Свойства серы

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Название. История открытия

Слово «сера», известное в древнерусском языке с XV в., заимствовано из старославянского «с?ра» -- «сера, смола», вообще «горючее вещество, жир». Этимология слова не выяснена до настоящих времен, поскольку первоначальное общеславянское название вещества утрачено и слово дошло до современного русского языка в искаженном виде.

По предположению Фасмера, «сера» восходит к лат. Sera -- «воск» или лат. Serum -- «сыворотка».

Латинское sulfur предположительно восходит к индоевропейскому корню *swelp -- «гореть».

Сера в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с древнейших времён. С запахом горящей серы, удушающим действием сернистого газа и отвратительным запахом сероводорода человек познакомился, вероятно, ещё в доисторические времена. Именно из-за этих свойств сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Сера считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов. Очень давно вещество стали применять в составе различных горючих смесей для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений горящей серы. Сера, вероятно, входила в состав «греческого огня», наводившего ужас на противников. Около VIII в. китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла), объясняют то, что её считали «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд. Пресвитер Теофил (XII в.) описывает способ окислительного обжига сульфидной медной руды, известный, вероятно, ещё в древнем Египте. В период арабской алхимии возникла ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась обязательной составной частью (отцом) всех металлов. В дальнейшем она стала одним из трёх принципов алхимиков, а позднее «принцип горючести» явился основой теории флогистона. 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.

С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения её из пиритов; последний был распространён в древней Руси. Впервые в литературе он описан у Агриколы. Таким образом, точно происхождение серы не установлено, но, как сказано выше, этот элемент использовался до Рождества Христова, а значит знаком людям с давних времён.

2. Положение серы в таблице Менделеева

Сера - S, химический элемент с атомным номером 16, атомная масса 32,066.
Химический символ серы S произносится «эс».

Природная сера состоит из четырех стабильных нуклидов: 32S (содержание 95,084% по массе), 33S (0,74 %), 34S (4,16%) и 36S (0,016 %).

Радиус атома серы 0,104 нм. Радиусы ионов: иона S2- 0,170 нм (координационное число 6), иона S4+ 0,051 нм (координационное число 6) и иона S6+ 0,026 нм (координационное число 4). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома серы от S0 до S6+ равны, соответственно, 10,36, 23,35, 34,8, 47,3, 72,5 и 88,0 эВ.

Сера расположена в VIA группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3-м периоде, и принадлежит к числу халькогенов. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s23p4. Наиболее характерны степени окисления в соединениях -2, +4, +6 (валентности соответственно II, IV и VI). Значение электроотрицательности серы по Полингу 2,6.

Сера относится к числу неметаллов.

3. Физические свойства серы

Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны циклические молекулы S8, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера -- хрупкое вещество жёлтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S4, S6) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую). Формулу серы чаще всего записывают просто S, так как она, хотя и имеет молекулярную структуру, является смесью простых веществ с разными молекулами. В воде сера нерастворима, некоторые её модификации растворяются в органических растворителях, например сероуглероде, скипидаре. Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C превращается в очень вязкую тёмно-коричневую массу. Наибольшую вязкость расплав серы приобретает при температуре 190 °С; дальнейшее повышение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше 300 °C расплавленная сера снова становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она постепенно полимеризуется, увеличивая длину цепочки с повышением температуры. При нагревании серы свыше 190 °С полимерные звенья начинают рушиться. Сера может служить простейшим примером электрета. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд.

4. Химические свойства серы

На воздухе сера горит, образуя сернистый ангидрид -- бесцветный газ с резким запахом:

S + O2 = SO2

С помощью спектрального анализа установлено, что на самом деле процесс окисления серы в двуокись представляет собой цепную реакцию и происходит с образованием ряда промежуточных продуктов: моноокиси серы S2O2, молекулярной серы S2, свободных атомов серы S и свободных радикалов моноокиси серы SO

Помимо кислорода, сера реагирует со многими неметаллами, однако при комнатной температуре - только со фтором, проявляя восстановительные свойства:

S + 3F2 = SF6

Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов:

2S + Cl2 = S2Cl2

S + Cl2 = SCl2

При нагревании сера также реагирует с фосфором, образуя, видимо, смесь сульфидов фосфора, среди которых -- высший сульфид P2S5:

5S + 2P = P2S5

сера физический химический биологический

Кроме того, при нагревании сера реагирует с водородом, углеродом, кремнием:

S + H2 = H2S (сероводород)

C + 2S = CS2 (сероуглерод)

При нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто -- весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды:

2Na + S = Na2S

Ca + S = CaS

2Al + 3S = Al2S3

Fe + S = FeS

Растворы сульфидов щелочных металлов реагируют с серой с образованием полисульфидов:

Na2S + S = Na2S2

Из сложных веществ следует отметить прежде всего реакцию серы с расплавленной щёлочью, в которой сера диспропорционирует аналогично хлору:

3S + 6KOH = K2SO3 + 2K2S + 3H2O

Полученный сплав называется серной печенью.

