Сера. Общая характеристика, получение, химические свойства

Сера (S), Sulfur

Сера - это химический элемент с символом S и атомным номером 16.

• Она широко распространена, многовалентна и является Неметаллом.

• Элементарная сера представляет собой ярко - желтое кристаллическое твердое вещество при комнатной температуре.

При нормальных условиях атомы серы образуют циклические восьмиатомные молекулы с химической формулой S8.

Физические свойства серы

Аллотропия серы:

Сера образует более 30 твердых аллотропов, больше, чем любой другой элемент.

- ромбическая (α - сера) – нерастворимые кристаллы лимонно - желтого цвета, химически устойчива, именно она встречается в природе;

- моноклинная (β - сера) - белые кристаллические пластинки;

- пластическая – каучукоподобная, малоустойчивая, коричнево - зеленого цвета.

Сера содержит 23 известных изотопа, четыре из которых являются стабильными:

― 32S (94,99% ± 0,26%);

― 33S (0,75% ± 0,02%);

― 34S (4,25% ± 0,24%);

― 36S (0,01% ± 0,01%).

Природные минералы серы:

- гипс, алебастр (CaSO₄ * 2H₂O (гипс) → 2CaSO₄ * H₂O (алебастр))

- купоросы (CuSO₄ * 5H₂O – медный, FeSO₄ * 7H₂O – железный)

- квасцы (K₂SO₄ * Al₂(SO₄)₃ * 24H₂O - алюмокалиевые; K₂SO₄ * Cr₂(SO₄)₃ - хромокалиевые)

- колчеданы (FeS₂ – железный колчедан (пирит), FeCuS₂ – медный колчедан (халькопирит))

- сульфиды (ZnS – цинковая обманка, PbS – свинцовый блеск, CuS – медный блеск (халькозин)).

Сера является десятым наиболее распространенным элементом по массе во Вселенной и пятым наиболее распространенным на Земле.

Хотя иногда серу можно найти в чистом природном виде, на Земле она обычно встречается в виде сульфидных и сульфатных минералов.

Сера в изобилии в естественной форме была известна в древние времена, и ее упоминали в древней Индии, древней Греции, Китае и Египте. В Библии сера упоминается как «горящий камень».

Сегодня почти вся элементарная сера производится как побочный продукт удаления серосодержащих загрязнений из природного газа и нефти.

• Наибольшее коммерческое использование этого элемента - производство серной кислоты для сульфатных и фосфатных удобрений и другие химические процессы.

Элементная сера используется в спичках, инсектицидах и фунгицидах.

Какой у серы запах?

Многие соединения серы имеют душистый аромат, а запах органических газов, специфический неприятный запах у скунса, грейпфрута и чеснока происходят из-за сероорганических соединений.

• Сероводород придает характерный запах гниющим яйцам и другим биологическим процессам.

Сера в Космосе

32S создается внутри массивных звезд на глубине, где температура превышает 2,5 × 109 К, в результате слияния одного ядра кремния с одним ядром гелия.

• Поскольку эта ядерная реакция является частью альфа - процесса, который производит элементы в изобилии, сера является 10 - м наиболее распространенным элементом во Вселенной.

Отличительные цвета вулканической спутника Юпитера Ио приписываются различным формам расплавленной, твердой и газообразной серы.

Сера на Земле

Сера - это пятый по распространенности элемент по массе на Земле.

Элементарная сера может быть найдена около горячих источников и вулканических областей во многих частях мира, особенно вдоль Тихоокеанского Огненного Кольца; такие вулканические отложения в настоящее время добываются в Индонезии, Чили и Японии.

Самородная сера синтезируется анаэробными бактериями, действующими на сульфатные минералы, такие как гипс в соляных куполах.

Сера и Геология

Самородная сера может быть получена только в результате геологических процессов.

Обычные природные соединения серы включают

• сульфидные минералы, такие как пирит (сульфид железа), киноварь (сульфид ртути), галенит (сульфид свинца), сфалерит (сульфид цинка), стибнит (сульфид сурьмы);

• и сульфатные минералы, такие как гипс (сульфат кальция), алунит (сульфат калия-алюминия), барит (сульфат бария).

Сера и ее соединения

Известны многочисленные оксиды серы - моноксид серы, монооксид дисеры, диоксиды серы и высшие оксиды, содержащие пероксогруппы.

Некоторые из основных классов серосодержащих органических соединений включают следующие:

• Тиолы или меркаптаны (так называемые потому, что они улавливают ртуть в качестве хелаторов) являются аналогами серы спиртов; обработка тиолов основанием дает тиолат-ионы.

