Свойства пластической серы. Что такое пластическая сера? Химическая формула пластической серы

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Сера – элемент 3 периода VIA группы, относится к семейству p-элементов. Порядковый номер 16.

Электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 . Символ – S . Относительная атомная масса – 32 а.е.м. Температура кипения – 444,67С, плавления – 112,85С. Неметалл.

Химические свойства серы

Сера взаимодействует с простыми веществами – неметаллами, проявляя при этом свойства восстановителя. Непосредственно сера взаимодействует только с фтором. Реакции взаимодействия с другими металлами происходят при нагревании:

S + F 2 = SF 6 ;

2S + Cl 2 = S 2 Cl 2 ;

S + Cl 2 = SCl 2 ;

5S + 2P = P 2 S 5 ;

S + H 2 = H 2 S;

S + O 2 = SO 2 ;

2S + Br 2 = S 2 Br 2 .

В реакциях взаимодействия с простыми веществами – металлами сера проявляет свойства окислителя. Эти реакции протекают при нагревании и очень бурно:

2Na + S = Na 2 S;

2Al + 3S = Al 2 S 3 ;

Сера вступает в реакции взаимодействия со сложными веществами. Она способна растворяться в концентрированных кислотах и расплавах щелочей, причем в последнем случае сера диспропорционирует. Эти реакции происходят при кипении реакционной смеси:

3S + 6KOH = K 2 SO 3 +2K 2 S + 3H 2 O;

S + 6HNO 3 = H 2 SO 4 + 6NO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии серы с сульфидами металлов происходит образование полисульфидов:

Na 2 S + S = Na 2 S 2 .

Физические свойства серы

Сера – кристаллическое вещество желтого цвета. Существует в виде двух аллотропных модификаций – α-серы (ромбическая кристаллическая решетка) и β-серы (моноклинная кристаллическая решетка), а также аморфной формы – пластическая сера (рис. 1). В кристаллическом состоянии сера построена из неплоских циклических молекул S 8 . Сера плохо растворяется в этаноле, хорошо в сероуглероде и жидком аммиаке. Не реагирует с жидкой водой и йодом.

Рис. 1. Формы существования серы.

Получение и применение серы

В промышленных масштабах серу получают из природных месторождений самородной серы. Сера является сырьем для производства серной кислоты. Е1 используют в бумажной промышленности, в сельском хозяйстве, в производстве резины, красителей, пороха и т.д. Широкое применение сера нашла в медицине, например, сера входит в состав различных мазей и присыпок, применяемых при кожных заболеваниях и т.д.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

1.1. Историческая справка

Сера – одно из немногих веществ, которое было известно с древнейших времен, её использовали первые химики. Одна из причин известности серы – распространенность самородной серы в странах древнейших цивилизаций. Её разрабатывали греки и римляне, производство серы значительно увеличилось после изобретения пороха.

1.2. Место серы в Периодической системе химических элементов Менделеева

Сера расположена в 16 группе Периодической системы химических элементов Менделеева.

На внешнем энергетическом уровне атома серы содержится 6 электронов, которые имеют электронную конфигурацию 3s 2 3p 4 . В соединениях с металлами сера проявляет отрицательную степень окисления элементов -2, в соединениях с кислородом и другими активными неметаллами – положительные +2, +4, +6. Сера – типичный неметалл, в зависимости от типа превращения может быть окислителем и восстановителем.

1.3. Распространенность в природе

Сера довольно широко распространена в природе. Её содержание в земной коре составляет 0,0048 %.Значительная часть серы встречается в самородном состоянии.

Также сера встречается в форме сульфидов: пирит, халькопирит и сульфатов: гипс, целестин и барит.

Много соединений серы содержится в нефти (тиофен C 4 H 4 S, органические сульфиды) и нефтяных газах (сероводород).

1.4. Аллотропные модификации серы

Существование аллотропных модификаций серы связано с её способностью образовывать устойчивые гомоцепи – S – S –. Устойчивость цепей объясняется тем, что связи – S – S – оказываются прочнее, чем связь в молекуле S 2 . Гомоцепи серы имеют зигзагообразную форму, поскольку в их образовании принимают участие электроны взаимно перпендикулярных р-орбиталей.

Существует три аллотропные модификации серы: ромбическая, моноклинная и пластическая. Ромбическая и моноклинная модификации построены из циклических молекул S 8 , размещенных по узлам ромбической и моноклинной решеток.

Молекула S 8 имеет форму короны, длины всех связей – S – S – равны 0,206 нм и углы близки к тетраэдрическим 108°.

