Се́ра (химический символ — S, от ) — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы шестой группы, VIA) третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 16.
Простое вещество сера — светло-жёлтый порошкообразный неметалл.
В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов, образуя многие кислоты и соли. Практически нерастворима в воде. Многие серосодержащие соли малорастворимы в воде.
Изотопы Природная сера состоит из четырёх стабильных изотопов:
32S (95,02 %), 33S (0,75 %), 34S (4,21 %), 36S (0,02 %).
Получены также искусственные радиоактивные изотопы
31S ( = 2,4 с), 35S ( = 87,1 сут), 37S ( = 5,04 мин) и другие.
История и этимология
Происхождение названия Слово «сера», известное в древнерусском языке с XV века, заимствовано из старославянского «сѣра» — «сера, смола», вообще «горючее вещество, жир». Этимология слова не выяснена до настоящих времён, поскольку первоначальное общеславянское название вещества утрачено и слово дошло до современного русского языка в искажённом видеЭтимологический словарь русского языка Семёнова ..
По предположению Фасмера, «сера» восходит к — «воск» или — «сыворотка».
Латинское впервые использовал древнеримский поэт Квинт Энний. Возможно, происходит из эллинизированного написания этимологического (Серу греки называли «фе́о»), предположительно, восходит к индоевропейскому корню *swelp — «гореть».
История открытия
Точное время открытия серы не установлено, но этот элемент использовался до нашей эры.
Сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Она считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов.
Очень давно сера стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений горящей серы. Сера, вероятно, входила в состав «греческого огня», наводившего ужас на противников.
Около VIII века китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла), объясняют то, что её считали «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд.
Пресвитер Теофил (XII век) описывает способ окислительного обжига сульфидной медной руды, известный, вероятно, ещё в древнем Египте.
В период арабской алхимии возникла ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась обязательной составной частью (отцом) всех металлов.
В дальнейшем она стала одним из трёх принципов алхимиков, а позднее «принцип горючести» явился основой теории флогистона. Элементарную природу серы установил Лавуазье в своих опытах по сжиганию.
С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения её из пиритов; последний был распространён в древней Руси. Впервые в литературе он описан у Агриколы.
Сера в природе
Большие скопления самородной серы (с содержанием >25 %) редки, они встречаются в местах вулканической активности, им сопутствуют сернистые фумаролы и сернистые водыСернистые фумаролы; Сернистые воды // Геологический словарь. Т. 2. М.: Госгеолтехиздат, 1960. С. 248..
Серная руда разрабатывается в месторождениях самородной серы, добывается из сульфидных руд и промышленных газовСерная руда // Геологический словарь. Т. 2. М.: Госгеолтехиздат, 1960. С. 247..
Серные бактерии могут окислять сероводород от гниющих органических остатков до серы и накапливать еёСерные бактерии // Геологический словарь. Т. 2. М.: Госгеолтехиздат, 1960. С. 248..
Природные минералы серы Сера является шестнадцатым по химической распространённости элементом в земной коре. Встречается в природе в свободном (самородном) состоянии и в виде химических соединений.
Важнейшие природные минералы серы: FeS2 — железный колчедан, или пирит, ZnS — цинковая обманка, или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск, или галенит, HgS — киноварь, Sb2S3 — антимонит, CuS — халькозин, CuS — ковеллин, CuFeS — халькопирит. Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах.
Сера — шестой элемент по содержанию в природных водах, где содержится в основном в виде сульфат-иона и обусловливает «постоянную» жёсткость пресной воды.
Сера — жизненно важный химический элемент для всех живых организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.
Свойства
Физические свойства
Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны циклические молекулы S8, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера — хрупкое вещество жёлтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S4, S6) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую). Формулу серы чаще всего записывают просто S, так как она, хотя и имеет молекулярную структуру, является смесью простых веществ с разными молекулами. В воде сера нерастворима, но хорошо растворяется в органических растворителях, например, в сероуглероде, скипидаре.
Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше превращается в очень вязкую тёмно-коричневую массу. Наибольшую вязкость расплав серы приобретает при температуре дальнейшее повышение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше расплавленная сера снова становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она постепенно полимеризуется, увеличивая длину цепочки с повышением температуры. При нагревании серы свыше полимерные звенья начинают рушиться.
Сера может служить простейшим примером электрета. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд.
Фазовая диаграмма серы
Элементарная кристаллическая сера может существовать в виде двух аллотропных модификаций (энантиотропия серы) — ромбической и моноклинной, — то есть сера диморфна, поэтому для элементарной серы возможно существование четырёх фаз: твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной, жидкой и газообразной, а на фазовой диаграмме серы (см. рисунок; для давления использован логарифмический масштаб) имеются два поля твёрдых фаз: область ромбической серы и область существования моноклинной серы (треугольник АВС).