• Тиоэфиры являются серными аналогами простых эфиров.

• Ионы сульфония имеют три группы, связанные с катионным серным центром; диметилсульфонопропионат (ДМСП) является одним из таких соединений, важных в морском цикле органической серы.

• Сульфоксиды и сульфоны представляют собой тиоэфиры с одним и двумя атомами кислорода, присоединенными к атому серы соответственно. Простейший сульфоксид, диметилсульфоксид, является обычным растворителем; распространенным сульфоном является сульфолан.

• Сульфоновые кислоты используются во многих моющих средствах.

Сероорганические соединения ответственны за некоторые неприятные запахи разлагающегося органического вещества.

• Они широко известны как отдушка в домашнем природном газе, чесночный запах и "спрей" скунса.

Не все органические соединения серы неприятно пахнут при всех концентрациях:

• серосодержащий монотерпеноид (грейпфрутовый меркаптан) в небольших концентрациях является характерным запахом грейпфрута, но при более высоких концентрациях имеет характерный запах тиола.

Серная горчица (иприт), сильнодействующий реагент, использовалась в Первой мировой войне в качестве средства для выведения из строя.

• Серно - серные (S-S) связи являются структурным компонентом, используемым для придания жесткости каучуку, подобно дисульфидным мостикам, которые придают жесткость белкам.

Сера и Римская мифология

В наиболее распространенном типе промышленного "отверждения" и упрочнения натурального каучука элементарная сера нагревается с каучуком до такой степени, что химические реакции образуют дисульфидные мостики между изопреновыми звеньями полимера.

• Этот процесс, запатентованный в 1843 году, сделал резину основным промышленным продуктом, особенно в автомобильных шинах.

Из-за высокой температуры и серы процесс был назван вулканизацией в честь римского бога кузницы Вулкана.

Сера и древние времена

Будучи в изобилии доступным в естественном виде, сера была известна в древние времена и упоминается в Торе (Бытие).

• Английские переводы Библии обычно упоминают сжигание серы как «серное пламя», порождая термин «огонь и сера», в котором слушателям напоминают о судьбе вечного проклятия, которое ожидает неверующих и нераскаявшихся.

• Именно из этой части Библии ад подразумевается под «запахом серы» (вероятно, из-за его связи с вулканической активностью).

Согласно папирусу Эберса, серная мазь использовалась в древнем Египте для лечения зернистых век.

• Сера использовалась для фумигации в доклассической Греции; это упоминается в «Одиссее».

• Плиний Старший обсуждает серу в свой «Естественной истории», говоря, что ее самый известный источник - остров Мелос.

Он упоминает ее использование для фумигации, медицины и отбеливания ткани.

• Природная форма серы, известная как shiliuhuang (石 硫黄), была известна в Китае с 6-го века до нашей эры и была обнаружена в Ханьчжуне.

К 3-му веку китайцы обнаружили, что сера может быть извлечена из пирита.

• Китайские даосы интересовались воспламеняемостью серы и ее реакционной способностью по отношению к определенным металлам, однако ее самые ранние практические применения были найдены в традиционной китайской медицине.

Военный трактат династии Сун в 1044 году нашей эры описывает различные формулы для китайского черного порошка, который представляет собой смесь нитрата калия (KNO3), древесный уголь и серу. Этот состав до сих пор остается компонентом черного пороха.

В 1777 году Антуан Лавуазье помог убедить научное сообщество, что сера является элементом, а не соединением.

Сера вступает в реакцию непосредственно с метаном с образованием дисульфида углерода, который используется для производства целлофана и вискозы.

• Одним из применений элементарной серы является вулканизация каучука, где полисульфидные цепи сшивают органические полимеры.

• Большое количество сульфитов используется для отбеливания бумаги и сохранения сухофруктов.

Сера и Растения

Сера все чаще используется в качестве компонента удобрений.

• Наиболее важной формой серы для удобрения является минерал сульфат кальция.

• Элементарная сера является гидрофобной (не растворяется в воде) и не может использоваться непосредственно растениями.

Со временем почвенные бактерии могут превращать его в растворимые производные, которые затем могут использоваться растениями.

• Сера повышает эффективность других важных питательных веществ для растений, особенно азота и фосфора.

• Ботаническая потребность в сере равна или превышает потребность в фосфоре.

Это важное питательное вещество для роста растений, формирования корневых клубеньков бобовых, а также иммунитета и защитных систем.

• Дефицит серы стал широко распространенным во многих странах Европы.

Поскольку атмосферные поступления серы продолжают уменьшаться, дефицит ввода / вывода серы, вероятно, увеличится, если не использовать серные удобрения.

Важно! Газообразный сероводород и гидросульфидный анион чрезвычайно токсичны для млекопитающих из-за их ингибирования кислородоносности гемоглобина и некоторых цитохромов способом, аналогичным цианиду и азиду.

Сера и Лекарства

Сероорганические соединения используются в фармацевтике, красителях и агрохимикатах.

• Многие лекарства содержат серу; ранние примеры - антибактериальные сульфонамиды, известные как сульфаниламидные препараты.

• Сера является частью многих защитных молекул бактерий.

Большинство β-лактамных антибиотиков, включая пенициллины, цефалоспорины и монолактамы, содержат серу.

Сульфат магния, известный как соль Эпсома в гидратированной кристаллической форме, может использоваться в качестве слабительного средства, добавки для ванн, эксфолианта, добавки магния для растений или (в обезвоженном виде) в качестве осушителя.

Сера и Пестициды

Элементарная сера является одним из старейших фунгицидов и пестицидов.

• «Серая пыль», элементарная сера в порошкообразной форме, является распространенным фунгицидом для винограда, клубники, многих овощей и некоторых других культур.

Она обладает хорошей эффективностью против широкого спектра мучнистой росы, а также от черных пятен.

• В органическом производстве сера является наиболее важным фунгицидом. Это единственный фунгицид, используемый при выращивании яблок, выращиваемых в органических условиях, против парши основной болезни в холодных условиях.

Сера и Вино

Небольшие количества добавляемого газообразного диоксида серы (или эквивалентное добавление метабисульфита калия) к ферментированному вину с образованием следов серной кислоты (образующейся при взаимодействии SO2 с водой) и ее сульфитных солей в смеси, называют «самым мощным инструментом в виноделии».

• После стадии дрожжевого брожения в виноделии сульфиты поглощают кислород и препятствуют росту аэробных бактерий, которые в противном случае превратили бы этанол в уксусную кислоту, что приводило к насыщению вина.

Без этой стадии консервирования обычно требуется непременное охлаждение продукта перед употреблением.

• Подобные методы восходят к античности, но современные исторические упоминания о практике относятся к пятнадцатому веку. Эта практика используется как крупными промышленными производителями вин, так и небольшими производителями органических вин.

Сера и Кожа

Сера (в частности, октасерная кислота, S8) используется в фармацевтических препаратах для кожи для лечения прыщей и других состояний.

• Он действует как кератолитический агент, а также убивает бактерии, грибы, чесоточного клеща и других паразитов.

• Осажденная сера и коллоидная сера используются в форме лосьонов, кремов, порошков, мыла и добавок для ванн для лечения обыкновенных угрей, розовых угрей и себорейного дерматита.

Общие побочные эффекты включают раздражение кожи в месте нанесения, в виде сухости, жжения, зуда и шелушения.

• Сера является важным компонентом всех живых клеток.

Это седьмой или восьмой самый распространенный элемент в организме человека по массе, примерно равный по содержанию калию и немного превышающий натрий и хлор.

Человеческое тело весом 70 кг (150 фунтов) содержит около 140 г серы.

Сера и Белки

У растений и животных аминокислоты цистеин и метионин содержат большую часть серы, и этот элемент присутствует во всех полипептидах, белках и ферментах, которые содержат эти аминокислоты.

• У людей метионин является незаменимой аминокислотой, которая должна поступать в организм.

Однако, за исключением витаминов, - биотина и тиамина, цистеин и все серосодержащие соединения в организме человека могут быть синтезированы из метионина.

• Фермент сульфитоксидаза необходим для метаболизма метионина и цистеина у людей и животных.

Дисульфидные связи (связи S-S) между остатками цистеина в пептидных цепях очень важны для сборки и структуры белка.

• Эти ковалентные связи между пептидными цепями придают дополнительную прочность и жесткость.

Например, высокая прочность перьев и волос частично обусловлена высоким содержанием связей S-S с цистеином и серой.

• Яйца с высоким содержанием серы питают перо у цыплят, а характерный запах гниющих яиц обусловлен сероводородом.

Высокое содержание дисульфидных связей в волосах и перьях способствует их неперевариваемости и характерному неприятному запаху при сгорании.

• Гомоцистеин и таурин являются другими серосодержащими кислотами, которые похожи по структуре, но не кодируются ДНК, и не являются частью первичной структуры белков.

Многие важные клеточные ферменты используют протезные группы, заканчивающиеся фрагментами -SH, для обработки реакций с участием ацилсодержащих биохимических веществ: два общих примера основного метаболизма - это коэнзим А и альфа-липоевая кислота.

• Два из 13 классических витаминов, биотин и тиамин, содержат серу, причем последний назван по содержанию серы.

Во внутриклеточной химии сера действует как носитель восстановления водорода и его электронов для клеточного восстановления окисления.

• Восстановленный глутатион, серосодержащий трипептид, является восстанавливающим агентом благодаря его сульфгидрильной (-SH) частице, полученной из цистеина.

Тиоредоксины, класс малых белков, необходимых для всей известной жизни, используют соседние пары восстановленных цистеинов для работы в качестве общих белков-восстановителей с аналогичным эффектом.

• Неорганическая сера входит в состав железо-серных кластеров, а также многих белков меди, никеля и железа. Наиболее распространенными являются ферродоксины, которые служат электронными челноками в клетках.

У бактерий важные ферменты нитрогеназы содержат кластер Fe-Mo-S и являются катализатором, который выполняет важную функцию азотфиксации, превращая атмосферный азот в аммиак, который может использоваться микроорганизмами и растениями для производства белков, ДНК, РНК, алкалоидов. и других органических соединений азота, необходимых для жизни.

Сера и Биогеохимия

Цикл серы был первым из обнаруженных биогеохимических циклов.

• В 1880-х годах, изучая Beggiatoa (бактерию, обитающую в среде, богатой серой), Сергей Виноградский обнаружил, что она окисляет сероводород (H₂S) в качестве источника энергии, образуя внутриклеточные капли серы.

Виноградский назвал эту форму метаболизма неорганическим окислением (окисление неорганических соединений).

• Некоторые бактерии и археи используют сероводород вместо воды в качестве донора электронов при хемосинтезе, процессе, аналогичном фотосинтезу, который производит сахара и использует кислород в качестве электрона.

Примитивные бактерии, которые живут вокруг глубоководных вулканических жерл, окисляют сероводород в этом пути с кислородом;
Гигантский трубчатый червь является примером большого организма, который использует сероводород (через бактерии) в качестве пищи для окисления.

Кто дышит серой?

Так называемые сульфатредуцирующие бактерии, например, «дышат сульфатом» вместо кислорода.

• Они используют органические соединения или молекулярный водород в качестве источника энергии.

Сульфатредуцирующие бактерии используют серу в качестве акцептора электронов и восстанавливают различные окисленные соединения серы обратно в сульфид, часто в сероводород.

• Они могут расти на других частично окисленных соединениях серы (например, тиосульфаты, тионаты, полисульфиды, сульфиты).

Сероводород, производимый этими бактериями, ответственен за некоторые запахи кишечных газов (газы) и продукты разложения.

Сера поглощается корнями растений из почвы в виде сульфата и транспортируется в виде фосфатного эфира.

• Сульфат восстанавливается в сульфид через сульфит, прежде чем он включается в цистеин и другие сероорганические соединения.

• Схема превращения неорганической серы в органическую:

SO₄ ^2- → SO₃ ^2- → H₂S → цистеин → метионин

Сера в Химии

Сера горит синим пламенем с образованием диоксида серы, который имеет удушающий и раздражающий запах.

• Сера нерастворима в воде, но растворима в сероуглероде и, в меньшей степени, в других неполярных органических растворителях, таких как бензол и толуол.

Сера реагирует почти со всеми другими элементами, за исключением благородных газов.

• Элементарная сера нетоксична, как и большинство растворимых сульфатных солей, таких как соли Эпсома.

Растворимые сульфатные соли плохо абсорбируются и оказывают слабительное действие.

• При парентеральном введении они свободно фильтруются почками и устраняются с очень небольшой токсичностью в мультиграммовых количествах.

Когда сера горит в воздухе, она производит диоксид серы (SO2)

В воде этот газ производит серную кислоту и сульфиты; сульфиты являются антиоксидантами, которые подавляют рост аэробных бактерий и полезную пищевую добавку в небольших количествах.

• В высоких концентрациях эти кислоты вредят легким, глазам или другим тканям.

• В организмах без легких, таких как насекомые или растения, сульфит в высокой концентрации предотвращает дыхание.

Триоксид серы (получаемый в результате катализа из диоксида серы) и серная кислота одинаково сильно кислотны и вызывают коррозию в присутствии воды.

Серная кислота является сильным дегидратирующим агентом, который может удалять имеющиеся молекулы воды и компоненты воды из сахара и органических тканей.

После этой познавательной информации необходимо изучить химические свойства серы, а также ее получение, поэтому я составила таблицу для использования в подготовке к ОГЭ и ЕГЭ по химии.

Таблица: химические свойства серы