Сера представляет собой химический элемент в группе кислорода. Горит в воздухе синим пламенем и выделяет едкий запах. Сера является важнейшим элементом для всех живых существ, она находится в аминокислотах и ферментах, играет важную роль в анаэробном производстве энергии.
Наиболее термодинамически стабильной модификацией серы при комнатной температуре является ромбическая кристаллизация α-серы (ромбическая сера), без запаха и вкуса, обладает типичным серно-желтым цветом.
Физико-химические свойства
Сера — мягкий, хрупкий минерал, не растворяется в воде и неокисляющих кислотах. Природные кристаллы серы чувствительны к свету и теплу, их необходимо хранить в темном, прохладном и сухом месте. При нормальных условиях сера является твердым веществом без запаха. Существует несколько неметаллических модификаций серы.
Кристаллы серы показывают типичные формы ромбической системы, такие как пинакоиды, призмы или дипирамиды. Прозрачные, неповрежденные, хорошо сформированные кристаллы в форме бочек или толстых брусков очень популярны среди коллекционеров.
Ромбическая сера также называется α-серой. При нагревании от 95,2 C она превращается в желтый жидкий расплав, и получается λ-сера. Если смесь продолжать нагревать от 159 С она постепенно становится вязкой, образуя при 200 С μ-серу. Свыше 250 C вязкость уменьшается, температура кипения составляет 444 C. Если расплавленная сера затвердевает на поверхности в больших тиглях, образуются длинные моноклинные кристаллические иглы. Эта модификация называется моноклинной серой или β-серой. Когда она остывает до температуры ниже 115,2 C, то медленно превращается обратно в ромбическую серу. Если наливать жидкий расплав в стакан с холодной водой, образуются эластичные нити или желто-коричневая вязкая масса, которая называется пластичной серой, которая затем постепенно превращается обратно в ромбическую серу.
Сера очень реактивна и образует химические соединения со многими элементами. Исключение составляют золото, платина, иридий, азот, теллур, йод и благородные газы. На воздухе сера горит голубоватым пламенем с образованием токсичного и едко пахнущего газа диоксида серы (SO2). Когда диоксид серы растворяется в воде, образуется раствор диоксида серы и, в небольших количествах, серная кислота.
Сера подвергается воздействию окисляющих кислот, таких как концентрированная азотная кислота. Другими важными соединениями серы являются серная кислота и ее соли, сульфаты.
- Альфа-сера является наиболее стабильной формой. Ее также называют ромбической серой. Эта модификация образует лимонно-желтые, довольно хрупкие кристаллы.
- Бета-сера образуется из альфа-серы при нагревании до 95 С. Из-за кристаллической формы эта модификация также называется «моноклинной» серой. Моноклинная сера обладает светло-желтым цветом.
Сера становится жидкой при 113 С (ромбическая) или при 119 С (моноклинная). Сначала жидкость становится желтой, а при дальнейшем нагревании темно-коричневой. Если сера нагревается до температуры выше 400 C, вязкий расплав снова становится жидким. Жидкая сера кипит при 445 С. Сублимированная сера получается путем охлаждения паров серы (светло-желтый порошок). Однако, если расплав быстро охлаждается (закалка), образуется пластичная сера.
Нахождение в природе
Сера встречается в земной коре с долей 0,048% (15-й элемент по частоте распространения). Огромные месторождения расположены в Сицилии, Польше, Ираке, Иране, Луизиане, Техасе и Мексике. Распространена сера в сульфидных минералах, таких как пирит (FeS2), халькопирит (CuFeS2), галенит (PbS) и сфалерит (ZnS). Большинство металлов (особенно тяжелых металлов) встречаются в природе в виде плохо растворимых сульфидов.
Важным источником серы являются ископаемые виды топлива, такие как нефть, природный газ и уголь. В частности, природный газ содержит относительно большое количество сероводорода (H2S).
