О сере от А до Я

Сера – это элемент, минерал и неметалл. Читайте подробности о химии серы, её применении и биологической роли в нашей статье.

Положение в периодической системе

Сера – элемент 3-го периода 16-й группы по номенклатуре ИЮПАК (в устаревшей версии – VI главной подгруппы) периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Порядковый (атомный) номер – 16.

Обозначается символом S (от латинского sulphurium).

Англ. – sulfur, sulphur.

Относится к халькогенам, как и все элементы 16-й группы, неметаллический элемент.

История и происхождение названия

Сера известна как минимум со 2-го тысячелетия до нашей эры и упоминается во многих книгах, известных и в наши дни: в Библии, «Одиссее» Гомера и других.

Название

Есть несколько версий происхождения ее названия.

«Сера» может происходить от «сира» (санскрит), что значит «светло-жёлтый» по ассоциации с цветом самородной серы.

Латинское же название sulfur может происходить от «shulbari» (санскрит), что означает «враг меди» или арабского «sufra» — «желтый».

История открытия

Хотя сера была известна со времен древних цивилизаций (древнеегипетской, древнегреческой) и других, её история в современной науке берёт начало с открытия французского естествоиспытателя Антуана Лавуазье, который установил, что сера – не соединение, а элемент, и отразил это в «Начальном учебнике химии» («Traité élémentaire de chimie»), опубликованном в 1789г.

Аллотропия этого минерала (то есть, когда элемент существует в виде нескольких простых веществ) была обнаружена при изучении минерала немецким химиком Эйльхардом Мичерлихом в 1823г.

Валентность S

Валентность этого элемента определяется двумя способами.

По периодической таблице сера относится к VI подгруппе, т.о., её максимальная валентность равна 6. Низшая валентность определяется вычитанием 8 из номера группы: 6 – 8 = -2.

Строение атома серы

Атом состоит из ядра с положительным зарядом (16 протонов, 16 нейтронов) и 16 электронов, которые расположены на трех электронных оболочках.

Электронная конфигурация элемента: 1s22s22p63s23p4 или [Ne] 3s23p4

Атом серы S имеет 6 валентных электронов: 3s23p4.
До завершения внешнего уровня не хватает 2 электронов, соответственно, валентность в основном состоянии у серы – 2, в возбуждённом – 4 и 6.

Наиболее устойчивы четные степени окисления (-2, +2, +4, +6) в связи с участием в образовании химических связей 2 непарных электронов, а также 1 или 2 электронных пар.

Примеры валентности серы в соединениях:

• SO₂ – 4;
• SO₃ – 6;
• H₂S – 2.

Для серы более характерны низшая и высшая степени окисления.

Строение молекулы

Атомы S образуют молекулу S₈ (цикло-октасера), которая имеет циклическое строение.

Аллотропные модификации

Полиморфизм или аллотропия этого минерала объясняется тем, что связи S – S легко изменяются, межатомные расстояния варьируются в широких пределах, от 1.80 до 2.80 ангстрема, валентные углы S – S – S – от 90° до 180°.

В зависимости от внешних условий сера S8 существует в двух устойчивых модификациях: ромбическая и моноклинная.

Ромбическая сера

Это – альфа-модификация S, обычный желтый минерал. Модификация названа ромбической, т.к. она кристаллизируется в ромбической форме.

При температуре 95,4°С альфа-форма переходит в бета-форму.

Моноклинная сера

Это – бета-модификация S, строение кристалла – скошенный параллелепипед, моноклинная система.

Пластическая сера

Это – метастабильная форма S (μ-сера), образуется, когда расплавленную серу быстро охлаждают. Для неё характерна коричневая окраска и тягучесть, как у резины. Данная модификация нерастворима в сероуглероде.

При комнатной t° все модификации со временем превращаются в устойчивую ромбическую серу.

Свойства серы

Физические свойства

Самородная сера – это кристаллы жёлтого, серно-, коричневато- или зеленовато-желтого цвета. При наличии примесей может быть коричневого и даже черного цвета. Кристаллы чистой серы полупрозрачны или прозрачны.

Для каждой из модификаций серы характерны различные физические свойства, поэтому значительная часть источников приводит данные по ромбической модификации.

Фазовая диаграмма серы

Фазовая диаграмма, ось X – давление, ось Y – температура.

Цитата:

Химические свойства

Сера – химически активный элемент. Она взаимодействует со всеми простыми веществами, кроме инертных газов, при этом образуются сульфиды.

Если реакция со ртутью происходит при нагревании, то образуются сульфиды красной и черной модификации.

Соединения серы с золотом, платиной, йодом, теллуром и азотом синтезируются косвенными методами.

Во влажном воздухе S медленно окисляется воздухом до SO₂ и H₂SO₄.

Остальные неметаллы реагируют с серой при нагревании.

