СЕРА, S (sulfur), неметаллический химический элемент, член семейства халькогенов (O, S, Se, Te и Po) – VI группы периодической системы элементов. Cера, как и многие ее применения, известны с далекой древности. А.Лавуазье утверждал, что сера – это элемент. Сера жизненно необходима для роста растений и животных, она входит в состав живых организмов и продуктов их разложения, ее много, например, в яйцах, капусте, хрене, чесноке, горчице, луке, волосах, шерсти и т.д. Она присутствует также в углях и нефти.
Применение.
Около половины ежегодного потребления серы идет на производство таких промышленных химических продуктов, как серная кислота, диоксид серы и дисульфид углерода (сероуглерод). Кроме того, сера широко используется в производстве инсектицидов, спичек, удобрений, взрывчатых веществ, бумаги, полимеров, красок и красителей, при вулканизации каучука. Ведущее место в добыче серы занимают США, страны СНГ и Канада.
Распространенность в природе.
Сера встречается в свободном состоянии (самородная сера). Кроме того, имеются огромные запасы серы в виде сульфидных руд, прежде всего руд свинца (свинцовый блеск), цинка (цинковая обманка), меди (медный блеск) и железа (пирит). При извлечении металлов из этих руд освобождаются от серы обычно обжигом в присутствии кислорода, при этом образуется диоксид серы(IV), который часто выбрасывается в атмосферу без использования. Кроме сульфидных руд достаточно много серы встречается в виде сульфатов, например, сульфата кальция (гипс), сульфата бария (барит). В морской воде и многих минеральных водах присутствуют растворимые в воде сульфаты магния и натрия. В некоторых минеральных водах встречается сульфид водорода (сероводород). В промышленности серу можно получать как побочный продукт процессов в плавильных, коксовых печах, при нефтепереработке, из топочных или природных газов. Из природных подземных отложений серу добывают, расплавляя ее перегретой водой и доставляя на поверхность сжатым воздухом и насосами. Во фраш-процессе извлечения серы из сероносных отложений на установке в виде концентрических труб, запатентованной Г.Фрашем в 1891, сера получается чистотой до 99,5%.
Свойства.
Сера имеет вид желтого порошка или хрупкой кристаллической массы без запаха и вкуса и нерастворима в воде. Для серы характерны несколько аллотропных модификаций. Наиболее известны следующие: кристаллическая сера – ромбическая (самородная сера, a-S) и моноклинная (призматическая сера, b-S); аморфная – коллоидная (серное молоко) и пластическая; промежуточная аморфно-кристаллическая – сублимированная (серный цвет).
Таблица: СВОЙСТВА СЕРЫ
Кристаллическая сера.
Кристаллическая сера имеет две модификации; одну из них, ромбическую, получают из раствора серы в сероуглероде (CS2) испарением растворителя при комнатной температуре. При этом образуются ромбовидные просвечивающие кристаллы светложелтого цвета, легко растворимые в CS2. Эта модификация устойчива до 96° С, при более высокой температуре стабильна моноклинная форма. При естественном охлаждении расплавленной серы в цилиндрических тиглях вырастают крупные кристаллы ромбической модификации с искаженной формой (октаэдры, у которых частично «срезаны» углы или грани). Такой материал в промышленности называется комовая сера. Моноклинная модификация серы представляет собой длинные прозрачные темножелтые игольчатые кристаллы, также растворимые в CS2. При охлаждении моноклинной серы ниже 96° С образуется более стабильная желтая ромбическая сера.
Некристаллическая сера.
В дополнение к этим кристаллическим и аморфным формам существует промежуточная форма, известная как серный цвет или сублимированная сера, которая получается конденсацией паров серы, минуя жидкую фазу. Она состоит из мельчайших зерен, имеющих центр кристаллизации и аморфную поверхность. Эта форма медленно и не полностью растворяется в CS2. После обработки аммиаком для очистки от таких примесей, как мышьяк, получается продукт, известный в медицине как промытая сера, которая используется аналогично коллоидной сере.
Из истории применения свойств серы человеком известно, что еще жрецы Древнего Египта использовали серу и ее соединения (сульфиды) для создания магической, таинственной обстановки, окуривая ее парами помещения культовых залов, где проводились религиозные обряды.
В некоторых клинических случаях лечение серой - действительно лучшее средство, возможности которого мы рассмотрим в данной статье.
Целебные свойства серы
Макроэлемент сера считается биогенным химическим элементом, т. е. в норме присутствует в тканях человеческого тела. Сера представляет собой желтый порошок. Название этого элемента происходит, вероятно, от санскритского слова «сира», имеющего значение «светло-желтый». В природе есть несколько структурных изомеров серы, отличающихся друг от друга по конфигурации молекулы. К ним относят ромбическую и моноклиническую разновидности серы. Природные соединения, в состав которых входит сера, с успехом применяются в медицине.
