Химический элемент сера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Химический элемент сера

Введение

Сера (S) от лат. sulphur - элемент VI группы, главной подгруппы, третьего периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 16, атомная масса 32,066; относится к халькогенам.

Природная сера состоит из четырех изотопов: ³²S (95,084 %), ³³S (0,74 %), ³⁴S (4,16 %), ³⁶S (0,016 %). Проявляет неметаллические свойства. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3s² 3р⁴; наиболее характерные степени окисления - 2, +4, +6. Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов 0,52·10^-28 м². В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов, образует, многие кислоты и соли. Многие серосодержащие соли малорастворимы в воде.

1. Происхождение серы

Большие скопления самородной серы встречаются не так уж часто. Чаще она присутствует в некоторых рудах. Руда самородной серы - это порода с вкраплениями чистой серы.

Теория сингенеза (то есть одновременного образования серы и вмещающих пород) предполагает, что образование самородной серы происходило в мелководных бассейнах. Особые бактерии восстанавливали сульфаты, растворённые в воде, до сероводорода, который поднимался вверх, попадал в окислительную зону и здесь химическим путём или при участии других бактерий окислялся до элементарной серы. Сера осаждалась на дно, и впоследствии содержащий серу ил образовал руду.

Теория эпигенеза (вкрапления серы образовались позднее, чем основные породы) имеет несколько вариантов. Самый распространённый из них предполагает, что подземные воды, проникая сквозь толщи пород, обогащаются сульфатами. Если такие воды соприкасаются с месторождениями нефти или природного газа, то ионы сульфатов восстанавливаются углеводородами до сероводорода. Сероводород поднимается к поверхности и, окисляясь, выделяет чистую серу в пустотах и трещинах пород.

В последние десятилетия находит всё новые подтверждения одна из разновидностей теории эпигенеза - теория метасоматоза. Согласно ей в недрах постоянно происходит превращение гипса CaSO₄-H₂O и ангидрита CaSO₄ в серу и кальцит СаСО₃. Эта теория создана в 1935 году советскими учёными Л.М. Миропольским и Б.П. Кротовым. В её пользу говорит, в частности, такой факт.

В 1961 году в Ираке было открыто месторождение Мишрак. Сера здесь заключена в карбонатных породах, которые образуют свод, поддерживаемый уходящими вглубь опорами (в геологии их называют крыльями). Крылья эти состоят в основном из ангидрита и гипса. Такая же картина наблюдалась на отечественном месторождении Шор-Су.

Геологическое своеобразие этих месторождений можно объяснить только с позиций теории метасоматоза: первичные гипсы и ангидриты превратились во вторичные карбонатные руды с вкраплениями самородной серы. Важно не только соседство минералов - среднее содержание серы в руде этих месторождений равно содержанию химически связанной серы в ангидрите.

Но есть одно «но»: химизм процесса превращения гипса в серу и кальцит пока не ясен, и потому нет оснований считать теорию метасоматоза единственно правильной. На земле и сейчас существуют озёра (в частности, Серное озеро близ Серноводска), где происходит сингенетическое отложение серы и сероносный ил не содержит ни гипса, ни ангидрита.

Всё это означает, что разнообразие теорий и гипотез о происхождении самородной серы - результат не только и не столько неполноты наших знаний, сколько сложности явлений, происходящих в недрах.

2. История открытия

Сера в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с древнейших времён. Сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах, ее включали в состав различных мазей для лечения кожных заболеваний. Сера считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов.

В XI в. Авиценна (Ибн Сина), а затем и европейские алхимики полагали, что металлы, в том числе золото и серебро, состоят из находящихся в различных соотношениях серы и ртути. Поэтому сера играла важную роль в попытках алхимиков найти «философский камень» и превратить недрагоценные металлы в драгоценные.

Практическое значение серы резко возросло после того, как изобрели черный порох (в состав которого обязательно входит сера). Византийцы в 673 г., защищая Константинополь, сожгли флот неприятеля с помощью так называемого греческого огня - смеси селитры, серы, смолы и других веществ - пламя которого не гасилось водой. В средние века в Европе применялся черный порох, по составу близкий к смеси греческого огня. С тех пор началось широкое использование серы для военных целей.

Издавна было известно и важнейшее соединение серы - серная кислота. Один из создателей ятрохимии, монах Василий Валентин, в XV веке подробно описал получение серной кислоты путем прокаливания железного купороса (старинное название серной кислоты - купоросное масло).

Элементарную природу серы установил в 1789 А. Лавуазье. В названиях химических соединений, содержащих серу, часто содержится приставка «тио» (например, применяемый в фотографии реактив Na₂S₂O₃ имеет название тиосульфат натрия). Происхождение этой приставки связано с греческим названием серы - theion.