В ромбической сере наименьший элементарный объем имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а в случае моноклинной серы элементарный объем выделяется в виде скошенного параллелепипеда.

Кристалл ромбической серы Кристалл моноклинной серы

Пластическая модификация серы образована спиральными цепями из атомов серы с левой и правой осями вращения. Эти цепочки скручены и вытянуты в одном направлении.

При комнатной температуре устойчива ромбическая сера. При нагревании она плавится, превращаясь в желтую легкоподвижную жидкость, при дальнейшем нагревании жидкость загустевает, так как в ней образуются длинные полимерные цепочки. При медленном охлаждении расплава образуются темно-желтые игольчатые кристаллы моноклинной серы, а если вылить расплавленную серу в холодную воду, получится пластическая сера – резиноподобная структура, состоящая из полимерных цепочек. Пластическая и моноклинная сера неустойчивы и самопроизвольно превращаются в ромбическую.

1.5. Физические свойства серы

Сера представляет собой твердое хрупкое вещество желтого цвета, в воде практически нерастворима, не смачивается водой и плавает на её поверхности. Хорошо растворяется в сероуглероде и других органических растворителях, плохо проводит тепло и электрический ток. При плавлении сера образует легкоподвижную жидкость желтого цвета, которая при 160°С темнеет, её вязкость повышается, и при 200°С сера становится темно-коричневой и вязкой, как смола. Это объясняется разрушением кольцевых молекул и образованием полимерных цепей. Дальнейшее нагревание ведет к разрыву цепей, и жидкая сера снова становится более подвижной. Пары серы имеют цвет от оранжево-желтого до соломенно-желтого цвета. Пар состоит из молекул состава S 8 , S 6 , S 4 , S 2 . При температуре выше 150 °С молекула S 2 диссоциирует на атомы.

Физические свойства аллотропных модификаций серы приведены в таблице:

Сера принадлежит к числу веществ, известных человечеству испокон ве-ков. Ещё древние греки и римляне нашли ей разнообразное практи-ческое применение. Куски само-родной серы использовались для со-вершения обряда изгнания злых духов. Так, по легенде, Одиссей, воз-вратившись в родной дом после дол-гих странствий, первым делом велел окурить его серой. Много упомина-ний об этом веществе встречается в Библии.

В Средние века сера занимала важ-ное место в арсенале алхимиков. Как они считали, все металлы состоят из ртути и серы: чем меньше серы, тем благороднее металл. Практический интерес к этому веществу в Европе возрос в XIII — XIV вв., после появле-ния пороха и огнестрельного оружия.

Добыча серы. Гравюра из книги Г. Агриколы «О горном деле и металлургии». Издание 1557 г. Руду, содержащую серу, нагревают в широких глиняных горшках А с длинными клювообразными носиками, опущенными в специальные отверстия в приёмнике B,закрытом крышкой C.Расплавленную серу черпают из приёмника ковшами и разливают в формы.

Ромбическая сера.

Из расплава кристаллизуется моноклинная модификация серы.

Пластическая сера эластична, как резина.

Главным поставщиком серы была Италия.

В наши дни сера используется как сырьё для производства серной кислоты, при вулканизации каучука, в органическом синтезе. Порошок серы применяют в медицине в каче-стве наружного дезинфицирующего средства.

Сера образует несколько алло-тропных модификаций. Устойчивая при комнатной температуре ромби-ческая серя представляет собой жёлтый порошок, нерастворимый в воде. При кристаллизации из хлороформа СНC l 3 или из сероуглерода CS 2 она выделяется в виде прозрачных кри-сталлов октаэдрической формы. Ром-бическая сера состоит из цикличе-ских молекул S 8 , имеющих форму короны. При 113 °С она плавится, превращаясь в жёлтую легкоподвиж-ную жидкость. При дальнейшем на-гревании расплав загустевает, так как в нём образуются длинные полимер-ные цепочки. А если нагреть серу до 445 °С, она закипает. Выливая кипя-щую серу тонкой струйкой в холод-ную воду, можно получить пласти-ческую серу — резиноподобную модификацию, состоящую из поли-

мерных цепочек. При медленном охлаждении расплава образуются тёмно-жёлтые игольчатые кристаллы моноклинной серы (t пл =119°С). Подобно ромбической сере, эта мо-дификация состоит из молекул S 8 . При комнатной температуре пласти-ческая и моноклинная сера неустой-чивы и самопроизвольно превраща-ются в порошок ромбической серы.