Важными минералами, содержащими соединения серы, являются гипс (сульфат кальция), пирит и марказит (сульфид железа), цветной гравий меди (сульфид меди), галенит (сульфид свинца), цинковая обманка (сульфид цинка) или киноварь (сульфид ртути). Большие количества серы также содержатся в ископаемом топливе, нефти и угле. Природный газ часто загрязнен сероводородом.
Получение
Сера является одним из наиболее распространенных элементов на земле. Большие месторождения серы расположены в США, Канаде, странах СНГ, Китае, Мексике, Саудовской Аравии и Польше. Также присутствует в виде различных ионов из растворимых соединений в морях и океанах или в природных источниках. Один из самых известных серных источников находится в Карловых Варах.
Раньше только твердые минералы являлись источником серы: 3,5 миллиона тонн добывалось ежегодно с использованием процесса Фраша, разработанного Германом Фрашем, главным образом в США и Польше. Наибольшую долю составляла сера, извлекаемая из сульфидных руд. Сегодня сера производится в больших количествах в качестве отходов при десульфурации нефти с использованием процесса Клауса. В ископаемом топливе, таком как уголь и нефть, содержится большое количество серы. Поэтому нефтяные фракции, которые используются для выработки энергии, обессеривают перед дальнейшей обработкой.
Поскольку месторождения серы не удовлетворяют современные потребности в этом сырье, сера извлекается из других природных соединений и руд. Сера, которая образуется как токсичный продукт отходов многих процессов сгорания, может быть получена путем восстановления. Например, сероводород производится в процессе переработки природного или коксового газа. Это высокотоксичный газ, который можно преобразовать в воду и серу с помощью кислорода и катализатора.
Около половины от общего объема получается из твердой серы и последующей очистки дистилляцией. Труба длиной от 150 до 800 метров под давлением подает горячую воду в серосодержащие породы. Подземная сера плавится и затем транспортируется вверх горячим сжатым воздухом. Полученная чистота серы составляет от 99,5 до 99,8%. Одна скважина может добывать до 300 тонн серы в день. Другая большая часть получается в результате десульфурации сырой нефти и природного газа с использованием процесса Клауса. Одна треть сероводорода H2S, содержащегося в природном газе или коксовых газах, сжигается с кислородом в камере сгорания с образованием диоксида серы.
Серу также можно получить обжигом пирита. Когда руду нагревают, получают диоксид серы, который затем восстанавливают с помощью углерода или кокса.
Применение
Сера используется как в химической, так и в фармацевтической промышленности, включая производство серной кислоты, красителей, инсектицидов и искусственных удобрений. Только около 10% общего производства серы перерабатывается в элементарной, то есть в чистой форме. Основное применение элементарной серы — производство вулканизированной резины и красителей.
Чистая сера необходима для производства спичек и фейерверков. Она также является компонентом средств защиты растений, используется для обессеривания бочек (дезинфекция диоксидом серы путем сжигания чистой серы) и в качестве отбеливающего агента для натуральных волокон, таких как шелк и шерсть.
Фармацевтическое использование серы было известно в древние времена в качестве слабительного средства. Сера раздражает слизистую оболочку кишечника, а вырабатываемый бактериями сероводород стимулирует перистальтику. Серные составы использовались для лечения кожных заболеваний, таких как прыщи, экзема, чесотка, микозы и тому подобное. Сера — одно из самых популярных лекарств в классической гомеопатии.
В тяжелой промышленности сера является важным легирующим элементом для стали. Также используется как нитратная сера в фейерверках и в других взрывчатых веществах. В сельском хозяйстве сера убивает вредителей, таких как паутинный клещ и мучнистая роса.
Биологическое значение
Сера содержится в аминокислотах цистеина и метионина, а также во всех полипептидах, белках и ферментах на их основе. Дисульфидные связи широко используются и способствуют образованию и стабилизации белковых структур. Поэтому сера является важным элементом всех живых клеток.
Некоторые подгруппы протеобактерий способны выполнять фотосинтез в отсутствие кислорода. Они используют сероводород (H2S) или элементарную серу вместо воды в качестве донора электронов для восстановления CO2, например, Thiomargarita namibiensis.
Растения поглощают серу из корней в форме сульфат-ионов, которые затем восстанавливаются до сульфида и используются для образования цистеина и других органических соединений серы.
Физиология
Растения поглощают элементную серу в виде сульфатов через корни. При восстановлении в хлоропластах сульфат ассимилируется с аминокислотами цистеином и метионином. Сера также является важным биоэлементом в организме человека. Тиольная группа RSH содержится во многих пептидах, белках или коферментах. Атомы серы также интегрированы в молекулу биотина (витамин Н) или молекулу тиаминпирофосфата (витамин В1).
Острая токсичность элементарной серы не классифицируется как особо высокая. Однако сера может раздражать кожу и особенно слизистые оболочки (глаза).
Усвоение серы у растений
Сера поглощается через корни в виде сульфата. Ассимиляция происходит в корнях, но большая часть сульфата транспортируется к листьям через элементы ксилемы и восстанавливается там в хлоропласте.
Влияние серы на здоровье человека
Сера известна своими целебными свойствами на протяжении тысячелетий. При наружном применении она используется для лечения кожных заболеваний, таких как псориаз и экзема. Серные ванны считаются противовоспалительными при кожных и заживляющими при ревматических заболеваниях. В области альтернативной медицины серосодержащие аминокислоты используются для вывода токсинов.
Сера необходима для нашего организма. В отличие от многих других веществ, которые наш организм может производить самостоятельно, это невозможно с серой. Организм человека содержит около 0,2% серы. Это означает, что содержание серы в организме в 40 раз выше, чем, например, содержание гораздо более широко известного железа.
Сера является важным компонентом многих аминокислот, таких как L-метионин, L-цистеин и L-цистин, и, следовательно, участвует в многочисленных метаболических процессах. Серосодержащие аминокислоты важны для функционирования суставных хрящей, сухожилий, мышц, а также для крепких костей. Кроме того, сера связывает накопленные в организме токсины, такие как никотин и алкоголь, и обеспечивает их вывод из организма. Метаболизм некоторых аминокислот вырабатывает серную кислоту, которая выделяется с мочой.
Суточная доза элемента составляет около 900 мг, поступающих в организм в основном в виде мяса, рыбы и сои. Дефицит серосодержащего витамина B1 приводит к болезни бери-бери, которая может проявляться тремором, раздражительностью, нервным параличом и даже сердечной недостаточностью.
Элементарная сера относительно нетоксична для человека, но это не относится ко всем ее соединениям. Серная кислота оказывает разъедающее действие, пероральный прием около 5 мл приводит к смерти. В целом вещества, содержащие серу, оказывают на здоровье человека следующие негативные эффекты:
- Нарушения кровообращения;
- Поражение сердца;
- Нарушение зрения;
- Нарушения репродуктивной системы;
- Повреждение иммунной системы;
- Проблемы с желудком и кишечником;
- Поражение печени и почек;
- Гормональные нарушения;
- Кожная сыпь;
- Тромбоэмболия легочной артерии.
Исследования на животных показали, что сера может вызвать серьезное повреждение сосудов головного мозга, сердца и почек. Кроме того, эти эксперименты показали, что сера представляет опасность для плода и вызывает врожденные нарушения.
Продукты, содержащие серу
Сера играет ключевую роль в ряде важных функций организма, и по этой причине важно регулярно снабжать организм достаточным количеством этого минерала. Многие продукты содержат серу. В частности, молоко, яйца, йогурт, творог, сыр, рыба, мясо, орехи, чеснок, горчица и лук.
Как правило, нет необходимости добавлять серу в организм в виде пищевой добавки.
Токсичность
Сера является важным минералом для человека, но при определенных условиях она может быть очень токсичной. Сера является элементом, который используется в организме для детоксикации и белкового обмена. Она поступает в организм с пищей и не представляет опасности для человека, так как содержится в многочисленных белках. Поэтому передозировка серой в большинстве случаев невозможна при приеме или приготовлении пищи.