С концентрированными кислотами-окислителями (HNO3, H2SO4) сера реагирует только при длительном нагревании, окисляясь:

S + 6HNO3(конц.) = H2SO4 + 6NO2 ^ + 2H2O

S + 2H2SO4(конц.) = 3SO2 ^ + 2H2

5. Нахождение элемента и его соединений в пищевом сырье и продуктах питания

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

Сернистая кислота -- важный вспомогательный материал в виноделии. Она оказывает быстрое воздействие на дикие дрожжи, бактерии и окислительные ферменты. Сернистую кислоту в виноделии применяют в виде газообразного диоксида серы (SО2) и чистой жидкой сернистой кислоты, которая реализуется в специальных баллонах по 20-50 кг.

В малом виноделии сернистую кислоту используют в виде газообразной -- путем сжигания серы или в виде водных растворов сернистой кислоты. О применении сжигания серы при производстве вин есть свидетельства у древних египтян и римлян. Серу в виноделии применяют в виде серных фитилей.

Сернистый ангидрид сопровождает все процессы производства вин. Даже при выпуске готовой винопродукции разрешается содержание сернистого ангидрида на достаточно высоком уровне. Это связано с гарантией сохранения винопродукции от отрицательного воздействия на вино кислорода воздуха. Законодательством в различных странах Европы разрешено содержать в готовых винах общего сернистого ангидрида от 200 мг/л до 450 мг/л при свободной сернистой кислоте от 20 до 100 мг/л.

В организм человека сера поступает с пищей в виде органических белковых соединений -- аминокислот, глютадиона, сульфатидов, витамина В1.

За одни сутки организм взрослого человека должен получить от 1 до 3г серы - тогда он будет чувствовать себя бодрым и полным сил.

Чтобы получить необходимое количество этого вещества, нужно употреблять в пищу следующие продукты:

· Сыр

· Яйца

· Мясо

· Рыбу

· Хлеб

· Крупы

· Бобовые

· Брюссельскую капусту

· Белокочанную капусту

· Чеснок

· Лук

· Салат

· Репу

· Ростки пшеницы

Диетологи говорят, что наибольшее количество серы содержится в перепелиных яйцах. Недаром их считают панацеей для выведения радионуклидов из организма. Однако куриные яйца также содержат много серы.

При нехватке серы в организме снижается общий жизненный тонус, резко падает иммунитет. Это означает, что человек становится подвержен любым вирусным и другим инфекциям, простудам, грибковым заболеваниям. Также может появиться чувство вялости, переходящее в хроническую усталость, если запасы серы не пополнить.

Сера, содержащаяся в продуктах питания, считается нетоксичной, но её химические соединения могут вызывать отравления, и даже со смертельным исходом - это сернистый газ, сероводород и т.д.

Учёным давно понятно, что сера играет очень важную роль в организме человека, и нарушения её обмена могут довольно быстро разрушать здоровье, но результатов клинических исследований на эту тему почти нет, так что множество возникающих острых и хронических заболеваний никак не связываются медиками с нехваткой или избытком этого элемента.

6. Биологическое значение элемента и его соединений, влияние на организм

Как и элементы органогены, сера в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением. Ее биологическая роль состоит в том, что она входит в структуру таких аминокислот, как цистеин и метионин, которые и выполняют в животных организмах (в том числе у человека), ряд незаменимых функций:

· придает необходимую для их функционирования пространственную организацию молекулам белков за счет образования дисульфидных мостиков

· является компонентом многих ферментов, гормонов (в частности в инсулина), и серосодержащих аминокислот

· является компонентом таких активных веществ, как гистамин, витамина биотин, витаминоида липоевой кислоты и др.

· сульфгидрильные группы образуют активные центры ряда ферментов

· обеспечивает передачу энергии в клетке: атом серы принимает на свободную орбиталь один из электронов кислорода

· участвует в переносе метильных групп

· входит в состав коэнзимов, включая коэнзим А.

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.
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 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). 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 полипетидных 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. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями.