На фазовой диаграмме серы: DA — линия возгонки ромбической серы Sp, описывающая зависимость давления насыщенного пара серы Sп от температуры над твёрдой ромбической серой; AС — линия возгонки моноклинной серы Sм, описывающая зависимость давления насыщенного пара серы от температуры над твёрдой моноклинной серой; СF — линия испарения жидкой серы Sж, описывающая зависимость давления насыщенного пара серы от температуры над расплавом серы; AB — линия полиморфного превращения сера ромбическая <—> сера моноклинная, описывающая зависимость температуры фазового перехода между ромбической и моноклинной серой от давления; ВЕ — линия плавления ромбической серы, описывающая зависимость температуры плавления ромбической серы от давления; CВ — линия плавления моноклинной серы, описывающая зависимость температуры плавления моноклинной серы от давления.
Пунктирные линии отражают возможность существования метастабильных фаз, которые наблюдаются при резком изменении температуры: AО — линия сублимации перегретой ромбической серы; ВО — линия плавления перегретой ромбической серы; СО — линия испарения переохлаждённой жидкой серы;
На фазовой диаграмме серы имеются три стабильные тройные точки и одна метастабильная, каждая из которых отвечает условиям термодинамического равновесия трёх фаз: точка А (дополнительная): равновесие твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной и газообразной серы; точка В (дополнительная): равновесие твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной и жидкой серы; точка С (основная): равновесие твёрдой моноклинной, расплавленной и газообразной серы; точка О (метастабильная): метастабильное равновесие между перегретой твёрдой ромбической, переохлаждённой жидкой и газообразной серой.
Как показывает фазовая диаграмма, ромбическая сера не может одновременно находиться в равновесии с расплавом и парами серы, поэтому в основной тройной точке (когда равновесные фазы находятся в разных агрегатных состояниях) твёрдая фаза представлена моноклинной серой. Метастабильная тройная точка появляется вследствие низкой скорости превращения одной кристаллической модификации серы в другую.
Химические свойства Сера — хороший окислитель, как и O2, Но более сильные окислители, такие как кислород и галогены, окисляют её. +Реакции с неметалламиРеагентУравнениеОписаниеO2На воздухе сера горит, образуя сернистый газ — бесцветный газ с резким запахом. С помощью спектрального анализа установлено, что на самом деле процесс окисления серы в двуокись представляет собой цепную реакцию и происходит с образованием ряда промежуточных продуктов: моноокиси серы S2O2, молекулярной серы S2, свободных атомов серы S и свободных радикалов моноокиси серы SO.
Окисляется оксид серы(IV) кислородом воздуха при температуре в присутствии катализатора (V2O5, Pt, NaVO3, Fe2O3).
Реакция экзотермична (ΔrHo = −198 кДж/моль).Hal2Восстановительные свойства серы проявляются в реакциях серы и с другими неметаллами, однако при комнатной температуре сера реагирует только со фтором. Гексафторид серы представляет собой плотный газ, используемый в качестве изоляционного газа в высоковольтных трансформаторах; это также нереактивный и нетоксичный пропеллент для контейнеров под давлением.Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов (дихлорид серы и дитиодихлорид), являющиеся важными промышленными химическими веществами. При избытке серы также образуются разнообразные дихлориды полисеры типа SnCl.PПри нагревании сера также реагирует с фосфором, образуя смесь сульфидов фосфора, среди которых — высший сульфид P2S5.С SiКроме того, при нагревании сера реагирует с водородом, углеродом, кремнием, образуя сероводород, сероуглерод, сульфид кремния.H2Расплав серы (t > 200 °C) реагирует с водородом, но выход H2S относительно мал.Азот, иод, теллур с серой не реагируют. +Реакции с металламиРеагентУравнениеОписаниеMПри нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто — весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды. Au, Pt, Ir не реагируют с серой. Серебро чернеет на воздухе из-за сероводорода: 4Ag + O2 + 2H2S → 2Ag2S + 2H2O Сульфиды щелочных и щелочно-земельных металлов — ионные. В остальных большая доля ковалентности.M2SРастворы сульфидов щелочных металлов реагируют с серой с образованием полисульфидов. +Со сложными веществамиРеагентУравнениеОписаниеH2OВ воде сера, как и галогены, незначительно диспропорционирует. Равновесие смещается вправо в щелочном растворе. . Процесс диспропорционирования осложнен образованием полисульфидов и
тиосульфата натрия: .
.KOHCера диспропорционирует с расплавленной щёлочью, аналогично хлору. Полученный сплав называется серной печенью.HClO3Сильные окислители окисляют серу. Например кислород в щелочном расплаве.HNO3 H2SO4С концентрированными кислотами-окислителями (HNO3, H2SO4) сера реагирует только при длительном нагревании. РеагентУравнениеОписаниеtoПри 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 двухатомных молекул серы.А при 1700 °C сера становится атомарной.
Получение