В других формах, однако, сера может быстро привести к серьезному отравлению. Природные газы часто содержат соединения серы, которые являются токсичными для человека.
Сероводород
Сероводород (H2S) является газом, обладает резким запахом тухлых яиц и через некоторое время блокирует обонятельные нервы. Это особенно опасно, потому что создается ощущение, что сероводорода больше нет, что может привести к отравлению и смерти. Для отравления сероводородом характерны следующие симптомы:
- Сильным приступ кашля;
- Тошнота;
- Рвота;
- Боли в животе.
Диоксид серы
Диоксид серы (SO2) также является газом и обладает примерно такими же свойствами для человека, что и сероводород. Диоксид серы является основным компонентом кислотных дождей.
Сера и вода
Концентрация серы в морской воде составляет около 870-930 частей на миллион, в то время как речная вода обычно содержит только около 4 частей на миллион этого элемента.
Как и в каких соединениях сера реагирует с водой?
Элементарная сера стабильна, поэтому не вступает в реакцию с водой. Но некоторые соединения серы активно реагируют с водой. Одним из примеров является диоксид серы, который при добавлении в воду реагирует с образованием серной кислоты: SO2 + H2O -> H2SO4
Сульфурилхлорид бурно реагирует с водой с образованием агрессивной хлорсульфоновой кислоты. Соединение реагирует с образованием хлористого водорода и серной кислоты.
Растворимость серы и / или ее соединений в воде
Сама сера не растворяется в воде. Сульфиды тяжелых металлов также считаются почти нерастворимыми. С другой стороны, сероводород имеет растворимость в воде 94 г / л, гексафторид серы — 40 мг / л. Сульфаты также обычно хорошо растворяются в воде.
Как сера может попасть в воду?
Некоторые минералы содержат серу, например халькопирит, борнит или миллерит. Кроме того, в виде сульфата она входит в состав гипса. Сера также может быть найдена в отложениях с высоким содержанием органических веществ, в основном в форме сульфидов. Однако этот элемент также встречается в природе в элементарной форме. Сероводород входит в состав природного газа и сероорганических соединений угля и нефти.
Сжигание угля, природного газа и сырой нефти с образованием диоксида серы также играет важную роль в выбросе серы в окружающую среду. Например, в угле содержание серы составляет 2-3%. Однако современные технологии позволяют превращать двуокись серы, полученную при производстве металлов, в серную кислоту, и, как следствие, топочный мазут содержит меньше серы.
Какие экологические проблемы может вызвать загрязнение воды серой?
Сера — главный компонент почвы. Нормальные воздушно-сухие почвы содержат 200-2000 ppm элемента. В верхних горизонтах почв он в значительной степени связан органически. В болотах содержание серы может достигать 35 000 частей на миллион, а в гипсовых почвах это значение часто ещё выше. Концентрация серы около 0,06–1% от ее сухого вещества может быть обнаружена в растительном материале.
Диоксид серы является одной из причин кислотных дождей и зимнего смога. Газообразный диоксид серы, который встречается в природе в низких концентрациях, но выделяется в больших количествах в результате деятельности человека, растворяется в каплях дождя, образуя сернистую кислоту. Другая возможность — предыдущее окисление до триоксида серы, которое образует серную кислоту в воде. Кислотные дожди вызывают закисление почвы, что, в свою очередь, приводит к повреждению растений и повышению кислотности водоемов.
Сама сера не считается опасной для воды. С другой стороны, некоторые соединения серы могут нанести больший ущерб водоемам. Сульфурилхлорид, например, является одним из веществ, которые незначительно опасны для воды, тогда как сероуглерод представляет большую опасность для природных вод.
Другие соединения серы с большей вероятностью будут играть роль в экологических проблемах. Например, гексафторид серы — это соединение, потенциал глобального потепления которого примерно в 10 000 раз выше, чем у диоксида углерода. Сера имеет четыре стабильных и шесть нестабильных, следовательно, радиоактивных изотопов.
6 ошибок при внесении серных удобрений