3. Физические свойства серы

Сера - твердое кристаллическое вещество, устойчивое в виде двух аллотропических модификаций. Ромбическая б-S лимонно-желтого цвета, плотность 2,07 г./см³, t_пл 112,8 °С, устойчива ниже 95,6 °С; моноклинная в-S медово-желтого цвета, плотность 1,96 г./см³, t_пл119,3 °С, устойчива между 95,6 °С и температурой плавления. Обе эти формы образованы восьмичленными циклическими молекулами S₈ с энергией связи S-S 225,7 кДж/моль.

При плавлении S превращается в подвижную желтую жидкость, которая выше 160 °С буреет, а около 190 °С становится вязкой темно-коричневой массой. Выше 190 °С вязкость уменьшается, а при 300 °С сера вновь становится жидкотекучей. Это обусловлено изменением строения молекул: при 160 °С кольца S₈ начинают разрываться, переходя в открытые цепи; дальнейшее нагревание выше 190 °С уменьшает среднюю длину таких цепей.

Если расплавленную серу, нагретую до 250-300 °С, влить тонкой струей в холодную воду, то получается коричнево-желтая упругая масса (пластическая сера). Она лишь частично растворяется в сероуглероде, в осадке остается рыхлый порошок. Растворимая в CS₂ модификация называется л-S, а нерастворимая - м-S. При комнатной температуре обе эти модификации превращаются в устойчивую хрупкую б-S. t_кип серы 444,6 °С (одна из стандартных точек международной температурной шкалы). В парах при температуре кипения, кроме молекул S₈, существуют также S₆, S₄ и S₂. При дальнейшем нагревании крупные молекулы распадаются, и при 900 °С остаются лишь S₂, которые приблизительно при 1500 °С заметно диссоциируют на атомы. При замораживании жидким азотом сильно нагретых паров серы, получается устойчивая ниже -80 °С пурпурная модификация, образованная молекулами S₂.

Сера - плохой проводник тепла и электричества. В воде она практически нерастворима, хорошо растворяется в безводном аммиаке, сероуглероде и в ряде органических растворителей (фенол, бензол, дихлорэтан и других).

4. Химические свойства серы

Конфигурация внешних электронов атома S 3s²Зр⁴. В соединениях сера проявляет степени окисления -2, +4, +6. Сера химически активна и особенно легко при нагревании соединяется почти со всеми элементами, за исключением N₂, I₂, Au, Pt и инертных газов. СО₂ на воздухе выше 300 °С образует оксиды: SO₂ - сернистый ангидрид и SO₃ - серный ангидрид, из которых получают соответственно сернистую кислоту и серную кислоту, а также их соли сульфиты и сульфаты. Уже на холоду S энергично соединяется с F₂, при нагревании реагирует с Cl₂; с бромом Сера образует только S₂Br₂, иодиды серы неустойчивы.

При нагревании (150-200 °С) наступает обратимая реакция с Н₂ с получением сернистого водорода. Сера образует также многосернистые водороды общей формулы H₂S_Х, так называемые сульфаны. Известны многочисленные сераорганические соединения.

При нагревании сера взаимодействует с металлами, образуя соответствующие сернистые соединения (сульфиды) и многосернистые металлы (полисульфиды). При температуре 800-900 °С пары серы реагируют с углеродом, образуя сероуглерод CS₂. Соединения Серы с азотом (N₄S₄ и N₂S₅) могут быть получены только косвенным путем.

5. Нахождение в природе

Сера довольно широко распространена в природе. В земной коре ее содержание оценивается в 0,05 % по массе. В природе часто встречаются значительные залежи самородной серы (обычно вблизи вулканов); в Европе они расположены на юге Италии, в Сицилии. Еще большие залежи самородной серы имеются в США (в штатах Луизиана и Техас), а также в Средней Азии, в Японии, в Мексике. В природе сера встречается как россыпями, так и в виде кристаллических пластов, иногда образуя изумительные по красоте группы полупрозрачных желтых кристаллов (так называемые друзы).

В вулканических местностях часто наблюдается выделение из-под земли газа сероводорода H₂S; в этих же регионах сероводород встречается в растворенном виде в серных водах. Вулканические газы часто содержат также сернистый газ SO₂.