При нагревании сера реагирует со многими металлами (железом, алюми-нием, ртутью) и неметаллами (кисло-родом, галогенами, водородом). «При-рода серы огненная, горючая... [Сера] нацело сгорает, улетучиваясь в дым», — записано в одном алхимическом трак-тате. Действительно, при горении серы на воздухе или в кислороде об-разуется оксид серы(IV ), или серни-стый газ, SO 2 , содержащий примесь (около 3% по объёму) высшего оксида серы, или серного ангидрида, SO 3 ,. Сернистый газ SO 2 — бесцветный газ с удушливым резким запахом. При растворении его в воде (при 0 °С 1 объём воды растворяет более 70 объ-ёмов SO 2) образуется сернистая кисло-та H 2 SO 3 , которая известна только в растворах. Однако её соли — сульфи-ты (например, Na 2 SO 3) и гидросульфи-ты (NaHSO 3) — легко могут быть вы-делены в твёрдом виде.

В лабораторных условиях для по-лучения SO, действуют на твёрдый сульфит натрия концентрированной серной кислотой: Na 2 SO 3 +2H 2 SO 4 =2NaHSO 4 + SO 2 - + H 2 O.

Горение серы в кислороде.

Строение молекулы SO 2

Строение серы:

1— ромбической и моноклинной, S 8 ;

2— пластической, S n

*Вулканизация — про-цесс превращения каучука в резину путём образования сульфидных «мостиков» между отдельными молеку-лами полимера. Получа-ющийся сшитый» полимер обладает пространственной структурой и характеризу-ется повышенной механи-ческой прочностью.

В промышленности SO 2 получают при обжиге сульфидных руд, например пирита: 4FeS 2 +11 O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 , или при сжигании серы. Сер-нистый газ является полупродуктом в производстве серной кислоты. Его ис-пользуют также (вместе с гидросуль-фитами натрия NaHSO 3 и кальция Ca(HSO 3) 2) для выделения целлюлозы из древесины. Этим газом окуривают деревья и кустарники, чтобы уничто-жать вредителей сельского хозяйства.

Серный ангидрид SO 3 при комнат-ной температуре представляет собой бесцветную легко летучую жидкость (t кип =45 °С), которая со временем пе-реходит в асбестовидную модифика-цию, состоящую из блестящих шелко-вистых кристаллов. Волокна серного ангидрида устойчивы лишь в запаян-ном сосуде. Поглощая влагу воздуха, они превращаются в густую бесцвет-ную жидкость — олеум (от лат. oleum — «масло»). Хотя формально олеум можно рассматривать как раст-вор SO 3 в H 2 SO 4 , на самом деле он представляет собой смесь различных пиросерных кислот: H 2 S 2 O 7 , H 2 S 3 O 10 и т. д. С водой SO 3 взаимодействует очень энергично: при этом выделяется так много теплоты, что образующи-еся мельчайшие капельки серной кис-лоты создают туман. Работать с этим веществом нужно крайне осторожно.

Строение асбестовидной модификации серного ангидрида.

Асбестовидная модификация SO 3 .

Сернистый газ проявляет сильное отбеливающее действие: красная роза, опушенная в колбу с SO 2 , теряет свой цвет.

Серная кислота H 2 SO 4 — тяжёлая маслянистая бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой в любых пропорциях. При 10 °С она затверде-вает, образуя прозрачную стекловид-ную массу. При нагревании 100-про-центная серная кислота легко теряет серный ангидрид до тех пор, пока её концентрация не составит 98 %. Имен-но такую кислоту обычно и использу-ют в лабораториях (концентриро-ванная серная кислота, t кип =338 °С).

Помните, что вливать кислоту в во-ду нужно тонкой струйкой при посто-янном перемешивании. Ни в коем случае нельзя лить воду в кисло-ту! Из-за сильного разогрева вода за-кипит, и горячие брызги раствора серной кислоты могут попасть в лицо.

Разбавленная серная кислота про-являет все свойства неорганических кислот: взаимодействует с основными оксидами, основаниями и активными металлами с выделением водорода. H 2 SO 4 относится к сильным кислотам, в водном растворе кислоты её молекул

Строение (SO 3) 3 .

*Асбестовидный SO 3 (t пл = 32 °С) представляет со-бой кристаллическую полисерную кислоту, состоящую из длинных цепочек HO — (S(O) 2 — O — ) n — OH. Однако фактически это чистый серный ангидрид, так как длина такой цепи ( n ) составляет 10 5 т. е. два атома водорода приходятся на 10 5 атомов серы. Жидкая при комнатной температу-ре модификация серного ангидрида (t пл = 17 °С), состоит из циклических молекул (SO 3) 3 .