Сера, подобно азоту, входит в состав белков, в силу чего белковый обмен является одновременно азотистым и серным. В белках сера содержится в аминокислотах: цистеине, цистине, метионине. Особенно богаты серой поверхностные слои кожи; здесь сера содержится в кератине (волосы содержат до 5-10% кератина) и меланине, пигменте, предохраняющем в виде загара глубокие слои кожи от вредного действия ультрафиолетовой радиации.
Элементарная сера не обладает выраженным токсическим действием, но все ее соединения токсичны. Например, при высокой концентрации сероводорода в воздухе отравление может развиться почти мгновенно. Судороги и потеря сознания сопровождаются быстрой смертью от остановки дыхания. При недостатке серы наблюдаются: тахикардия, повышение АД, нарушения функций кожи, выпадение волос, запоры, в тяжелых случаях - жировая дистрофия печени, кровоизлияние в почки, нарушения углеводного обмена и белкового обмена, перевозбуждение нервной системы, раздражительность и другие невротические реакции.

Сера содержится также в витамине тиамин и ферменте инсулин. Она активно помогает организму бороться с вредными бактериями, защищая протоплазму крови. Свертываемость крови также зависит от количества серы - она помогает поддерживать достаточный уровень свертываемости. Еще одна способность серы также делает ее необходимой - она способствует поддержанию нормальной концентрации вырабатываемой организмом желчи, что необходимо для переваривания пищи.

Замечательное свойство серы - замедлять процессы старения организма. Замедление старения возможно благодаря способности серы предохранять организм от радиации и других подобных воздействий окружающей среды. Это очень важно в условиях современной экологии и постоянного нахождения человека вблизи электроприборов и различных волновых излучателей.

Сера также жизненно необходима при синтезе коллагена. Это вещество придает коже необходимую структуру. Трио «кожа, ногти, волосы» сохраняют здоровый вид во многом благодаря этому макроэлементу. Ровный и стойкий загар также зависит от серы, т.к. она входит в пигмент кожи меланин.

Сера участвует в формировании хрящевой ткани; влияет на рост, гибкость и эластичность костей; укрепляет мышечный каркас - это особенно важно для подростков; останавливает развивающийся сколиоз; при артритах, растяжениях, миозите, бурсите уменьшает боли и воспаления, снимает судороги.

Сера содержится в гемоглобине. А мы знаем, что от уровня гемоглобина в крови напрямую зависит транспортировка кислорода к клеткам тканей организма из органов дыхания и перемещение углекислого газа из клеток в органы дыхания. То есть возможность насыщать кровь кислородом и тем самым обеспечивать человека жизненной энергией.

Сера способствует очищению организма от токсинов, поэтому при ее дефиците организм плохо очищается от шлаков. На коже могут появиться высыпания или покраснение - так главный выделительный орган сигнализирует о том, что организм загрязнен токсинами. Еще один признак нехватки серы - дряблая кожа, безжизненные волосы и тонкие ногти.

Волосы могут выпадать, ногтевые пластины истончаются. Если нет других явных причин для такого состояния, значит все дело в нехватке серы.

Плохая свертываемость крови, запоры, проблемы с сосудами - эти симптомы могут быть последствиями нехватки серы.

Продукты животного происхождения содержат больше серы, чем представители флоры. Восполнить недостаток серы с помощью овощей лучше сделать в виде соков. Свежевыжатый овощной сок с утра за полчаса до еды - идеальное решение не только для восполнения запасов микроэлементов, но и для оздоровления всего организма. Эта процедура поможет усилить действие всех минеральных веществ, будет способствовать их лучшему усвоению и поможет улучшить общее состояние здоровья.

Сера, содержащаяся в продуктах питания, считается нетоксичной, но её химические соединения могут вызывать отравления, и даже со смертельным исходом - это сернистый газ, сероводород и т.д.

Вдыхание паров сероводорода быстро вызывает судороги, человек теряет сознание и перестаёт дышать. Если он остаётся жив, то может стать инвалидом - с параличами, нарушениями психики, работы лёгких и ЖКТ; либо страдает от сильных головных болей и других последствий отравления.

Специалисты считают, что избыточное поступление серы в организм в последние годы значительно увеличилось: в продукты питания добавляют сульфиты - для того, чтобы продлить срок их хранения. Больше всего их в копчёных продуктах, так любимых нашими соотечественниками; в готовых салатах, которые хозяйки покупают в супермаркетах; в пиве, которое пьют даже школьники; в окрашенных винах и уксусе; картофеле и свежих овощах - при их выращивании используются удобрения. Тяжёлых отравлений такие дозы сульфитов не вызывают, но они накапливаются в организме, и многие врачи видят здесь связь с увеличением количества больных бронхиальной астмой.