На поверхности нашей планеты широко распространены месторождения различных сульфидных соединений. Наиболее часто среди них встречаются: железный колчедан (пирит) FeS₂, медный колчедан (халькопирит) CuFeS₂, свинцовый блеск PbS, киноварь HgS, сфалерит ZnS и его кристалическая модификация вюртцит, антимонит Sb₂S₃ и другие. Известны также многочисленные месторождения различных сульфатов, например, сульфата кальция (гипс CaSO₄·2H₂O и ангидрит CaSO₄), сульфата магния MgSO₄ (горькая соль), сульфата бария BaSO₄ (барит), сульфата стронция SrSO₄ (целестин), сульфата натрия Na₂SO₄·10H₂O (мирабилит) и др.

Каменные угли содержат в среднем 1,0-1,5 % серы. Сера может входить и в состав нефти. Целый ряд месторождений природного горючего газа содержат как примесь сероводород.

Сера относится к элементам, которые необходимы для живых организмов, так как она является существенной составной частью белков. Белки содержат 0,8-2,4 % (по массе) химически связанной серы. Растения получают серу из сульфатов, содержащихся в почве. Неприятные запахи, возникающие при гниении трупов животных, объясняются главным образом выделением соединений серы (сероводорода и меркаптанов), образующихся при разложении белков. В морской воде присутствует около 8,7·10-2 % серы.

6. Получение серы

В древности и в средние века серу добывали, вкапывая в землю большой глиняный горшок, на который ставили другой, с отверстием в дне. Последний заполняли породой, содержащей серу, и затем нагревали. Сера плавилась и стекала в нижний горшок.

В настоящее время серу получают, в основном, выплавляя ее из горных пород, содержащих самородную (элементарную) серу. Так называемый геотехнологический способ позволяет получать серу без подъема руды на поверхность. Этот способ был предложен в конце XIX века американским химиком Г. Фрашем, перед которым встала задача извлечения на поверхность земли серы из месторождений юга США, где песчаный грунт резко усложнял ее добычу традиционным шахтным методом.

Фраш предложил использовать для подъема серы на поверхность перегретый водяной пар. Перегретый пар по трубе подают в подземный слой, содержащий серу. Сера плавится (ее температура плавления немного ниже 120 °С) и по трубе, расположенной внутри той, по которой под землю закачивают водяной пар, поднимается наверх. Для того чтобы обеспечить подъем жидкой серы, через самую тонкую внутреннюю трубу нагнетают сжатый воздух.

По другому (термическому) методу, получившему особое распространение в начале XX века на Сицилии, серу выплавляют, или возгоняют, из дробленной горной породы в специальных глиняных печах.

Существуют и другие методы выделения самородной серы из породы, например, экстракцией сероуглеродом или флотационными методами.

В связи с тем, что потребность промышленности в сере очень велика, разработаны методы ее получения из сероводорода H₂S и сульфатов.

Метод окисления сероводорода до элементарной серы был впервые разработан в Великобритании, где значительные количества серы научились получать из остающегося после получении соды Na₂CO₃ по методу французского химика Н. Леблана сульфида кальция CaS. Метод Леблана основан на восстановлении сульфата натрия углем в присутствии известняка CaCO₃.

Na₂SO₄ + 2C = Na₂S + 2CO₂;

Na₂S + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaS.

Соду затем выщелачивают водой, а водную суспензию плохо растворимого сульфида кальция обрабатывают диоксидом углерода:

CaS + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + H₂S

Образующийся сероводород H₂S в смеси с воздухом пропускают в печи над слоем катализатора. При этом за счет неполного окисления сероводорода образуется сера:

2H₂S + O₂ = 2H₂O +2S

Аналогичный метод используют для получения элементарной серы и из сероводорода, сопутствующего природным газам.

Так как современная техника нуждается в сере высокой чистоты, разработаны эффективные методы рафинирования серы. При этом используют, в частности, различия в химическом поведении серы и примесей. Так, мышьяк и селен удаляют, обработав серу смесью азотной и серной кислот.

Использованием методов, основанных на дистилляции и ректификации, удается получить высокочистую серу с содержанием примесей 10-5 - 10-6 % по массе.

7. Применение

Около половины производимой серы используется на производство серной кислоты, около 25 % расходуется для получения сульфитов, 10-15 % - для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (главным образом винограда и хлопчатника) (наибольшее значение здесь имеет раствор медного купороса CuSO₄·5H₂O), около 10 % используется резиновой промышленностью для вулканизации резины. Серу применяют при производстве красителей и пигментов, взрывчатых веществ (она до сих пор входит в состав пороха), искусственных волокон, люминофоров. Серу используют при производстве спичек, так как она входит в состав, из которого изготовляют головки спичек. Серу до сих пор содержат некоторые мази, которыми лечат заболевания кожи. Для придания сталям особых свойств в них вводят небольшие добавки серы (хотя, как правило, примесь серы в сталях нежелательна).