S реагирует с H₂ при температуре от 120°С, образуя H₂S, горит во фторе, образуя SF₆ («химическая платина»). Реакция с хлором ускоряется при нагревании, давая S₂Cl₂ и SCl₂.
На воздухе при температуре 250-260°С сгорает до SO₂.

Сера окисляется кислородом, соответственно, она – более слабый окислитель. Но многие вещества взаимодействуют с ней с более высокой скоростью, чем с кислородом. Медленно окисляющиеся металлы, например, железо, медь, цинк и другие при нагревании взаимодействуют с S почти мгновенно.

С учетом электронного строения атома, для молекулярной S возможны 2 электронных состояния, синглетное и триплетное, с разными химическими активностями.

Морфология

Оптические свойства

Кристаллографические свойства

Соединения серы

Степень окисления – 2

Оксид серы II (2)

SO, называется также монооксид или моноокись серы. Неустойчивое в обычных условиях вещество.

Сероводород

Сероводород (H₂S) – это газ, который получается при взаимодействии при высокой температуре серы с водородом. В этом соединении валентность серы – низшая.

Строение молекулы

Получившаяся из водорода и серы молекула H₂S полярна, имеет угловое строение.

Физические свойства

Химические свойства сероводорода

Сероводород – легковоспламеняющийся газ, при горении на воздухе даёт голубое пламя. В результате горения образуются вода и диоксид серы:

Сероводород – сильный восстановитель. Под воздействием сильных окислителей окисляется до серной кислоты или до диоксида серы.

Способы получения сероводорода

Природные источники сероводорода – вулканические газы и минеральные воды.
Сероводород выделяется в процессе гниения растений и других биоотходов (например, пищи и останков животных).

Основной индустриальный источник сероводорода – нефтегазовая промышленность. Сероводород генерируется в процессе переработки нефти, природного и коксового газов.

В лабораторных условиях сероводород получают разными способами.

Сульфиды и гидросульфиды

 

Полисульфиды (персульфиды)

Полисернистые соединения (имеющие последовательности из трех (двух) и более атомов серы).

Примеры соединений:

• Na₂S₃;
• FeS₂;
• (NH₄)₂S₂.

Обладают окислительными и восстановительными свойствами.

Степень окисления + 4

Оксид серы IV (4)

SO₂, другие названия и обозначения оксид серы (IV) – серный ангидрид, сернистый газ.

Представляет собой бесцветный ядовитый газ, имеет резкий запах зажженных спичек. Растворяется в воде, термоустойчив, обладает бактерицидными свойствами.

Сернистая кислота

H₂SO₃, сернистая кислота – водный раствор сернистого газа. Эта кислота существует лишь условно, поскольку она нестабильна, находится в водном растворе в малых концентрациях.

Химические свойства:

• Способна нейтрализовывать кислоты и основания;
• В присутствии щелочи образует сульфиты и гидросульфиты.

Сульфиты MeSO₃

Сульфиты – соли металлов M₂+SO₃, гидросульфиты – соли металлов M+HSO₃.

Степень окисления + 6

Оксид серы (VI)

SO₃, другие названия – серный ангидрид, серный газ, триоксид серы.

В серной кислоте и оксиде серы (VI) мы наблюдаем максимальную степень окисления серы или валентность серы.

Серный газ – бесцветная летучая жидкость.

В твердом виде высший оксид серы существует в виде аморфного летучего тримера. Кристаллический оксид серы (VI) существует в нескольких модификациях: например, льдовидная модификация, асбестовидная модификация.

Серная кислота

Формула серной кислоты – H₂SO₄.

Строение молекулы серной кислоты

Молекула имеет искаженно тетраэдрическое строение.

Физические свойства серной кислоты

В обычном состоянии – тяжелая прозрачная гигроскопичная маслянистая жидкость.

Химические свойства серной кислоты

Способы получения

Серную кислоту получают в лабораторных условиях следующим образом.

В промышленности серную кислоту производят в несколько этапов.

Применение серной кислоты

Серную кислоту применяют почти во всех отраслях производства.

В наибольших объемах серная кислота используется на производстве минеральных удобрений. Производство взрывчатых веществ, получение лекарственных препаратов, красителей, очищение поверхности металлов в машиностроении, производство пластмасс, искусственных волокон, моющих средств и т.д. – для всех этих процессов необходима серная кислота.

Соли серной кислоты – сульфаты и их применение

Соли серной кислоты – средние и кислые сульфаты. Большинство из них хорошо растворимо.

Наиболее известные сульфаты.

Изотопы серы

На данный момент известны 25 изотопов S.

Радиоактивные изотопы S быстро распадаются (период полураспада – до нескольких минут). Исключением является изотоп 35S, его период полураспада – 87,5 дня.

