласт закачивают перегретый пар, который расплавляет серу, и её откачивают на поверхность сжатым воздухом. В настоящее время значительная часть серы получается как побочный продукт при очистке природного газа и нефти от сернистых соединений (процесс Клауса), а также при выплавке металлов из сульфидных руд.

¶Применение серы

Сера является важнейшим сырьём для химической промышленности. Основная часть производимой серы (до 60–70 %) расходуется на получение серной кислоты (H₂SO₄) — одного из самых востребованных продуктов химической отрасли. Серная кислота используется в производстве минеральных удобрений (суперфосфат, сульфат аммония), в нефтепереработке, металлургии, текстильной и пищевой промышленности.

Другие направления применения:

Вулканизация каучука — процесс превращения натурального или синтетического каучука в резину путём нагревания с серой. Открыт Чарльзом Гудьиром в 1839 году. Около 10 % производимой серы используется в резиновой промышленности.
Сельское хозяйство — сера применяется как фунгицид для борьбы с мучнистой росой и другими грибковыми заболеваниями растений, а также как компонент удобрений (серные удобрения).
Пищевая промышленность — диоксид серы (E220) используется как консервант и антиоксидант при производстве вин, сухофруктов и других продуктов.
Производство спичек — сера входит в состав головок спичек.
Пиротехника — сера используется в составе пороха, фейерверков и сигнальных огней.
Медицина — сера входит в состав мазей для лечения кожных заболеваний (чесотка, дерматозы), серные ванны применяются в бальнеологии.
Строительство — серный бетон и серная заливка швов обладают повышенной стойкостью к агрессивным средам.
Производство сероуглерода, тиосульфатов, сульфитов — используется в целлюлозно-бумажной промышленности, при обогащении руд, в кожевенном деле.

¶Биологическая роль

Сера — жизненно важный элемент для всех живых организмов. Она входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), которые являются строительными блоками белков. Дисульфидные связи в молекулах белков обеспечивают их пространственную структуру. Сера также входит в состав витаминов (биотин, тиамин), ферментов и кофермента А, участвующего в обмене веществ.

Растения усваивают серу из почвы в виде сульфат-ионов. Недостаток серы приводит к замедлению роста, хлорозу листьев и снижению урожайности. Для человека сера необходима в количестве около 1 г в сутки; она поступает в организм с белковой пищей — мясом, рыбой, яйцами, бобовыми.

¶Экологические аспекты

Сжигание ископаемого топлива, содержащего серу, приводит к выбросам диоксида серы в атмосферу. В атмосфере SO₂ окисляется и взаимодействует с водяным паром, образуя серную кислоту, что является причиной кислотных дождей. Кислотные дожди наносят ущерб лесам, водоёмам, почвам и архитектурным памятникам. Для снижения выбросов применяются системы сероочистки дымовых газов на электростанциях и использование низкосернистого топлива.

Сероводород, выделяющийся при гниении органических веществ и в вулканических газах, токсичен для человека и животных даже в небольших концентрациях. В то же время сероводородные источники используются в бальнеологии для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата и кожи.

¶Интересные факты

Сера — один из немногих элементов, известных с доисторических времён. В Библии она упоминается как «сера» и «жжёная сера», а в древнегреческих мифах — как средство очищения.
Пластическая сера, полученная при резком охлаждении расплава, обладает резиноподобными свойствами, но со временем кристаллизуется и становится хрупкой.
В 2016 году в районе Марианской впадины на глубине около 400 метров были обнаружены самородные скопления серы, образовавшиеся в результате вулканической активности.
Сера используется в производстве чёрного пороха с IX века, а её смесь с селитрой и углём оставалась основным метательным взрывчатым веществом до изобретения бездымного пороха в конце XIX века.
Соединения серы придают характерный запах чесноку, луку, горчице и тухлым яйцам.