Строение атома серы

Сера (S)

Строение атома серы

  • Обозначение – S (Sulphur);
  • Период – III;
  • Группа – 16 (VIa);
  • Атомная масса – 32,066;
  • Атомный номер – 16;
  • Радиус атома = 127 пм;
  • Ковалентный радиус = 102 пм;
  • Распределение электронов – 1s22s22p63s23p4;
  • t плавления = 112,8°C;
  • t кипения = 444,674°C;
  • Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 2,58/2,44;
  • Степень окисления: +6; +4; +2; +1; 0; -1; -2;
  • Плотность (н. у.) = 2,070 г/см3;
  • Молярный объем = 15,5 см3/моль.

Соединения серы:

Точное время открытия человеком серы неизвестно – данное вещество было известно человеку еще с доисторических времен. Природная сера является светло-желтым порошкообразным веществом, массовая доля серы в земной коре составляет 0,03%.

В природе сера встречается, как в виде самородков, так и в виде разнообразных соединений: сульфидов (FeS2; FeCuS2) и сульфатов (BaSO4), входящих в состав разнообразных минералов (пирит, медный колчедан, гипс, барит). Также сера в виде соединений присутствует в природных углеводородах: нефте, газе, угле.

Сера является биогенным элементом – в организме человека массовая доля серы составляет 0,16%, сера входит в состав белков, аминокислот, гормонов.

Сера в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером “16”, относится к 16(VIa) группе (см. Атомы 16(VIa) группы).

Атом серы содержит 16 электронов, при этом у серы, как и у атома кислорода, на внешнем энергетическом уровне находится 6 валентных электронов (см. Электронная структура атомов).

В отличие от кислорода, атом серы способен образовывать не только 2 (H2S) ковалентные связи, но и 4 (H2SO3) или 6 (H2SO4) (см. Ковалентная связь). Данное свойство объясняется наличием у атома серы свободного d-подуровня, на который могут переходить 1 или 2 электрона с s- или р-подуровня (см. Атомы 16(VIa) группы).

Сера, как простое вещество

Молекула S2 имеет строение, аналогичное O2.

В отличие от кислорода, сера может образовывать зигзазообразные цепи, но наиболее устойчивыми являются циклические молекулы серы, имеющие форму короны, в которую входят 8 атомов (S8) – α-сера. “Короны” с меньшим числом атомов менее устойчивы. Кроме этого, молекулы серы могут образовывать открытые цепи (S∞).

В ромбической модификации S8 – 8 атомов серы соединены между собой одинарными ковалентными связями – это твердые кристаллы желтого цвета, нерастворимые в воде, но хорошо растворяющиеся в органических растворителях, например, в сероуглероде.

Сера при высоких температурах может существовать в газообразном состоянии:

  • S8
  • S6 – 450°C
  • S4 – 650°C
  • S2 – 900°C
  • S – 1500°C

Химические свойства серы

Сера является типичным активным неметаллом.

В воде сера практически не растворяется (даже не смачивается водой), а в органических растворителях сера растворяется хорошо.

При взаимодействии с другими веществами сера может выступать, как в роли окислителя, так и в роли восстановителя, в зависимости от окислительно-восстановительных свойств веществ, с которыми сера вступает в реакцию:

  • окислителем сера является в реакциях с простыми веществами-восстановителями, имеющими меньшую электроотрицательность, чем сера – это водород, металлы, некоторые неметаллы: S0+2e- → S-2
  • восстановителем сера является в реакциях с кислородом, галогенами, кислотами-окислителями S0-2e- → S+2 S0-4e- → S+4 S0-6e- → S+6

Реакции, в которых сера является окислителем:

  • с металлами сера реагирует при нагревании с образованием сульфидов: Fe0+S0 = Fe+2S-2 2Na0+S0 = Na2+1S-2
  • с водородом: S0+H20 = H2+1S-2;
  • с фосфором: 3S0+2P0 = P2+3S3-2
  • с углеродом: C0+2S0 = C+4S2-2

Реакции, в которых сера является восстановителем:

