Химические элементы

Сера

Се́ра (лат. Sulfur), S, химический элемент VI группы короткой формы (16-й группы длинной формы) , относится к ; атомный номер 16, атомная масса 32,065. Природная сера состоит из четырёх : 32S (наиболее распространён – 95,02 %), 33S, 34S, 36S.

Историческая справка

Сера в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с древнейших времён (упоминается в ), использовать начали около 2000 до н. э. (в серу применяли для , и др.). Сера входила в состав горючих смесей для военных целей (например, ), а также использовалась для окуривания (для дезинфекции, при религиозных обрядах). В Китае (8 в.) сера применялась для изготовления и . Средневековые учёные считали серу «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд. В период арабской возникла ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась «отцом» всех металлов, позднее «принцип горючести» стал основой теории . Элементарную природу серы установил в опытах по её сжиганию (1777).

Русское название «сера» происходит, вероятно, от праславянского sera, означавшего горючие и дурно пахнущие вещества, смолы, физиологические выделения (например, ушная сера), слово связывают с санскритским Sira (светло-жёлтый) – по цвету природной серы. Другое древнерусское название – «жупел» (горючая сера) объединяет признаки горючести и дурного запаха. Латинское sulfur предположительно восходит к индоевропейскому корню swelp – гореть.

Распространённость в природе

Сера – распространённый химический элемент, содержание в 0,034 % по массе, в воде морей и океанов 0,09 %. Встречается в свободном состоянии () и в виде сульфидных (, , , , , , , , и др.) и сульфатных (, , , и др.) ; см. также , , . Соединения серы присутствуют в , , , . Сера – , входит в состав , .

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома серы 3s24; наиболее характерные –2, +4, +6; соответственно 999,6; 2251; 3361; 4564; 7013; 8495 кДж/моль; по Полингу 2,58; 104 пм; (пм, в скобках даны ): S2– 170 (6), S4+ 51 (6), S6+ 26 (4).

Сера – неметалл; существует в нескольких модификациях, наиболее устойчивы ромбическая α-S8 (при комнатной температуре лимонно-жёлтые кристаллы, tпл 112,8 °C, плотность 2069 кг/м3, устойчива до 95,39 °C) и моноклинная β-S8 (бледно-жёлтые кристаллы, tпл 119,6 °C, устойчива при 95,39–119,6 °C). Кристаллические структуры α-S и β-S построены из неплоских циклических молекул S8 в виде короны и различаются взаимной ориентацией молекул S8. Сера образует циклические молекулы Sn с разным числом атомов n (цикл S8 предпочтителен, другие циклы менее устойчивы, особенно S5 и S4). Получены метастабильные модификации от красно-оранжевого (S6) до светло-жёлтого (S20) цвета. Известны моноклинная, т. н. перламутровая, γ-S8 (светло-жёлтые игольчатые кристаллы), ромбоэдрическая ε-S6 (красно-оранжевая), а также аморфная и пластическая (резиноподобная) сера, состоящие из длинных, нерегулярно расположенных зигзагообразных цепей Sn. При длительном выдерживании при 20–95 °C все формы серы превращаются в α-S8, при 96–110 °C – переходят в β-S8. Твёрдые и жидкая формы серы диамагнитны; сине-фиолетовая S2, устойчивая при высокой температуре, парамагнитна; α-S8 относят либо к высокоомным , либо к . Модификации серы характеризуют двумя tпл – «идеальной» (расплав содержит молекулы одного типа) и «естественной» (расплав содержит смесь молекул разного состава).

Образец серыОбразец серы. Фото: Ekaterina Kriminskaya / legion-media.ruРасплав серы вблизи tпл – подвижная жёлтая жидкость, содержит циклические молекулы S8 и Sn (n=6, 7, 9, 10); выше 120 °C образуются цепи Sx, при 160 °C содержание Sx максимально. При 187 °C расплав становится вязким, приобретает тёмно-коричневый цвет. Выше 187 °C полимерные цепи разрушаются, расплав теряет вязкость. Газообразная сера при tкип (444,6 °C) содержит молекулы S8, S6, S7, незначительно S2; при 700 °C примерно в равных количествах S2, S6, S8, S7, незначительно S3; выше 730 °C преобладают молекулы S2, выше 1500 °C – одноатомная S.

Сера нерастворима в воде, хорошо растворима в CS2 (29 % при 20 °C). Сера, содержащая полимерные цепи, нерастворима в CS2. Сера химически активна, при нагревании образует соединения почти со всеми элементами. Концентрированная Н2SO4 окисляет расплавленную серу до SO2, концентрированная HNO3 – до H2SO4; при нагревании сера в растворах щелочей, образуя и , а затем и . При 280 °C сера горит в О2, при 360 °C – в воздухе, образуя SO2 (с примесью SO3). С (кроме I2) образует , с даёт и сульфаны H2Sx (полисероводороды, x⩾2), с – сероуглерод CS2, с металлами и неметаллами – сульфиды. Получены серы: циклические S4N4, S2N2; полимерный (SN)x с металлической проводимостью, низкотемпературный ; S4N2 и др. Известны соединения с катионами S82+, S192+ и др. Циклические анионы Sn2– могут быть , таких как K2[Pt(S5)3]. См. также .

Получение

Серу добывают из самородных руд, получают H2S или восстановлением SO2. Для добычи из руд часто используют геотехнологический метод – выплавку серы путём подачи в рудный пласт горячего водяного пара; затем сжатым воздухом расплав поднимают на поверхность. Другие методы включают выплавку из дроблёной руды в камерных печах, , извлечение из руд сероуглеродом, обработку в горячим паром и др. Серу получают из сырой нефти и отходов нефтепереработки, промышленных газов (генераторный, , ) и природных газов, содержащих H2S, путём обработки газов щелочными растворами с последующим окислением. Попутное извлечение серы при переработке сульфидных руд заключается в восстановлении SO2 . Из самородных руд получается природная комовая сера, из H2S и SO2 – гaзовая комовая; природная комовая сера, очищенная перегонкой, – рафинированная сера, из паров выше tпл и разлитая из жидкого состояния в формы – черенковая сера, сконденсированная в твёрдое состояние из паров – «серный цвет». Высокодисперсная сера называется коллоидной. Для очистки серы используют химические методы (обработка концентрированными HNO3 и H2SO4, промывка, сублимация в вакууме); глубокую очистку ведут и . Высокочистая сера содержит 10–5–10–6 % примесей. Объём мирового производства серы около 80 млн т/год (2020).

Применение

Около 50 % производимой серы используют для получения H2SO4, около 25 % – , 10–15 % – для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур (главным образом и ), около 10 % – в резиновой промышленности ( агент). Серу применяют в производстве , , , , CS2, сульфидов, в органическом и др.; сера входит в состав головок спичек, для лечения .

Основной источник загрязнения соединениями серы – сжигание угля и , металлургического производства; 96 % серы поступает в атмосферу в виде SO2, остальное – сульфаты, H2S, CS2, COS и др. Мелкодисперсная сера раздражает , , может вызывать и др. Многие соединения серы .

Первая публикация: Большая российская энциклопедия, 2015.
  • Группа 16 (VIA, VIB)
  • Подгруппа кислорода
  • p-элементы