не существует: они распадаются на ионы водорода и гидросульфат-ионы (HSO - 4), которые диссоциируют толь-копри сильном разбавлении.

Концентрированная серная кис-лота — сильный окислитель. Она реа-гирует как с активными металлами, так и со стоящими в ряду напряжений правее водорода — медью, серебром, ртутью. Металлокисляется, а серная кислота восстанавливается до серы, сероводорода (при реакции с цинком, магнием) или до сернистого газа, как это происходит при взаимодействии с неактивным металлом — медью:

Cu+ 2H 2 SO 4 =CuSO 4 +SO 2 - +2Н 2 О.

Крепкая (50—70-процентная) сер-ная кислота легко окисляет железо:

2Fe+6H 2 SO 4 =Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 - +6H 2 O.

В то же время на холоде олеум не реа-гирует с железом и алюминием.

Концентрированная серная кисло-та способна обугливать многие орга-нические вещества (сахар, бумагу, ва-ту). При случайном попадании H 2 SO 4 на кожу необходимо тут же смыть её струёй воды, а затем обработать мес-то ожога слабым раствором соды.

Упоминания о серной кислоте впервые встречаются у арабских и ев-ропейских алхимиков. Её получали, прокаливая на воздухе железный купорос (витриол, или гидратированный сульфат железа(II ), FeSO 4 .7Н 2 О):

2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 3 - + SO 2 - либо смесь серы с селитрой: 6KNO 3 + 5S = 3K 2 SO 4 + 2SO 3 - + 3N 2 - , а выделяю-щиеся пары серного ангидрида кон-денсировали. Поглощая влагу, они превращались в олеум. В зависимости от способа приготовления H 2 SO 4 на-зывали купоросным маслом (oleum vitrioli) или серным маслом (oleum sulfuris). В 1595 г. алхимик Андреас Либавий (1550—1616) установил тож-дественность обоих веществ.

Долгое время купоросное масло не находило широкого применения. Интерес к нему сильно возрос после того, как в XVIII в. был открыт процесс получения из индиго индигокармина — устойчивого синего красителя. Первую фабрику по производству сер-ной кислоты основали недалеко от Лондона в 1736 г. Процесс осуществ-ляли в свинцовых камерах, на дно ко-торых наливали воду. В верхней час-ти камеры сжигали расплавленную смесь селитры с серой, затем туда за-пускали воздух. Процедуру повторяли до тех пор, пока на дне ёмкости не об-разовывалась кислота требуемой кон-центрации. При этом происходили следующие химические превращения:

S +О 2 = SO 2 2KNO 3 +S = K 2 SO 4 +2NO

2NO +О 2 = 2NO 2 NO 2 + SO 2 + H 2 O = H 2 SO 4 + NO.

В XIX в. способ усовершенствова-ли: вместо селитры стали использо-вать азотную кислоту (она при разло-жении в камере даёт NO 2). Чтобы возвращать в систему нитрозные га-зы были сконструированы специаль-ные башни, которые и дали название всему процессу — башенный процесс. Заводы, работающие по башенному методу, существуют и в наше время.

Однако сейчас для производства серной кислоты применяют в основ-ном контактный метод, разрабо-танный в 1831 г. По этому методу окисление SO 2 до SO 3

(2SO 2 +О 2 « 2SO 3) осуществляется на катализа-торе — оксиде ванадия(V ) V 2 O 5 .

Серный ангидрид в специальных уста-новках поглощается концентриро-ванной серной кислотой. При этом получается олеум. Его хранят в желез-ных баках и по мере необходимости переводят в серную кислоту.



Установка для получения серной кислоты сжиганием серы в присутствии селитры.

Середина XVIII в. Приготовленную заранее смесь серы с селитрой загружают в печь (1), разогреваемую углями.

Образующиеся газы достигают стеклянного сосуда (2), где они взаимодействуют С парами воды. Получающийся при этом олеум собирают в колбы (3).

Минерал пирит FeS 2 представляет собой дисульфид железа, соль слабой кислоты H 2 S 2 , построенной аналогично пероксиду водорода Н 2 О 2 .

Сера - элемент 6-й группы (по устаревшей систематизации - главной подгруппы VI группы), третьего периода повторяющейся системы хим частей Д. И. Менделеева, с атомным номером 16. Проявляет неметаллические характеристики. Обозначается эмблемой S (лат. Sulfur). В водородных и кислородных соединениях находится в составе разных ионов, образует многие кислоты и соли. Многие серосодержащие соли плохорастворимы в воде.

Природные минералы серы

Сера является шестнадцатым по хим распространённости элементом в земной коре. Встречается в свободном (самородном) состоянии и связанном виде.