  • с кислородом: S0 + O20 = S+4O2-2
  • с хлором: S0 + Cl20 = S+2Cl2-1
  • с фтором: S0 + 3F20 = S+6F6-1

Взаимодействие серы со сложными веществами:

  • реагирует, как восстановитель с кислотами-окислителями при нагревании: S0 + 2H2S+6O4 = 3S+4O2↑ + 2H2O S0 + 2HN+5O3 = H2S+6O4 + 2N+3O↑ S0 + 6HN+5O3 = H2S+6O4 + 6N+4O2↑ + 2H2O
  • в реакциях диспропорционирования с растворами щелочей при нагревании сера выступает и окислителем, и восстановителем: 3S0 + 6NaOH = 2Na2S-2 + Na2S+4O3 + 3H2O

α-сера

Рис. Ромбическая α-сера.

α-сера:

  • кристаллическое вещество желтого цвета;
  • устойчиво при комнатной температуре;
  • состоит из циклических молекул S8.
  • температура плавления = 112,8°C;
  • плотность = 2,06 г/см3.

β-сера

Рис. Моноклинная β-сера.

β-сера:

  • темно-желтые кристаллы;
  • устойчиво при температуре 95°C и выше;
  • от альфа-серы отличается ориентацией кольцевых молекул в узлах кристаллической решетки;
  • температура плавления = 119,3°C;
  • плотность = 1,957 г/см3.

Пластическая сера

Рис. Пластическая сера.

Пластическая сера:

  • резиноподобное вещество темно-коричневого цвета;
  • образуется при резком охлаждении расплавленной серы;
  • состоит из открытых цепных полимерных молекул (S∞);
  • плотность = 2,046 г/см3.

Получение и применение серы

Способы получения серы:

  • промышленным способом получения серы является очищение самородной серы от примесей расплавлением перегретым водяным паром;
  • окислением сероводорода кислородом: 2H2S + O2 = 2S + 2H2O;
  • восстановлением оксида серы (IV) углеродом: SO2 + C = S + CO2;
  • разложением пирита (FeS2): FeS2 = S + FeS;
  • разложением сероводорода: H2S = H2 + S.

Применение серы:

  • как ингредиент для получения серной кислоты;
  • в качестве инсектицида;
  • для вулканизации каучука;
  • в производстве пороха, спичек, лекарственных препаратов, красителей.

Источник: https://prosto-o-slognom.ru/chimia/503_sera_S.html

Физические свойства серы. Описание серы

Строение атома серы

Сера – вещество, в настоящий момент изученное человечеством практически полностью. В древности оно считалось мистическим, было окружено тайнами, легендами и мифами, которые возникали из-за суеверного страха людей перед всем неизведанным.

Впрочем, многие физические свойства серы были известны людям еще до того, как Менделеев поместил элемент в периодическую таблицу и присвоил ему номер 16.

Это вещество достаточно широко применялось еще в эпоху Гомера, кроме того, некоторую информацию (условно достоверную) о нем можно найти в Новом и Ветхом Заветах.

Химический элемент

В одночасье систематизировать накопленную веками информацию о таком веществе, как сера, было достаточно сложно.

Этим занимались многие ученые, но определить ее принадлежность к классу химических элементов удалось Д. И. Менделееву. В периодической системе она обозначена номером 16.

Расположена сера в третьем периоде, шестой группе главной подгруппы, атомная масса – 32, плотность (при нормальных условиях) – 2070 кг/м3.

История использования

Древние люди активно применяли физические свойства серы, которые были им известны. Источником ее возникновения считались боги земли, или подземные люди, наделенные особыми качествами.

Характерный запах данного вещества и легкость его воспламенения пригодились служителями церкви при проведении различных религиозных обрядов и изгнании «злых духов». В дальнейшем сера стала применяться в военных целях, входила в состав горючих смесей.

С большой долей вероятности можно утверждать, что она использовалась при создании «греческого огня», который наводил священный ужас на противника. В быту сера и ее соединения применялись в косметологии, сельском хозяйстве, с ее помощью отбеливали ткани и выводили паразитов. В древнем Китае первые пиротехнические опыты производились при помощи серы.

