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
1) Получение |
1) В лаборатории |
Из водных растворов: Na2SO3S + 2H2SO4 (k) → 2NaHSO4 + S↓ + SO2 + H2O |
2) В промышленности |
1) 2H2S (газ) + 3O2 → 2SO2 + 2H2O (сжигание); 2) 2H2S + SO2 → 3S↓ + 2H2O (kat., Al2O3, Fe2O3); 3) 2H2S + H2SO3 → 2S↓ + 3H2O; 4) H2S (газ) → S↓ + H2 (t > 400 C); 5) SO2 +C → CO2 + S↓ (t).
1) ZnS + O2 → ZnO + SO2 (t); 2) SO2 + C → CO2 + S↓ (t).
1) CaSO4 + 4C → 4CO↑ + CaS (t); 2) CaS + 4C + H2O → CaCO3 + H2S↑; 3) 2H2S + O2 → 2S↑ + 2H2O. |
|
2) Химические свойства |
Окислительные и |
1) С металлами: 3S + 2Al → Al2S3 (t); S + 2Na → Na2S (расплав); S + Me → MeS + Q (Me = металлы, кроме Au, Pt, Ir). 2) С неметаллами: S (тв.) + H2 → H2S (150 – 350 C); S + O2 → SO2 (t); 2S + C → CS2 (800-900 C); 3S + 2P → P2S3 (расплав); 5S + 2P → P2S5 (без доступа воздуха). 3) С щелочами: 3S + 6NaOH → 2NaS + Na2SO3 + 3H2O; 4S + 6NaOH → 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O; 3S + 3Ca(OH)2 → 2CaS + CaSO4 + 3H2O (кипячение); 2S + 4NaOH + 3O2 → 2Na2SO4 + 2H2O (расплав, t). 4) С кислотами: S + 2H2SO4 → 3SO2↑ + 2H2O (t); S + 2HNO3 (p.) → H2SO4 + 2NO↑ (t); S + 6HNO3 (k.) → H2SO4 + 6NO2↑ + 2H2O (t); S + 2HI → H2S + I2. 5) C солями: 3S + 2KClO3 → 3SO2↑ + 2KCl (t); S + 2KMnO4 → K2SO4 + 2MnO2 (в слабощелочной среде); S + 3K2CO3 →2K2S + K2SO3 + 3CO2↑. |
Станьте первым!