8. Биологическая роль

сера химический биологический

Сера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 %. Биологическое значение серы определяется прежде всего тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи - S-S- в полипептидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (-SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Входит она в состав белка-коллагена (присутствует в костях, зубах и соединительных тканях) и белка-кератина (содержится в волосах, ногтях и коже), придает тканям прочность, форму и упругость.

В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г. серы. Суточная потребность взрослого человека в сере - около 4 г.

Сера выполняет огромный перечень функций:

? участие в обменных процессах, способствование их нормализации;

? улучшение работы нервной системы;

? стабилизация уровня глюкозы в крови;

? повышение иммунитета;

? противоаллергическое воздействие;

? поддержание кислородного баланса;

? является составным компонентом ряда витаминов, ферментов, аминокислот и гормонов (включая инсулин);

? участие в формировании костных и хрящевых тканей, улучшение работы суставов и связок;

? влияние на состояние волос, ногтей и кожи (вхождение в состав меланина, кератина и коллагена);

? укрепление мышечной ткани (особенно в периоды активного роста в детском и подростковом возрасте);

? участие в образовании ряда витаминов и усиление эффективности витамина В5, витамина В1, липоевой кислоты и биотина;

? ранозаживляющий и противовоспалительный эффекты;

? уменьшение суставных, мышечных болей и судорог;

? способствование нейтрализации и вымыванию из организма шлаков и токсинов;

? влияние на свертываемость крови;

? участие в выделении желчи печенью;

? повышение устойчивости к радиоизлучению.

Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями.

Однако по своему отрицательному воздействию на окружающую среду и человека сера (точнее, ее соединения) стоит на одном из первых мест. Основной источник загрязнения серой - сжигание каменного угля и других видов топлива, содержащих серу. При этом около 96 % серы, содержащейся в топливе, попадает в атмосферу в виде сернистого газа SO₂.

В атмосфере сернистый газ постепенно окисляется до оксида серы (VI). Оба оксида - и оксид серы (IV), и оксид серы (VI) - взаимодействуют с парами воды с образованием кислотного раствора. Затем эти растворы выпадают в виде кислотных дождей. Оказавшись в почве, кислотные воды угнетают развитие почвенной фауны и растений. В результате создаются неблагоприятные условия для развития растительности, особенно в северных регионах, где к суровому климату добавляется химическое загрязнение. В результате гибнут леса, нарушается травяной покров, ухудшается состояние водоемов. Кислотные дожди разрушают изготовленные из мрамора и других материалов памятники, более того, они вызывают разрушение даже каменных зданий и изделий из металлов. Поэтому приходится принимать разнообразные меры по предотвращению попадания соединений серы из топлива в атмосферу. Для этого подвергают очистке от соединений серы нефть и нефтепродукты, очищают образующиеся при сжигании топлива газы.

Сама по себе сера в виде пыли раздражает слизистые оболочки, органы дыхания и может вызывать серьезные заболевания. ПДК серы в воздухе 0,07 мг/м³.

Многие соединения серы токсичны. Особенно следует отметить сероводород, вдыхание которого быстро вызывает притупление реакции на его неприятный запах и может привести к тяжелым отравлениям даже с летальным исходом. ПДК сероводорода в воздухе рабочих помещений 10 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,008 мг/м³.

9. Источники в продуктах питания

Суточную потребность в сере можно обеспечить правильно организованным рациональным питанием. Основными источниками этого биоэлемента считают животные продукты, однако довольно значительное ее количество содержится в растительной пище. Наиболее богатыми серой являются нежирная говядина и свинина, яйца, сыры, рыба, моллюски, фасоль, молоко и капуста. Также ее содержат овсяная и гречневая крупы, лук, злаки, крыжовник, виноград, горчица, хрен, яблоки, чеснок, все бобовые и хлебобулочные изделия. 

Ниже приведена информация о содержании серы в некоторых продуктах:

10. Взаимодействие с другими веществами

? фтор и железо улучшают усвояемость серы

? молибден, барий, мышьяк, свинец и селен способствуют ухудшению ее усвоения

? сера угнетает все три стадии воспаления в организме за счет снижения липидного перекисного окисления и подавления воспалительных медиаторов

? элементарная сера может связываться со свободными сульфгидрильными группами, при этом образуя сероводород, который инактивирует ферменты тканевого дыхания.

Использованная литература

1. <a href=http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4017.html>СЕРА</a>

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0 % A1 % D0 % B5 % D1 % 80 % D0 % B0

3. http://chem100.ru/elem.php? n=16

4. http://alhimikov.net/element/S.html

5. http://fitfan.ru/nutrition/vitamins/3280_sera.html

6. http://www.webelements.narod.ru/elements/S.htm

Размещено на Allbest.ru