Полученные смеси еще не являлись порохом, но послужили базой для создания его формулы, которая, к слову, в современных условиях была модернизирована. Однако на начальном этапе ее основу составляла именно сера. Химия, точнее, алхимия того времени, называет данный элемент «отцом всех металлов».

Подобный вывод основывается на присутствии серы во многих рудах и ее повышенной горючести. Развеять этот миф удается Лавуазье в 1789 году. Ученый отнес элемент к неметаллам и, как показали дальнейшие исследования, был прав. В медицине соединения серы применялись в качестве антисептических и антипаразитарных средств.

В природе

В горных породах земной коры сера встречается достаточно часто. По степени доступности и распространенности она занимает 16 место среди всех химических элементов. Строение атома серы дает возможность данному веществу находиться в чистом виде (в определенных природных условиях).

Но в большинстве случаев она входит в состав различных руд, в соединениях образует сульфиды и сульфаты. Наиболее распространены ее связи с металлами: железный колчедан (пирит), киноварь, свинцовый блеск (галенит), цинковая обманка (сфалерит). В Мировом океане присутствуют сульфаты магния, кальция, натрия. На сегодняшний день определено более 200 наименований минералов.

Второй – по массовой доле содержания – группой являются гипс, кизерит, глауберова соль. Сера входит в состав белковых молекул, т. е. содержится в организмах животных. Очень широко представлены органические соединения: нефть, газы и природный уголь.

Основным источником образования серы и ее производных являются извержения вулканов, но деятельность человека (производственная, хозяйственная) ускорила и обогатила этот процесс. Значительное количество данного вещества накоплено в подземных водах, глинах, гипсе, на дне озер и морей, в нефти, природном газе и угле, в солончаках и в водах океанов.

Круговорот серы в биосфере происходит при помощи микроорганизмов, способствует этому и влага, которая испаряется с поверхности огромного водного пространства, выпадает в виде осадков и со сточными потоками рек уходит обратно в моря и океаны.

Название

В период развития алхимии существовало несколько названий, которым обозначали современный химический элемент сера. Какое вещество подразумевалось под ними – не совсем ясно, возможно, речь шла о соединениях, руде или сернистом газе. В периодической системе Менделеева сера обозначена символом S (Sulfur).

Данное латинское наименование не имеет ясного происхождения, вероятно, оно было заимствовано из древнегреческого языка, а перевести его можно как «горение». У термина, употребляемого в русском языке, очень древние корни. Словом «сера» обозначались неприятно пахнущие вещества, горючие смеси.

Также есть версия о происхождение названия от цвета вещества: «светло-желтый», «серый», т. е. не определенный. Так называли все смолы. Второе название вещества, не применяемое в современности, – «жупел». Также несет в себе определение понятиям горючесть и дурной запах.

Филологи пришли к выводу о наличии в этом слове санскритского корня «убивать», что, вероятно, связано со свойствами сернистого газа.

Физические свойства серы

В зависимости от аллотропной модификации, варьируются связи внутри элемента. Принято выделять три образуемых вида решетки (устойчивой цепочки атомов): ромбическая, пластическая, моноклинная. Цвет, физические свойства вещества сера зависят от модификации. Самыми стабильными и распространенными являются циклические соединения S8.

Именно такой вид цепочки характерен для кристаллической серы – хрупкого вещества, имеющего желтоватый оттенок. Пластическая и моноклинная модификации являются нестабильными и переходят в циклическую структуру самопроизвольно через некоторое время после получения. Формула серы в данном случае содержит символ S4 или S6.

При нормальных условиях (комнатная температура) устойчивым соединением является ромбическая цепочка: в процессе нагревания вещество переходит в жидкое агрегатное состояние, затем густеет. Постепенное охлаждение образует игольчатые кристаллы моноклинной серы, которые имеют темно-желтый цвет.

При взаимодействии расплавленного вещества с холодной водой образуется пластическая аллотропная модификация, которая имеет структуру, подобную резине, и состоит из нескольких полимерных цепочек, имеет грязно-желтый (темный) цвет. Наиболее часто встречается описание серы как твердого желтого вещества, которое не взаимодействует с водой, оставаясь на ее поверхности.