При избытке серы в организме могут проявляться: кожный зуд, сыпь и фурункулы; развивается конъюнктивит и возникают дефекты роговицы, появляется «песок в глазах», глазные яблоки ломит, текут слёзы, глаза раздражает свет; появляется малокровие, слабость, головокружение, головные боли и тошнота; развиваются заболевания верхних дыхательных путей; ослабевает слух; возникают частые расстройства пищеварения, жидкий стул, теряется масса тела; заметно понижается интеллект.

Усвоению серы в организме способствуют фтор и железо, а замедляют его - селен, молибден, свинец, барий, мышьяк.

Учёным давно понятно, что сера играет очень важную роль в организме человека, и нарушения её обмена могут довольно быстро разрушать здоровье, но результатов клинических исследований на эту тему почти нет, так что множество возникающих острых и хронических заболеваний никак не связываются медиками с нехваткой или избытком этого элемента.

7. Методы и способы определения серы и ее соединений

1. Гравиметрический метод.

Метод основан на реакции взаимодействия сульфат-ионов с катионами бария, сопровождающееся образованием малорастворимого кристаллического осадка BaSO4. осадок отфильтровывают, промывают, прокаливают, взвешивают и рассчитывают в нем содержание серы или сульфат-ионов. На этом принципе основано определение свободной, пиритной и сульфидной серы в каменном угле, рудах и минералах с той лишь разницей, что серу окисляют до сульфатной серы.

2. Йодометрическое титрование.

Йодометрическое определение применяется для определения серы в виде серной кислоты.

Основой йодометрического определения кислот является реакция:

IO3--+ 5I- + 6H+ = 3I2 + 3H2O

3. Йодиметрическое определение.

Методом йодиметрии проводят определение либо сульфид, либо сульфит-ионов. Определение сульфид-ионов проводят прямым титрованием:

H2S + I2 S +2I- + 2H+

Определение же сульфит-ионов проводят методом обратного титрования:

SO32- + I2 изб + H2O = SO42- + 2I- + 2H++ I2 ост

I2 ост + Na2S2O3 = NaI + Na2S4O6

Титрантом метода является свежеприготовленный раствор йода в иодиде калия с Сн = 0,1 н. Его готовят либо по точной навеске из предварительно очищенного сублимацией йода, либо по приближенной навеске, для чего 13 г. йода растворяют в 50 мл. KI и доводят объем в мерной колбе до 1 литра. Затем раствор стандартизуют по 0,1 н раствору тиосульфата натрия:

I2 + Na2S2O3 = NaI + Na2S4O6

4. Метод отгонки.

Данный метод основан на разложении пробы в разных условиях и улавливании выделяющихся продуктов реакции специально подобранными поглотителями. По изменению массы поглотителя судят о массе содержащейся в образце серы.

Различают окислительный и восстановительный варианты отгонки. При окислительном варианте отгонки в качестве продукта реакции образуется сернистый ангидрид, причем процесс ведут при температуре 1300-1400 С. Выделяющийся газ улавливают водой, а образующуюся сернистую кислоту оттитровывают раствором йода, либо смесью KI и KIO3. Также выделившийся SO2можно улавливать раствором H2O2. В случае восстановительного варианта отгонки пробу растворяют в соляной кислоте при 100С, а выделяющийся H2S поглощают растворами ацетата кадмия или цинка.

5. ПОСТ-2Мк Аппарат для определения содержания серы в темных нефтепродуктах

ПОСТ-2Мк предназна-чен для сжигания массы анализируемых образцов нефтепродуктов при температуре 900-950°С, с последующим поглощением продуктов сгорания и определением массовой доли серы методом титриметрии. Рекоменду-ется для примене-ния в лабораториях предприятий, по-ставляющих, пере-рабатывающих и хранящих нефть и нефтепродукты.

6. Метод анализа воздуха с помощью газоанализатора.

Газоанализаторы в отличие от стационарных приборов не позволяют достигнуть столь же высокой чувствительности, точности и селективности. Однако при необходимости оперативного контроля содержания примесей загрязняющих веществ в атмосферном и особенно в воздухе рабочей зоны в промышленных выбросах они могут быть полезны и необходимы. Для определения сероводорода используют газоанализатор марки 666Э303,предел обнаружения которого находится от 0 до 20 мг/м3. Для определения сернистого ангидрида используют газоанализатор марки 667ФФ-03,предел обнаружения которого 0,001 мг/м3.

Литература

1. Справочник химика, т.III, - М.: Химия, 1964. -1008 с.

2. Химическая энциклопедия. - М.: Гос. научное издательство «Советская энциклопедия», 1963. - 1088 с.

3. Сера, химический элемент Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). --СПб., 1890--1907.

Размещено на Allbest.ru