Сера

СЕРА, S (Sulfur) (а. sulphur; н. Schwefel; ф. soufre; и. azufre), — химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, атомный номер 16, атомная масса 32,066. Природная сера состоит из 4 стабильных изотопов: ³²S (95,018%), ³³S (0,75%), ³⁴S (4,215%) и ³⁶S (0,017%); известно также 6 искусственных изотопов серы с массовыми числами от 29 до 38.

Физические свойства серы

Первые упоминания о сере встречаются за 2 тысячи лет до н.э. При нормальных условиях сера — твёрдое вещество жёлтого цвета, неметалл. Известно несколько кристаллических модификаций серы, наиболее устойчивы из которых — ромбическая а-cepa (а=1,0437 нм, b=1,2845 нм, с=2,4369 нм) лимонно-жёлтого цвета, устойчивая до 95,39°С, и моноклинная b-cepa (а=1,090 нм, b=1,096 нм, с=1,102 нм, b=86°16') медово-жёлтого цвета, устойчивая при 95,39-115,21°С. При более высокой температуре сера переходит в жидкое состояние, а при резком охлаждении жидкой серы образуется аморфная, пластической форма сера.

Плотность серы 2070 кг/м³ (а-модификация) и 1960 кг/м³ (b-модификация); t плавления 112,8 (для грязной С; а-S не плавится, а переходит в b-S) и t плавления=119,5°С для b-S, t кипения 444,6°С; теплопроводность 0,208 Вт/(м•град), теплоёмкость а-S 22,69 Дж/(моль•К); удельное электрическое сопротивление 1,9•10¹⁹ (Ом•м) при 20°С; температурный коэффициент линейного расширения для а-модификации 74,0•10^-6 и 80,0•10^-6 К^-1 и b-модификации. Во всех жидких и твёрдых состояниях сера диамагнитна. Термодинамические и другие свойства серы резко изменяются при 160°С, что связано с изменением молекулярного состава жидкой серы. Вязкость серы с повышением температуры сильно возрастает (от 0,0065 Па•с при 155°С до 93,3 Па•с при 187°С), а потом падает (до 0,083 Па•с при 444,6°С).

Химические свойства серы

В соединениях сера существует в различных степенях окисления (-2, +2, +4, +6), наиболее характерные степени окисления -2 и +6. В обычных условиях во влажной атмосфере сера медленно окисляется с образованием следовых количеств SО₂. При нагревании образует соединения почти со всеми элементами, с металлами даёт сульфиды. При горении образует диоксид серы и частично триоксид серы. С водородом взаимодействует при 150-154°С, образуя H₂S. Сера не даёт соединений с йодом, золотом, платиной и инертными газами. Растворима во многих органических соединениях; наиболее эффективные растворители: сероуглерод, анилин, пиридин, бензол и др. Соединения серы токсичны (ПДК 2 мг/м³).

Содержание серы в природе

Среднее содержание серы в земной коре 4,7•10^-2% (по массе), при этом основное её количество сосредоточено в осадочных горных породах (0,3% по массе); содержание серы в ультраосновных горных породах 10^-2%, в основных — 3•10^-2%, в средних — 2•10^-2% и в кислых — 4•10^-2% (по массе). Значительное количество серы находится в Мировом океане в виде сероводорода и сульфата (9•10^-2%). Встречается в природе в свободном состоянии (самородная сера) и в составе многочисленных минералов, из которых наибольшее значение имеют сульфиды (пирит FeS₂, галенит PbS, сфалерит ZnS, пирротин Fe_1-xS и др.) и сульфаты (гипс CaSО₄•2H₂О, ангидрит CaSО₄, барит BaSО₄ и др.). Довольно часто сера присутствует в твёрдых и жидких горючих ископаемых и природных газах, существенно ухудшая их качество.

Геохимия серы определяется в основном процессами преобразования сульфидов в сульфаты и наоборот, протекающими в различных зонах Земли. Важную роль в этом играют биологические процессы — существует особая группа сульфатредуцирующих бактерий, потребляющих огромные количества этого элемента в процессе своей жизнедеятельности. Кроме того, взаимодействие различных форм серы определяется физико-химическими условиями среды; температурой, окислительно-восстановительным потенциалом, величиной pH и т.д. Изучение всех этих взаимодействий проводят, как правило, с использованием изотопных методов исследования. При этом измеренный изотопный состав серы того или иного объекта сопоставляют с изотопным составом серы троилитовой фазы железных метеоритов, отличающимся постоянством (³²S/³⁴S=22,22). Сульфатная сера характеризуется утяжелённым изотопным составом, в то время как для серы, прошедшей биологический цикл, характерен облегчённый изотопный состав.

Получение и применение

Получают серу из самородных руд, а также в виде побочного продукта при переработке полиметаллических руд, из сульфатов при их комплексной переработке, из природных газов и горючих ископаемых при их очистке. Большая часть серы используется в химической промышленности для получения серной кислоты, сульфитов, для борьбы с болезнями растений в сельском хозяйстве, в резиновой промышленности, медицине и др.