Сера в природе

Благодаря валентным возможностям серы, она существует в самых разнообразных соединениях.

В природе её можно найти как в виде самородков, так и в составе руд.

Живые организмы и растения тоже содержат в себе этот минерал. В числе прочего, она входит в структуру липидов и белков.

Главные месторождения самородной серы располагаются в России, Японии, США, Мексике и Италии.

Способы получения серы

Из породы самородная сера извлекается разными способами.

Промышленные методы.

Лабораторное получение.

Товарные формы.

Пожароопасность

Сера и в жидком, и в твёрдом состоянии является пожароопасной. Мелкодисперсная сера пожароопасна и взрывоопасна. Пыль, содержащая от 25% элементарного минерала и выше, так же взрывоопасна, как и чистая сера.

В присутствии влаги, в смеси с маслами, углем, при контакте с окислителями происходит самовозгорание.

Она легко вбирает в себя статическое электричество, что также повышает риски возникновения пожара.

Обеспечивать пожарную безопасность помещений, где находится сера, сложно ещё и потому, что она горит голубым пламенем, в основном, ультрафиолетового диапазона, и горение сложно обнаружить при визуальной инспекции или при наблюдении при помощи видеокамеры.

Для мониторинга состояния серы рекомендуется использовать ультрафиолетовые извещатели с детекторами, выполненными на основе молибдена, и размещать извещатели максимально близко к этому минералу.

При горении выделяется диоксид серы – крайне токсичный газ.

Применение серы

Примерно половина всей добытой самородной и другой серы идёт на получение серной кислоты.

Большие объемы используются для вулканизации каучука – получения резины.

Этот минерал и его соединения также используют для производства пороха, пиротехники, спичек.

Благодаря её бактерицидным и другим свойствам, сера широко используется в медицине и сельском хозяйстве.

Биологическая роль

Наше тело нуждается в сере, чтобы строить и чинить ДНК и защищать клетки от повреждений, которые могут приводить к серьезным заболеваниям, таким как рак. Этот минерал также помогает организму усваивать пищу и способствует здоровью кожи, волос, ногтей, сухожилий и связок.

Сера входит в состав двух аминокислот — метионина и цистеина.

Метионин — это незаменимая аминокислота, которая не может быть синтезирована организмом и должна потребляться из белковых источников. Цистеин – не незаменимая аминокислота и синтезируется организмом.

Специально принимать серу необходимости нет, но ее нужно получать из каких-то источников, например, продуктов питания и воды.

Биологическое действие

Сера нужна не только для правильного функционирования организма, она используется для его лечения и оздоровления. В медицине её используют в самых разнообразных формах: в составе шампуней и мазей, в виде таблеток, ванн, пара и т.д.

Сера доказанно эффективна при.

Эффективность частично или недостаточно доказана при.

Сера в продуктах питания

Когда-то считалось, что основным источником этого минерала является животный белок, но теперь мы знаем, что она также содержится в различных растительных и небелковых продуктах.

Рекомендуемая суточная доза (RDA) метионина установлена на уровне 14 миллиграммов на килограмм массы тела или примерно 1000 миллиграммов в день.

Недостаток серы в организме

Недостаток минерала в организме может приводить к.

Избыток серы в организме

Избыток минерала в организме может приводить к.

Интересные и познавательные факты о сере

• 90% серы растворено в океанах;
• Сера – 3-й по распространенности элемент в человеческом теле после кальция и фосфора, и седьмой в позвоночных организмах;
• Земная поверхность состоит из этого минерала на 3%;
• Сера занимает 10-е место среди самых часто встречающихся элементов на планете;
• Сама по себе она не является токсичной;
• Хотя чистая сера не имеет запаха, многие серные соединения пахнут. Например, жидкость, которую выделяют скунсы, имеет резкий запах из-за содержания меркаптанов – серных соединений.

• Считалось, что в состав Греческого огня, который использовала Византийская империя в своих войнах, входила природная сера;
• Сера упоминается в Библии 25 раз;
• Алхимик Парацельс назвал этот минерал одним из трех «принципов» (tria prima) или первичных элементов материи, наряду со ртутью и солью. Сера считалась средним элементом, находящимся между солью и ртутью. Каждый элемент также символизировал часть человека: соль – тело, ртуть – ум, сера – душу.

Основные источники, использованные в статье

1. Учебно-методическое пособие «Сера и её соединения», Т. А. Акмаева, Л. Ф. Кожина;
2. Статья «Discovery of Sulfur», Dr. Doug Stewart;
3. Учебник «Общая и неорганическая химия», Н. С. Ахметов;
4. Учебное пособие «Химия халькогенов», Ф. М. Спиридонов, В. П. Зломанов, под ред. Академика Ю. Д. Третьякова;
5. Учебник «Общая химия», Н.Л. Глинка.