Всего в организме взрослого человека содержится 0,25 % серы от общей массы тела. Больше всего серы в костно-хрящевой системе, волосах и коже, желчи, нервной ткани.
Так, в ходе клинических исследований доказано, что лечение серой при наличии артритов, судорог и мышечных спазмов, остеохондрозе соединение метилсульфонилметан, являющееся богатым природным кладезем серы, оказывает лечебный эффект. Такое целебное действие серы, входящей в состав соединения, объясняется содержанием в хрящевых и костных тканях глюкозаминсульфата и хондроитинсульфата. Эти вещества обеспечивают эластичность и структурную организацию хрящей и связочного аппарата.
Греки в древности использовали для устрашения и завоевания военного преимущества оружие, выстреливающее составом, включающим в себя серу. У великого Гомера есть записи в сочинениях, где пишется об опасном для здоровья и жизни человека действии продуктов горения серы.
Показания и противопоказания к лечению серой
Важно постоянное поступление в организм с пищей необходимого количества серы и ее соединений. В сутки с пищей в организм человека должно поступать 0,5-1 г серы. Поступающая в организм сера идет для построения новых белковых молекул, многих ферментов, полипептидов (молекул инсулина, синтезирующегося в поджелудочной железе).
Сера участвует в процессе метаболизма вместе с витаминами группы В. Неврастения может являться следствием серного макроэлементоза, вызванного недостаточным поступлением в организм серы.
Противопоказано применение серной мази при повышенной чувствительности к сере и беременности.
Применение серы горючей в медицине
В медицине серосодержащие вещества применяются как в профилактических, так и в терапевтических целях для устранения кожных поражений. Наружно в виде мазей и присыпок применяют осажденную серу. Серная мазь (5-10-20%-ная) используется для лечения многих кожных заболеваний (сикоза, себореи, псориаза), снятия проявлений аллергической реакции на коже, лечения чесотки.
Очищенная сера используется в клинической практике в качестве противоглистного средства (при энтеробиозе), для лечения запоров, а также как наружное средство в терапии чесотки и себореи.
Продукты, богатые серой (чеснок, капусту, лук, желтки яиц, гречку, крыжовник, перец чили), желательно употреблять в пищу при ломкости ногтей, для повышения блеска и прочности волос. Показано включение в ежедневный рацион этих продуктов питания и при высоком уровне триглицеридов (источников жира) и сахара крови, болях в суставах.
Лечение серой горючей на практике
Сера - важный биогенный элемент, содержащийся во всех живых организмах. Данное вещество входит в состав белка, прежде всего аминокислот, а также витаминов (В1 и U) и гормонов. При недостаточности серы в питании наблюдаются повышение уровня сахара и жира в крови, боли в суставах, ускоряются процессы старения, волосы становятся тусклыми, а ногти - ломкими.
Сера как элемент играет важную роль в выработке энергии, свертывании и очищении крови, в синтезе коллагена (основного белка, который образует основу для костей, хрящей), волокнистых тканей, кожи, волос и ногтей, а также в образовании ферментов. Сера способствует работе мозга и клеточной деятельности, оказывает противоаллергическое действие, стимулирует клеточное дыхание.
Из организма сера выделяется с калом и мочой в виде неорганических сульфатов и в небольшом количестве в виде сероводорода кожей и легкими, сообщая поту и выдыхаемому воздуху неприятный запах. Суточная потребность в сере, как правило, удовлетворяется за счет полноценного питания. Много серы содержится в маке, мясе, рыбе, яйцах, сое, горохе, пшенице, молоке, яблоках, грейпфрутах, луке.
Особенно богаты серой поверхностные слои кожи. Сера содержится здесь в кератине (волосы включают до 5- 10 % кератина), а также в меланине - пигменте; который в виде загара предохраняет глубокие слои кожи от вредного воздействия ультрафиолетовой радиации.
Лечение серой: рецепты
Очищенную серу в виде порошка применяют в народной медицине: лечение серой используют в основном при кожных заболеваниях по 1 г 3 раза в сутки.
Для лечения серой диатеза у детей, а также экземы у взрослых можно приготовить мазь из порошка серы и сметаны.
Требуется: 1 ч. л. порошка серы, 1 ч. л. сметаны.
Приготовление. Перемешать компоненты.
Применение. Использовать состав на ночь, обмазывая тело и пораженные места после принятия теплой ванны, в которую добавлено немного марганцовки, отвара конского шалфея или чистотела. Не забывайте, что лечение серой как и любое другое должен назначать ваш лечащий врач.
Сера – одно из немногих веществ, которыми уже несколько тысяч лет назад оперировали первые «химики». Она стала служить человечеству задолго до того, как заняла в таблице Менделеева клетку под №16.