Важные природные соединения серы: FeS2 - металлический колчедан либо пирит, ZnS - цинковая обманка либо сфалерит (вюрцит), PbS - свинцовый сияние либо галенит, HgS - киноварь, Sb2S3 - антимонит. Не считая того, сера находится в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера - 6-ой элемент по содержанию в природных водах, встречается в главном в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды. Актуально принципиальный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.

История открытия

Сера (англ. Sulfur, фр. Soufre, нем. Schwefel) в самородном состоянии, также в виде сернистых соединений известна с древних времён. С запахом пылающей серы, удушающим действием сернистого газа и мерзким запахом сероводорода человек познакомился, возможно, ещё в доисторические периоды. Конкретно из-за этих параметров сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных ритуалах. Сера числилась произведением сверхчеловеческих созданий из мира духов либо подземных богов. Очень издавна сера стала применяться в составе разных горючих консистенций для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений пылающей серы. Сера, возможно, заходила в состав «греческого огня», наводившего кошмар на врагов. Около VIII в. китайцы стали применять её в пиротехнических консистенциях, а именно, в консистенции класса пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (к примеру, на поверхности кусков металла), разъясняют то, что её считали «принципом горючести» и неотклонимой составной частью железных руд. Пресвитер Теофил (XII в.) обрисовывает метод окислительного обжига сульфидной медной руды, узнаваемый, возможно, ещё в древнем Египте. В период арабской алхимии появилась ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась неотклонимой составной частью (папой) всех металлов. В предстоящем она стала одним из трёх принципов алхимиков, а позже «принцип горючести» явился основой теории флогистона. Простую природу серы установил Лавуазье в собственных опытах по сжиганию. С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, также разработка метода получения её из пиритов; последний был распространён в древней Руси. В первый раз в литературе он описан у Агриколы. Следовательно, точно происхождение серы не установлено, однако, как сказано выше, этот элемент употреблялся до Рождества Христова, а означает знаком людям с давнешних времён.

Происхождение наименования

Российское заглавие серы всходит к праславянскому *sera, которое связывают с лат. serum «сыворотка».

Латинское sulphur (эллинизированное написание более старенького sulpur) всходит к индоевропейскому корню *swelp - «гореть».

Физические характеристики

Сера значительно отличается от кислорода способностью создавать устойчивые вереницы и циклы из атомов. Более размеренны циклические молекулы S8, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера - хрупкое вещество жёлтого цвета. Не считая того, вероятны молекулы с замкнутыми (S4, S6) цепями и открытыми цепями. Таковой состав имеет пластическая сера, вещество кофейного цвета, которая выходит при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через немного часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и равномерно преобразуется в ромбическую). Формулу серы в большинстве случаев записывают просто S, потому что она, хотя и имеет молекулярную структуру, является консистенцией обычных веществ с различными молекулами. В воде сера нерастворима, некие её модификации растворяются в органических растворителях, к примеру сероуглероде, скипидаре. Плавление серы сопровождается приметным повышением объёма (приблизительно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C преобразуется в очень вязкую тёмно-коричневую массу. Самую большую вязкость расплав серы приобретает при температуре 190 °C; предстоящее увеличение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше 300 °C расплавленная сера опять становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она равномерно полимеризуется, увеличивая длину вереницы с увеличением температуры. При нагревании серы выше 190 °C полимерные звенья начинают рушиться. Сера может служить простым примером электрета. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд.

Серу используют для производства серной кислоты, вулканизации каучука, как фунгицид в сельском хозяйстве и как сера коллоидная - фармацевтический продукт. Также сера в составе серобитумных композиций применяется для получения сероасфальта, а в качестве заместителя портландцемента - для получения серобетона.

Cера в природе

Самородная сера

Украина, Поволжье, Центральная Азия и др

Сульфиды

PbS - свинцовый блеск

Cu 2 S – медный блеск

ZnS – цинковая обманка

FeS 2 – пирит, серный колчедан, кошачье золото

H 2 S – сероводород (в минеральных источниках и природном газе)

Белки

Волосы, кожные покровы, ногти…

Сульфаты

CaSO 4 x 2 H 2 O - гипс

MgSO 4 x 7 H 2 O – горькая соль (английская)

Na 2 SO 4 x 10 H 2 O – глауберова соль (мирабилит)

Физические свойства

Твердое кристаллическое вещество желтого цвета , нерастворима в воде, водой не смачивается (плавает на поверхности), t ° кип = 445°С

Аллотропия

Для серы характерны несколько аллотропных модификаций: