Характеристика химического элемента № 16 Сера – S

Открытие серы.
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.
Название сера происходит от английского слова Sulfur. Она  известна с самых древнейших времен. В доказательство этому можно привести Гомеровские описания «сернистых испарений», ведь сера входила в состав «греческого огня». Упоминания о ней встречаются еще около 2000 лет до новой эры в Египте, где она использовалась в медицине для дезинфекции и в качестве отбеливателя. Ее считали «принципом горючести» в Египте. Так же использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Около VIII в. китайцы стали использовать ее в пиротехнических смесях, в смеси пороха.
Сера получила такое распространение благодаря своим свойствам:
горючести и легкости соединения с металлами
В том, что сера – самостоятельный химический элемент, а не соединение, первым убедился великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье, ставший первооткрывателем серы в конце 70 годов 18 века.
Лавуазье открыл природу серы в своих опытах по сжиганию веществ, в результате которых  ученый наблюдал выделение газа.
S + O₂ = SO₂               (оксид серы 4)
  
Распространение в природе.
Большие скопления самородной серы встречаются не так уж часто. Чаще она присутствует в некоторых рудах. Руда самородной серы – это порода с вкраплениями серы. Сера является шестнадцатым по химической распространенности элементом в земной коре. Встречается в свободном или самородном состоянии и связанном виде.
Важнейшие природные соединения серы FeS₂ —железный колчедан или пирит, ZnS — цинковая обманка, PbS — свинцовый блеск, HgS —киноварь,AgS – серебряный блеск.
Часто встречается в виде минералов:
CaSO4 * 2H2O – ангидрид кальция, BaSO4 – тяжелый шпат.
Содержится в нефти и природном угле. Так же сера  шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона, из-за нее вода кажется жесткой. Жизненно важный элемент  высших организмов, составная часть многих белков, присутствует в растительный и животных организмах, концентрируется в волосах.
Нахождение в природе.
Сера довольно широко распространена в природе. В земной коре ее содержание составляет 0,05% от общей массы. В природе встречаются крупные залежи самородной серы, которые располагаются вблизи вулканов, например в Европе, где они расположены на юге Италии и в Сицилии еще  залежи самородной серы имеются в США, а также в Средней Азии, в Японии, и  Мексике. В природе сера встречается как россыпями, так и в виде кристаллических пластов, иногда образуя группы полупрозрачных желтых кристаллов, которые называются друзы.
В вулканических местностях часто наблюдается выделение из-под земли газа сероводорода H₂S; Вулканические газы часто содержат также сернистый газ SO₂.
На поверхности Земли находятся месторождения сульфидных соединений. Чаще всего встречеются: железный колчедан или пирит — FeS₂, медный колчедан или халькопирит -   CuFeS₂, свинцовый блеск — PbS, киноварь — HgS, сфалерит — ZnS. Известны также месторождения сульфатов, например, сульфата кальция гипс CaSO₄·2H₂O и ангидрит CaSO₄, сульфата магния MgSO₄ или горькая соль, сульфата бария BaSO₄ или барит, сульфата стронция SrSO₄ целестин.
В каменном  угле содержится 1,0-1,5% серы. Сера входить в состав нефти.
Сера — элемент, который необходим для живых организмов, так как является составной частью белков. Белки содержат 0,8-2,4% (по массе) химически связанной серы. Растения получают серу из сульфатов, содержащихся в почве. В морской воде присутствует около 8,7·10^-2 % серы.

Физические свойства.
Сера способна 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 желтого цвета. Кроме того, возможны молекулы  с замкнутыми (S₄, S₆) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета.
При обычной  температуре сера представляет собой твердое вещество желтого цвета, при понижении температуры сера светлеет, а при температуре жидкого воздуха становится почти белой.
В процессе плавления проявляются свойства:
1. при 113 она представляет собой желтую жидкость
2. при 250 меняет цвет на красный и становится вязкой
3. при 450  закипает и выделяет желтые пары
При охлаждение серы свойства повторяются в обратном порядке.
При нормальном давлении и температурах до 98,38°Cстабильна a-модификация серы (иначе эту модификацию называют ромбической), образующая лимонно-желтые кристаллы. Ее кристаллическая решетка орторомбическая.  Плотность 2,07 кг/дм³. Выше 95,39°C стабильна b-модификация серы (так называемая моноклинная сера). Плотность b-S 1,96 кг/дм³.
В природе существуют  аморфная и кристаллическая модификации серы, наиболее устойчивы – ромбическая и моноклинная. Аморфная структура образуется при резком охлаждение жидкой серы.

Химические свойства.
1.Ромбическая структура                                       2.Моноклинная структура
Сера обладает плохой теплопроводностью, в воде почти нерастворима, но хорошо растворяется в сероуглероде.
Сера — достаточно активный неметалл. Даже при умеренном нагревании она окисляет многие простые вещества, но и сама довольно легко окисляется кислородом и галогенами.
S + O₂ = SO₂;
 S + 3F₂ = SF₆,
2S + Cl₂ = S₂Cl₂
С водородом при нагревании сера образует сероводород H₂S и в небольшом количестве сульфаты
H₂ + S = H₂S.
реакции серы с металлами:
2Na + S = Na₂S,
Ca + S = CaS,
Fe + S = FeS
Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет серу до SO₂:
S + 2H₂SO₄ = 2H₂O + 3SO₂.
Сера может присоединяться к сульфитам
Na₂SO₃ + S = Na₂S₂O₃
При комнатной температуре сера реагирует с фтором и хлором, проявляя восстановительные свойства:
S + 3F₂ = SF₆
S + Cl₂ = SCl₂
С концентрированными кислотами-окислителями (HNO₃, H₂SO₄) сера реагирует только при длительном нагревании, окисляясь:
S + 6HNO₃ (конц.) = H₂SO₄ + 6NO₂ ↑ + 2H₂O
S + 2H₂SO₄ (конц.) = 3SO₂ ↑ + 2H₂O…[3]
На воздухесера горит, образуя сернистый ангидрид— бесцветный газ с  резким запахом:
S + O₂ = SO₂
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.
При взаимодействии с металламиобразует сульфиды. 2Na + S = Na₂S. При нагревании сера реагирует с углеродом, кремнием, фосфором, водородом:
C + 2S = CS₂ (сероуглерод)
Сера при нагревании растворяется в щелочах — реакция диспропорционирования
3S + 6KOH = K₂SO₃ + 2K₂S + 3H₂O
1. При обычных условиях твёрдое жёлтое кристаллическое вещество.
2. Горит в кислороде:
S + O₂ = SO₂ (проявляет восстановительные свойства)
3. Взаимодействует с металлами и водородом:
Fe + S = FeS
H₂ + S = H₂S (проявляет окислительные свойства)

Сероводород – сильный восстановитель. Этим его свойством пользуются во многих химических производствах.
Хранить его растворы на воздухе нельзя, он окисляется с выделением серы:
2H₂S + О₂ → 2Н₂О + 2S….[2]
Тонкоизмельченная сера склонна к химическому самовозгоранию, при контакте с окислителями, а также в смеси с углем, жирами, маслами. Сера образует взрывчатые смеси нитратами, хлоратами перхлоратами. Самовозгорается при контакте с хлорной известью.
Получение.
серу получают, в основном, выплавляя ее из горных пород, содержащих самородную. Так называемый геотехнологический способ позволяет получать серу без подъема руды на поверхность. Этот способ был предложен в конце 19 века американским химиком Г. Фрашем, перед которым встала задача извлечения на поверхность земли серы из месторождений юга США, где песчаный грунт резко усложнял ее добычу традиционным шахтным методом.
Фраш предложил использовать для подъема серы на поверхность перегретый водяной пар. Перегретый пар по трубе подают в подземный слой, содержащий серу. Сера плавится (ее температура плавления немного ниже 120°С) и по трубе, расположенной внутри той, по которой под землю закачивают водяной пар, поднимается наверх. Для того чтобы обеспечить подъем жидкой серы, через самую тонкую внутреннюю трубу нагнетают сжатый воздух.
По другому (термическому) методу, получившему особое распространение в начале 20 века на Сицилии, серу выплавляют, или возгоняют, из дробленной горной породы в специальных глиняных печах.
Существуют и другие методы выделения самородной серы из породы, например, экстракцией сероуглеродом или флотационными методами.
В связи с тем, что потребность промышленности в сере очень велика, разработаны методы ее получения из сероводорода H₂S и сульфатов.
Метод окисления сероводорода до элементарной серы был впервые разработан в Великобритании, где значительные количества серы научились получать из остающегося после получении соды Na₂CO₃ по методу французского химика Н. Леблана сульфида кальция CaS. Метод Леблана основан на восстановлении сульфата натрия углем в присутствии известняка CaCO₃.
Na₂SO₄ + 2C = Na₂S + 2CO₂;
Na₂S + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaS.
Соду затем выщелачивают водой, а водную суспензию плохо растворимого сульфида кальция обрабатывают диоксидом углерода:
CaS + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + H₂S
Образующийся сероводород H₂S в смеси с воздухом пропускают в печи над слоем катализатора. При этом за счет неполного окисления сероводорода образуется сера:
2H₂S + O₂ = 2H₂O +2S…[1]
Аналогичный метод используют для получения элементарной серы и из сероводорода, сопутствующего природным газам.
Так как современная техника нуждается в сере высокой чистоты, разработаны эффективные методы рафинирования серы. При этом используют, в частности, различия в химическом поведении серы и примесей. Так, мышьяк и селен удаляют, обработав серу смесью азотной и серной кислот.
Использованием методов, основанных на дистилляции и ректификации, удается получить высокочистую серу с содержанием примесей 10^–5 — 10^–6 % по массе.
Получение в промышленности.
1) оксида серы (IV) в промышленности:
горение серы:
S + O₂ = SO₂
обжиг пирита:
4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃
в лаборатории:
Na₂SO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + SO₂ + H₂O …[6]
2) оксида серы (VI) в промышленности: каталитическое окисление оксида серы (IV):
2SO₂ + O₂ = 2SO₃
Важнейшей реакцией в промышленности является получение серной кислоты по схеме:
S ^O₂ SO₂ ^O₂ SO₃ ^H₂^O H₂SO₄

Применение.
Многие соединения серы токсичны. Особенно следует отметить сероводород, вдыхание которого быстро вызывает притупление реакции на его неприятный запах и может привести к тяжелым отравлениям даже с летальным исходом.
Около половины производимой серы используется на производство серной кислоты, около 25% расходуется для получения сульфитов, 10-15% — для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (главным образом винограда и хлопчатника) (наибольшее значение здесь имеет раствор медного купороса CuSO₄·5H₂O), около 10% используется резиновой промышленностью для вулканизации резины. Серу применяют при производстве красителей и пигментов, взрывчатых веществ (она до сих пор входит в состав пороха), искусственных волокон, люминофоров. Серу используют при производстве спичек, так как она входит в состав, из которого изготовляют головки спичек. Серу до сих пор содержат некоторые мази, которыми лечат заболевания кожи. Для придания сталям особых свойств в них вводят небольшие добавки серы (хотя, как правило, примесь серы в сталях нежелательна).
Значительную часть мировой добычи серы поглощает бумажная промышленность (соединения серы помогают выделить целлюлозу). Для того чтобы произвести 1 т целлюлозы, нужно затратить более100 кгсеры. 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. 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 серной кислоты(H₂SО₄), нужно сжечь около 300 кг серы.
Так же сера 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.
Подсчитано, что в производстве 88 из 150 важнейших химических продуктов используют либо саму серу, либо ее соединения