Об одном из самых древних (хотя и гипотетических!) применений серы рассказывают многие старинные книги. Как источник тепла при термообработке грешников серу живописуют и Новый и Ветхий заветы. И если книги такого рода не дают достаточных оснований для археологических раскопок в поисках остатков райских кущ или геенны огненной, то их свидетельство о том, что древние были знакомы с серой и некоторыми ее свойствами, можно принять на веру.
Одна из причин этой известности – распространенность самородной серы в странах древнейших цивилизаций. Месторождения этого желтого горючего вещества разрабатывались греками и римлянами, особенно в Сицилии, которая вплоть до конца прошлого века славилась в основном серой.
С древнейших времен серу использовали для религиозно-мистических целей, ее зажигали при различных церемониях и ритуалах. Но так же давно элемент №16 приобрел и вполне мирские назначения: серой чернили оружие, ее употребляли при изготовлении косметических и лекарственных мазей, ее жгли для отбелки тканей и для борьбы с насекомыми. Добыча серы значительно увеличилась после того, как был изобретен черный порох. Ведь сера (вместе с углем и селитрой) – непременный его компонент.
И сейчас пороховое производство потребляет часть добываемой серы, правда весьма незначительную. В наше время сера – один из важнейших видов сырья для многих химических производств. И в этом причина непрерывного роста мирового производства серы.
Происхождение серы
Большие скопления самородной серы встречаются не так уж часто. Чаще она присутствует в некоторых рудах. Руда самородной серы – это порода с вкраплениями серы.
Когда образовались эти вкрапления – одновременно с сопутствующими породами или позже? От ответа на этот вопрос зависит направление поисковых и разведочных работ. Но, несмотря на тысячелетия общения с серой, человечество до сих пор не имеет однозначного ответа. Существует несколько теорий, авторы которых придерживаются противоположных взглядов.
Теория сингенеза (т.е. одновременного образования серы и вмещающих пород) предполагает, что образование самородной серы происходило в мелководных бассейнах. Особые бактерии восстанавливали сульфаты, растворенные в воде, до сероводорода, который поднимался вверх, попадал в окислительную зону и здесь химическим путем или при участии других бактерий окислялся до элементарной серы. Сера осаждалась на дно, и впоследствии содержащий серу ид образовал руду.
Теория эпигенеза (вкрапления серы образовались позднее, чем основные породы) имеет несколько вариантов. Самый распространенный 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 все новые подтверждения одна из разновидностей теории эпигенеза – теория метасоматоза (в переводе с греческого «метасоматоз» означает «замещение». Согласно ей в недрах постоянно происходит превращение гипса CaSO 4 · 2H 2 O и ангидрита CaSO 4 в серу и кальцит СаCO 3 . Эта теория создана в 1935 г. советскими учеными Л.М. Миропольским и Б.П. Кротовым. В ее пользу говорит, в частности, такой факт.
В 1961 г. 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. А исследования изотопного состава серы и углерода в руде этих месторождений дали сторонникам теории метасоматоза дополнительные аргументы.
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 озера (в частности, Серное озеро близ Серноводска), где происходит сингенетическое отложение серы и сероносный ил не содержит ни гипса, ни ангидрита.
Все 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. Еще из элементарной школьной математики все мы знаем, что к одному результату могут привести разные пути. Этот закон распространяется и на геохимию.
Добыча серы
Серные руды добывают разными способами – в зависимости от условий залегания. Но в любом случае приходится уделять много внимания технике безопасности. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопления ядовитых газов – соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности ее самовозгорания.
Добыча руды открытым способом происходит так. Шагающие экскаваторы снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на обогатительную фабрику, а оттуда – на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу. Методы извлечения различны. О некоторых из них будет рассказано ниже. А здесь уместно кратко описать скважинный метод добычи серы из-под земли, позволивший Соединенным Штатам Америки и Мексике стать крупнейшими поставщиками серы.
В конце прошлого века на юге Соединенных Штатов были открыты богатейшие месторождения серной руды. Но подступиться к пластам было непросто: в шахты (а именно шахтным способом предполагалось разрабатывать месторождение) просачивался сероводород и преграждал доступ к сере. Кроме того, пробиться к сероносным пластам мешали песчаные плавуны. Выход нашел химик Герман Фраш, предложивший плавить серу под землей и через скважины, подобные нефтяным, выкачивать ее на поверхность. Сравнительно невысокая (меньше 120°C) температура плавления серы подтверждала реальность идеи Фраша. В 1890 г. начались испытания, приведшие к успеху.
В принципе установка Фраша очень несложна: труба в трубе. В пространство между трубами подается перегретая вода и по нему идет в пласт. А по внутренней, обогреваемой со всех сторон, трубе поднимается расплавленная сера. Современный вариант установки Фраша дополнен третьей – самой узкой трубой. Через нее в скважину подается сжатый воздух, который помогает поднять расплавленную Серу на поверхность. Одно из основных достоинств метода Фраша – в том, что он позволяет уже на первой стадии добычи получить сравнительно чистую серу. При разработке богатых руд этот метод весьма эффективен.
Раньше считалось, что метод подземной выплавки серы применим только в специфических условиях «соляных куполов» тихоокеанского побережья США и Мексики. Однако опыты, проведенные в Польше и СССР, опровергли это мнение. В Польше этим методом уже добывают большое количество серы: в 1968 г. пущены первые серные скважины и в СССР.
А руду, полученную в карьерах и шахтах, приходится перерабатывать (часто с предварительным обогащением), используя для этого различные технологические приемы.
Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные.
Термические методы извлечения серы – самые старые. Еще в XVIII в. в Неаполитанском королевстве выплавляли серу в кучах – «сольфатарах». До сих пор в Италии выплавляют серу в примитивных печах – «калькаронах». Тепло, необходимое для выплавления серы из руды, получают, сжигая часть добытой серы. Процесс этот малоэффективен, потери достигают 45%.
Италия стала родиной и пароводяных методов извлечения серы из руд. В 1859 г. Джузеппе Джилль получил патент на свой аппарат – предшественник нынешних автоклавов. Автоклавный метод (значительно усовершенствованный, конечно) используется и сейчас во многих странах.
В автоклавном процессе обогащенный концентрат серной руды, содержащий до 80% серы, в виде жидкой пульпы с реагентами подается насосами в автоклав. Туда же под давлением подается водяной пар. Пульпа нагревается до 130°C. Сера, содержащаяся в концентрате, плавится и отделяется от породы. После недолгого отстоя выплавленная сера сливается. Затем из автоклава выпускаются «хвосты» – взвесь пустой породы в воде. Хвосты содержат довольно много серы и вновь поступают на обогатительную фабрику.
В России автоклавный способ был впервые применен инженером К.Г. Паткановым в 1896 г.
Современные автоклавы – это огромные аппараты высотой с четырехэтажный дом. Такие автоклавы установлены, в частности, на сероплавильном заводе Роздольского горно-химического комбината в Прикарпатье.
На некоторых производствах, например на крупном серном комбинате в Тарнобжеге (Польша), пустую породу отделяют от расплавленной серы на специальных фильтрах. Метод разделения серы и пустой породы на центрифугах разработан в нашей стране. Словом, «руду золотую (точнее – золотистую) отделять от породы пустой» можно по-разному.
В последнее время все большее внимание уделяется скважинным геотехнологическим способам добычи серы. На Язовском месторождении в Прикарпатье серу – классический диэлектрик плавят под землей токами высокой частоты и выкачивают на поверхность через скважины, как в методе Фраша. Ученые Института горно-химического сырья предложили способ подземной газификации серы. По этому способу серу поджигают в пласте, а на поверхность выкачивают сернистый газ, который идет на производство серной кислоты и других полезных продуктов.
По-разному и удовлетворяют свои потребности в сере разные страны. Мексика и США используют в основном метод Фраша. Италия, занимающая по добыче серы третье место среди капиталистических государств, продолжает добывать и перерабатывать (разными методами) серные руды сицилийских месторождений и провинции Марке. У Японии есть значительные запасы серы вулканического происхождения. Франция и Канада, не имеющие самородной серы, развили крупное производство ее из газов. Нет собственных серных месторождений и в Англии и ФРГ. Свои потребности в серной кислоте они покрывают за счет переработки серусодержащего сырья (преимущественно пирита), а элементарную серу импортируют из других стран.
Советский Союз и социалистические страны полностью удовлетворяют свои потребности благодаря собственным источникам сырья. После открытия и освоения богатых Прикарпатских месторождений СССР и Польша значительно увеличили производство серы. Эта отрасль промышленности продолжает развиваться. В последние годы построены новые крупные предприятия на Украине, реконструированы старые комбинаты на Волге и в Туркмении, расширено производство серы из природного газа и отходящих газов.
Кристаллы и макромолекулы
В том, что сера – самостоятельный химический элемент, а не соединение, первым убедился великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье в XVIII в.
С тех пор представления о сере как элементе изменились не очень сильно, но значительно углубились и дополнились.
Сейчас известно, что элемент №16 состоит из смеси четырех устойчивых изотопов с массовыми числами 32, 33, 34 и 36. Это типичный неметалл.
Лимонно-желтые кристаллы чистой серы полупрозрачны. Форма кристаллов не всегда одинакова. Чаще всего встречается ромбическая сера (наиболее устойчивая модификация) – кристаллы имеют вид октаэдров со срезанными углами. В эту модификацию при комнатной (или близкой к комнатной) температуре превращаются все прочие модификации. Известно, например, что при кристаллизации из расплава (температура плавления серы 119,5°C) сначала получаются игольчатые кристаллы (моноклинная форма). Но эта модификация неустойчива, и при температуре 95,6°C она переходит в ромбическую. Подобный процесс происходит и с другими модификациями серы.
Напомним известный опыт – получение пластической серы.
Если расплавленную серу вылить в холодную воду, образуется эластичная, во многом похожая на резину масса. Ее можно получить и в виде нитей. Но проходит несколько дней, и масса перекристаллизуется, становится жесткой и ломкой.
Молекулы кристаллов серы всегда состоят из восьми атомов (S 8), а различие в свойствах модификаций серы объясняется полиморфизмом – неодинаковым строением кристаллов. Атомы в молекуле серы построены в замкнутый цикл, образующий своеобразный венец. При плавлении связи в цикле рвутся, и циклические молекулы превращаются в линейные.
Необычному поведению серы при плавлении даются различные толкования. Одно из них – такое. При температуре от 155 до 187°, по-видимому, происходит значительный рост молекулярного веса, это подтверждается многократным увеличением вязкости. При 187°C вязкость расплава достигает чуть ли не тысячи пуаз, получается почти твердое вещество. Дальнейший рост температуры приводит к уменьшению вязкости (молекулярный вес падает).
При 300°C сера вновь переходит в текучее состояние, а при 444,6°C закипает.
У паров серы с повышением температуры число атомов в молекуле постепенно уменьшается: S8 → S6 → S4 → (800°C) S 2 . При 1700°C пары серы одноатомны.
Коротко о соединениях серы
По распространенности элемент №16 занимает 15-е место. Содержание серы в земной коре составляет 0,05% по весу. Это немало.
К тому же сера химически активна и вступает в реакции с большинством элементов. Поэтому в природе сера встречается не только в свободном состоянии, но и в виде разнообразных неорганических соединений. Особенно распространены сульфаты (главным образом щелочных и щелочноземельных металлов) и сульфиды (железа, меди, цинка, свинца). Сера есть и в углях, сланцах, нефти, природных газах, в организмах животных и растений.
При взаимодействии серы с металлами, как правило, выделяется довольно много тепла. В реакциях с кислородом сера дает несколько окислов, из них самые важные SO 2 и SO 3 – ангидриды сернистой H 2 SO 3 и серной Н 2 SO 4 кислот. Соединение серы с водородом – сероводород H 2 S – очень ядовитый зловонный газ, всегда присутствующий в местах гниения органических остатков. Земная кора в местах, расположенных близ месторождений серы, часто содержит довольно значительные количества сероводорода. В водном растворе этот газ обладает кислотными свойствами. Хранить его растворы на воздухе нельзя, он окисляется с выделением серы:
2H 2 S + О 2 → 2Н 2 О + 2S.
Сероводород – сильный восстановитель. Этим его свойством пользуются во многих химических производствах.
Для чего нужна сера
Среди вещей, окружающих нас, мало таких, для изготовления которых не нужны были бы сера и ее соединения. Бумага и резина, эбонит и спички, ткани и лекарства, косметика и пластмассы, взрывчатка и краска, удобрения и ядохимикаты – вот далеко не полный перечень вещей и веществ, для производства которых нужен элемент №16. Для того чтобы изготовить, например, автомобиль, нужно израсходовать около 14 кг серы. Можно без преувеличения сказать, что промышленный потенциал страны довольно точно определяется потреблением серы.
Значительную часть мировой добычи серы поглощает бумажная промышленность (соединения серы помогают выделить целлюлозу). Для того чтобы произвести 1 т целлюлозы, нужно затратить более 100 кг серы. Много элементарной серы потребляет и резиновая промышленность – для вулканизации каучуков.
В сельском хозяйстве сера применяется как в элементарном виде, так и в различных соединениях. Она входит в состав минеральных удобрений и препаратов для борьбы с вредителями. Наряду с фосфором, калием и другими элементами сера необходима растениям. Впрочем, большая часть вносимой в почву серы не усваивается ими, но помогает усваивать фосфор. Серу вводят в почву вместе с фосфоритной мукой. Имеющиеся в почве бактерии окисляют ее, образующиеся серная и сернистая кислоты реагируют с фосфоритами, и в результате получаются фосфорные соединения, хорошо усваиваемые растениями.
Однако основной потребитель серы – химическая промышленность. Примерно половина добываемой в мире серы идет на производство серной кислоты. Чтобы получить 1 т H 2 SО 4 , нужно сжечь около 300 кг серы. А роль серной кислоты в химической промышленности сравнима с ролью хлеба в нашем питании.
Значительное количество серы (и серной кислоты) расходуется при производстве взрывчатых веществ и спичек. Чистая, освобожденная от примесей сера нужна для производства красителей и светящихся составов.
Соединения серы находят применение в нефтехимической промышленности. В частности, они необходимы при производстве антидетонаторов, смазочных веществ для аппаратуры сверхвысоких давлений; в охлаждающих маслах, ускоряющих обработку металла, содержится иногда до 18% серы.
Перечисление примеров, подтверждающих первостепенную важность элемента №16, можно было бы продолжить, но «нельзя объять необъятное». Поэтому вскользь упомянем, что сера необходима и таким отраслям промышленности, как горнодобывающая, пищевая, текстильная, и – поставим точку.
Наш век считается веком «экзотических» материалов – трансурановых элементов, титана, полупроводников и так далее. Но внешне непритязательный, давно известный элемент №16 продолжает оставаться абсолютно необходимым. Подсчитано, что в производстве 88 из 150 важнейших химических продуктов используют либо саму серу, либо ее соединения.
Из древних и средневековых книг
«Сера применяется для очищения жилищ, так как многие держатся мнения, что запах и горение серы могут предохранить от всяких чародейств и прогнать всякую нечистую силу».
Плиний Старший, «Естественная история» I в. н.э.
«Если травы чахлы, бедны соками, а ветви и листва деревьев имеют окраску тусклую, грязную, темноватую вместо блестящего зеленого цвета, это признак, что подпочва изобилует минералами, в которых господствует сера».
«Если руда очень богата серой, ее зажигают на широком железном листе с множеством отверстий, через которые сера вытекает в горшки, наполненные доверху водой».
«Сера входит также в состав ужасного изобретения – порошка, который может метать далеко вперед куски железа, бронзы или камня – орудие войны нового тина».
Агрикола, «О царстве минералов», XVI в.
Как испытывали серу в XIV веке
«Если ты хочешь испытать серу, хороша она или нет, то возьми кусок серы в руку и поднеси к уху. Если сера трещит так, что ты слышишь ее треск, значит она хороша; если же сера молчит и не трещит, то она нехороша...»
Этот своеобразный метод определения качества материала на слух (применительно к сере) может быть использован и сейчас. Экспериментально подтвердилось, что «трещит» только сера, содержащая не больше одного процента примесей. Иногда дело не ограничивается только треском – кусок серы раскалывается на части.
Удушающий серный газ
Как известно, выдающийся естествоиспытатель древности Плиний Старший погиб в 79 г. н.э. при извержении вулкана. Его племянник в письме историку Тациту писал: «...Вдруг раздались раскаты грома, и от горного пламени покатились вниз черные серные пары. Все разбежались. Плиний поднялся и, опираясь на двух рабов, думал тоже уйти; но смертоносный пар окружил его со всех сторон, его колени подогнулись, он снова упал и задохся».
«Черные серные пары», погубившие Плиния, состояли, конечно, не только из парообразной серы. В состав вулканических газов входят и сероводород, и двуокись серы. Эти газы обладают не только резким запахом, но и большой токсичностью. Особенно опасен сероводород. В чистом виде он убивает человека почти мгновенно. Опасность велика даже при незначительном (порядка 0,01%) содержании сероводорода в воздухе. Сероводород тем более опасен, что он может накапливаться в организме. Он соединяется с железом, входящим в состав гемоглобина, что может привести к тяжелейшему кислородному голоданию и смерти. Сернистый газ (двуокись серы) менее токсичен, однако выпуск его в атмосферу приводил к тому, что вокруг металлургических заводов гибла вся растительность. Поэтому на всех предприятиях, производящих или использующих эти газы; вопросам техники безопасности уделяется особое внимание.
Сернистый газ и соломенная шляпка
Соединяясь с водой, сернистый газ образует слабую сернистую кислоту Н 2 SO 3 , существующую только в растворах. В присутствии влаги сернистый газ обесцвечивает многие красители. Это свойство используется для отбелки шерсти, шелка, соломы. Но такие соединения, как правило, не обладают большой стойкостью, и белые соломенные шляпки со временем приобретают первоначальную грязно-желтую окраску.
Сернистый ангидрид SO 3 в обычных условиях представляет собой бесцветную очень летучую жидкость, кипящую при 44,8°C. Твердеет он при –16,8°C и становится очень похожим на обыкновенный лед. Но есть и другая – полимерная модификация твердого серного ангидрида (формулу его в этом случае следовало бы писать (SO 3) n ). Внешне она очень похожа на асбест, ее волокнистую структуру подтверждают рентгенограммы. Строго определенной точки плавления эта модификация не имеет, что свидетельствует о ее неоднородности.
Гипс и алебастр
Гипс CaSO 4 · 2Н 2 O – один из самых распространенных минералов. Но распространенные в медицинской практике «гипсовые шины» делаются не из природного гипса, а из алебастра. Алебастр отличается от гипса только количеством кристаллизационной воды в молекуле, его формула 2CaSO 4 · Н 2 O. При «варке» алебастра (процесс идет при 160...170°C в течение 1,5...2 часов) гипс теряет три четверти кристаллизационной воды, и материал приобретает вяжущие свойства. Алебастр жадно захватывает воду, при этом происходит быстрая беспорядочная кристаллизация. Разрастись кристаллики не успевают, но сплетаются друг с другом; масса, образованная ими, в мельчайших подробностях воспроизводит форму, в которой происходит твердение. Химизм происходящего в это время процесса обратен происходящему при варке: алебастр превращается в гипс. Поэтому отливка – гипсовая, маска – гипсовая, повязка – тоже гипсовая, а делаются они из алебастра.
Глауберова соль
Соль Na 2 SO 4 · 10H 2 O, открытая крупнейшим немецким химиком XVII в. Иоганном Рудольфом Глаубером и названная в его честь, до сих пор широко применяется в медицине, стеклоделии, кристаллографических исследованиях. Глаубер так описывал ее: «Эта соль, если она хорошо приготовлена, имеет вид льда; она образует длинные, совершенно прозрачные кристаллы, которые растапливаются на языке, как лед. У нее вкус обыкновенной соли, без всякой едкости. Брошенная на пылающие угли, она не растрескивается с шумом, как обыкновенная кухонная соль, и не воспламеняется со взрывом, как селитра. Она без запаха и выносит любую степень жара. Ее можно применять с выгодой в медицине как снаружи, так и внутрь. Она заживляет свежие раны, не раздражая их. Это превосходное внутреннее лекарство: будучи растворена в воде и дана больному, она очищает кишки».
Минерал глауберовой соли называется мирабилитом (от латинского «mirabilis» – удивительный). Название происходит от имени, которое дал Глаубер открытой им соли; он назвал ее чудесной. Крупнейшие в мире разработки этого вещества находятся в нашей стране, чрезвычайно богата глауберовой солью вода знаменитого залива Кара-Богаз-Гол. Дно залива буквально устлано ею.
Сульфиты, сульфаты, тиосульфаты...
Если вы фотолюбитель, вам необходим фиксаж, т.е. натриевая соль серноватистой (тиосерной) кислоты Н 2 S 2 O 3 . Тиосульфат натрия Na 2 S 2 O 3 (он же гипосульфит) служил поглотителем хлора в первых противогазах.
Если вы порезались во время бритья, кровь можно остановить кристаллом алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 · 12H 2 O.
Если вы хотите побелить потолки, покрыть медью какой-либо предмет или уничтожить вредителей в саду – вам не обойтись без темно-синих кристаллов медного купороса CuSO 4 · 5Н 2 О.
Бумага, на которой напечатана эта книга, сделана с помощью гидросульфита кальция Са(НSO 3) 2 .
Широко используются также железный купорос FeSO 4 · 7H 2 O, хромовые квасцы K 2 SO 4 · Cr 2 (SO 4) 3 · 2Н 2 O и многие другие соли серной, сернистой и тиосерной кислот.
Киноварь
Если в лаборатории разлили ртуть (возникла опасность отравления ртутными парами!), ее первым делом собирают, а те места, из которых серебристые капли не извлекаются, засыпают порошкообразной серой. Ртуть и сера вступают в реакцию даже в твердом состоянии – при простом соприкосновении. Образуется кирпично-красная киноварь – сульфид ртути – химически крайне инертное и безвредное вещество.
Выделить ртуть из киновари несложно. Многие другие металлы, в частности железо, вытесняют ртуть из киновари.
Серобактерии
В природе постепенно происходит круговорот серы, подобный круговороту азота или углерода. Растения потребляют серу – ведь ее атомы входят в состав белка. Растения берут серу из растворимых сульфатов, а гнилостные бактерии превращают серу белков в сероводород (отсюда – отвратительный запах гниения).
Но есть так называемые серобактерии, которым вообще не нужна органическая пища. Они питаются сероводородом, и в их организмах в результате реакции между H 2 S, CO 2 и О 2 образуются углеводы и элементарная сера. Серобактерии нередко оказываются переполнены крупинками серы – почти всю их массу составляет сера с очень небольшой «добавкой» органических веществ.
Сера – фармацевтам
Все сульфамидные препараты – сульфидин, сульфазол, норсульфазол, сульгин, сульфодимезин, стрептоцид и другие подавляют активность многочисленных микробов. И все эти лекарства – органические соединения серы. Вот структурные формулы некоторых из них:
После появления антибиотиков роль сульфамидных препаратов несколько уменьшилась. Впрочем, и многие антибиотики можно рассматривать как органические производные серы. В частности, она обязательно входит в состав пенициллина.
Мелкодисперсная элементарная сера – основа мазей, применяемых при лечении грибковых заболеваний кожи.
Нитрид серы проводит ток
В 1975 г. журнал «Кэмикл энд инжениринг ньюс» сообщил о получении нового неорганического полимера, у которого многие свойства – как у металла. Полимерный нитрид серы – политиазил (SN) n легко прессуется и куется, его электропроводность близка к электропроводности ртути. При этом пленки из политиазила не одинаково проводят ток в продольном и поперечном направлении. Это объясняется тем, что пленка построена из упорядоченных, расположенных параллельно друг другу полимерных волокон.
Что можно построить из серы
В 70-х годах в некоторых странах мира производство серы превысило потребности в ней. Поэтому сере стали искать новые применения, прежде всего в таких материалоемких областях, как строительство. В результате этих поисков появились серный пенопласт – как теплоизоляционный материал, бетонные смеси, в которых серой частично или полностью заменен портландцемент, покрытия для автострад, содержащие элементарную серу.
Сера (лат. Sulfur) S, химический элемент VI группы периодической системы Менделеева; атомный номер 16, атомная масса 32,06. Природная Сера состоит из четырех стабильных изотопов: 32S (95,02%), 33S (0,75%), 34S (4,21%), 36S (0,02%). Получены также искусственные радиоактивные изотопы 31S (T½ = 2,4 сек), 35S (T½ = 87,1 сут), 37S (Т½= 5,04 мин) и другие.
Сера относится к весьма распространенным химическим элементам; встречается в свободном состоянии (самородная сера) и в виде соединений - сульфидов, полисульфидов, сульфатов. Вода морей и океанов содержит сульфаты натрия, магния, кальция. Известно более 200 минералов Серы. В биосфере образуется свыше 150 минералов. Широко распространены процессы окисления сульфидов до сульфатов, которые в свою очередь восстанавливаются до вторичного H2S и сульфидов. Эти реакции происходят при участии микроорганизмов. Многие процессы биосферы приводят к концентрации Серы - она накапливается в гумусе почв, углях, нефти, морях и океанах (8,9·10-2%), подземных водах, в озерах и солончаках. В биосфере происходит круговорот Серы: она приносится на материки с атмосферными осадками и возвращается в океан со стоком.
Сера - твердое кристаллическое вещество, устойчивое в виде двух аллотропических модификаций. Ромбическая α-S лимонно-желтого цвета, плотность 2,07 г/см3, tпл 112,8 °С, устойчива ниже 95,6 °С; моноклинная β-S медово-желтого цвета, плотность 1,96 г/см3, tпл119,3 °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.
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).
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. С О 2 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.
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.
На воздухе сера горит, образуя сернистый ангидрид - бесцветный газ с резким запахом:
Восстановительные свойства серы проявляются в реакциях серы и с другими неметаллами, однако при комнатной температуре сера реагирует только со фтором:
Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов (дихлорид серы и дитиодихлорид):
При избытке серы также образуются разнообразные дихлориды полисеры типа SnCl2.
При нагревании сера также реагирует с фосфором, образуя смесь сульфидов фосфора, среди которых - высший сульфид P2S5:
Кроме того, при нагревании сера реагирует с водородом, углеродом, кремнием:
(сероводород)
(сероуглерод)
При нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто - весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды:
Растворы сульфидов щелочных металлов реагируют с серой с образованием полисульфидов:
Из сложных веществ следует отметить прежде всего реакцию серы с расплавленной щёлочью, в которой сера диспропорционирует аналогично хлору:
Полученный сплав называется серной печенью.
С концентрированными кислотами-окислителями (HNO3, H2SO4) сера реагирует только при длительном нагревании:
При увеличении температуры в парах серы происходят изменения в количественном молекулярном составе. Число атомов в молекуле уменьшается:
При 800-1400 °C пары состоят в основном из двухатомной серы:
А при 1700 °C сера становится атомарной:
Серу получают из серы самородной, а также окислением сернистого водорода и восстановлением сернистого ангидрида. Источник сернистого водорода для производства Серы - коксовые, природные газы, газы крекинга нефти. Разработаны многочисленные методы переработки H2S; наибольшее значение имеют следующие: 1) H2S извлекают из газов раствором моногидротиоарсената натрия:
Na2HAsS2O2 + H2S = Na2HAsS3O + Н2О.
Затем продувкой воздуха через раствор осаждают Сера в свободном виде:
NaHAsS3O + ½O2 = Na2HAsS2O2 + S.
2) H2S выделяют из газов в концентрированном виде. Затем его основные масса окисляется кислородом воздуха до Серы и частично до SO2. После охлаждения H2S и образовавшиеся газы (SO2, N2, CO2) поступают в два последовательных конвертора, где в присутствии катализатора (активированный боксит или специально изготовляемый алюмогель) происходит реакция:
2H2S + SO2 = 3S + 2Н2О.
В основе получения Сера из SO2 лежит реакция восстановления его углем или природными углеводородными газами. Иногда это производство сочетается с переработкой пиритных руд.