В качестве растворителя могут применяться органические соединения: скипидар, сероуглерод и т. д. Сера в качестве простого вещества в нормальных условиях имеет следующие термодинамические свойства:

  1. Относительная плотность – 2,070 г/см3.
  2. Теплопроводность – 300 К.
  3. Температура плавления – 112 оС.
  4. Молярная теплоемкость – 22,6 Дж.
  5. Температура кипения – 444 оС.
  6. Молярный объем – 15,5 см3/моль.

В процессе нагревания число атомов серы в молекуле уменьшается. При 300 оС она является достаточно активно двигающейся жидкостью, для получения паров температуру увеличивают до 450 оС.

Одноатомную серу можно получить в процессе нагревания вещества до 1760 оС (S8 – S6 – S4 – S2 – S).

Данное вещество является плохим проводником электрического тока и тепла, что широко используется при его применении.

Химические свойства

Сера вступает в реакцию со всеми металлами, в результате чего образуются сульфиды. В большинстве случаев для химической реакции необходим катализатор, в качестве которого выступает нагрев. При нормальных условиях (комнатная температура) соединение происходит только со ртутью.

Данное свойство используется для обезвреживания ее паров, которые образуются в результате взаимодействия капель металла с кислородом. Не взаимодействует элемент с платиной, иридием, золотом. Полученные сульфиды являются пожароопасными соединениями, которые при поджигании достаточно интенсивно горят. Сера, очищенная на открытом воздухе, реагирует с кислородом.

Данное соединение характеризуется процессом образования бесцветного газа (сернистого ангидрида) и горением. Обратимая реакция взаимодействия с водородом происходит при нагреве (по аналогии с углеродом и кремнием), образующиеся газы называют сероводородом, сероуглеродом.

Как и все остальные элементы VI группы таблицы Менделеева, сера взаимодействует в запаянной трубке с галогенами (фтор, бром, хлор, фосфор). При комнатной температуре реакция возможна только со фтором. Хлорид серы является веществом, наиболее широко применяемым в химической промышленности.

С водой и растворами кислот не взаимодействует, соединения со щелочью обратимы – они образуются при воздействии катализатора. Многие существующие кислоты и соли образованы в результате соединения (обязательным условием является температура) серы с кислородом и водородом.

Электронная структура

Строение атома серы дает возможность элементу проявлять себя в качестве окислителя и восстановителя, а при химической реакции иметь различную валентность. Это обусловлено распределением электронов по уровням.

Ядро атома имеет заряд +16 при атомной массе 32 (16 протонов и нейтронов), радиус – 127 пм. Схема серы (электронная) выглядит следующим образом: S+16)2)8)6; в спокойном состоянии – 1S22S22P63S23P4.

На третьем уровне атом серы имеет пять незанятых орбиталей, поэтому валентность в его соединениях варьируется в следующих пределах: -2, +2,+4,+6, которые зависят от степени его возбуждения.

Месторождения

Количество добываемой серы увеличивается ежегодно. Это связано с достаточно широким кругом ее применения, который постоянно растет за счет технологических прорывов и более тщательного исследования уже известных химических элементов. В природе сера содержится в самородном виде и входит в состав большого количества руд.

В зависимости от этого применяются различные способы ее добычи. Стратиформные месторождения распространены в США, Ираке, среднем Поволжье и Прикарпатье. Они являются наиболее рентабельными в процентном отношении, там добывают от 50 до 60 % серы.

Карбонатные и сульфатные породы пролегают огромными пластами, достигающими десятков метров в глубину и нескольких сотен – в длину. Солянокупольные месторождения характерны для регионов интенсивной добычи нефтепродуктов. К самым крупным залежам относят зону Мексиканского залива, которую параллельно разрабатывают США, Чили и Мексика.

Наиболее современными, недавно сформировавшимися месторождениями являются вулканогенные залежи. Их происхождение связано с тектоническими разломами земной коры и действием вулканов. Соответственно, данные месторождения располагаются в Тихом океане. Активно осваивают данные зоны Япония и Россия.

На территории Евразии более распространены залежи самородной серы, которая имеет достаточно древнее происхождение и преимущественно располагается в поверхностных слоях. Уральские горы, остров Сицилия, Поволжье, Львовская область являются освоенными месторождениями, которые разрабатываются до сегодняшнего дня.

Мировая добыча серы составляет более 50 млн тонн в год, при этом 30 % – самородки, 33 % – газ и нефтепродукты, 14 % – переработка производственных выбросов, 16 % – из сульфидов, 6 % – из сульфатов.

Способы добычи

В зависимости от глубины залегания серосодержащей руды используют различные методы ее извлечения и дальнейшей переработки. Физические свойства серы на первый план, независимо от способа добычи, выводят безопасность процесса. Как правило, залежи данного вещества сопровождаются большим скоплением ядовитых газов, также не исключаются случаи самовозгорания.

Поверхностные рудные слои снимаются пластами при помощи экскаваторов – этот способ наименее опасен (при соблюдении всех технологических требований). Сера очищенная получается в результате ее дальнейшей переработки на соответствующих предприятиях, куда она доставляется из карьеров.

Способы очистки и обогащения разнообразны: термические, центрифугальные, фильтрационные, пароводяные, экстракционные.

Гораздо сложнее производить добычу серы, которая содержится в подземных слоях. Шахтный метод – за счет выделения сопутствующего газа – практически недоступен, поэтому достаточно успешно с 1895 года применяется метод Германа Фраша.

Он наиболее продуктивен при разработке богатых месторождений и дает существенную экономию транспортных расходов и затрат на дальнейшую переработку руды, так как предполагает выход чистого вещества.

Принцип установки прост: рудные слои, содержащие серу, подвергаются обработке горячей водой, которая подается по трубе. Внутри нее располагаются еще два цилиндрических обособленных сосуда, которые предназначены для подачи газа и выхода готового продукта.

За счет низкой температуры плавления на поверхность под давлением выходит сера с небольшим количеством примесей.

Применение

Основным потребителем серы является химическая промышленность, которая не может существовать без кислот на основе данного элемента. Текстильные, нефтеперерабатывающие, пищевые, целлюлозные, горнодобывающие сегменты производства не могут обойтись без этого вещества.

Формула серы дает возможность применять ее соединения для изготовления взрывчатки, спичек, резины, косметических средств, лекарств и т. д. В сельском хозяйстве рассматриваемое нами вещество входит в состав удобрений для почвы (повышает процент усвоенного фосфора) и ядов, которыми обрабатывают семена от различных вредителей.

Для производства красителей и светящихся составов используется очищенная сера. По степени добычи, переработки и использования этого элемента можно судить о промышленном потенциале всего государства. Большинство новейших разработок во многих наукоемких секторах экономики основано на использовании серы и ее соединений.

Сложно оценить весь потенциал применения данного химического элемента, который используется человечеством с древних времен и продолжает активно участвовать в технологическом эволюционном процессе.

Источник: http://fb.ru/article/164267/fizicheskie-svoystva-seryi-opisanie-seryi

Урок 15. Сера – HIMI4KA

Строение атома серы
Самоучитель по химии › Неорганическая химия

Сера — элемент шестой группы третьего периода периодической системы Менделеева. Поэтому строение атома серы изображается так:

Строение атома серы указывает на то, что это неметалл, т. е. атом серы способен и к приёму электронов и к отдаче электронов:

Задание 15.1. Составить формулы соединений серы, содержащие атомы серы с данными степенями окисления.

Простое вещество «сера» — твёрдый хрупкий минерал жёлтого цвета, нерастворимый в воде. В природе встречается как самородная сера, так и её соединения: сульфиды, сульфаты. Сера как активный неметалл легко реагирует с водородом, кислородом, почти со всеми металлами и неметаллами:

Задание 15.2. Назовите полученные соединения. Определите, какие свойства (окислителя или восстановителя) проявляет сера в этих реакциях.

Как типичный неметалл простое вещество сера может быть и окислителем, и восстановителем:

Иногда эти свойства проявляются в одной реакции:

Поскольку атом-окислитель и атом-восстановитель одинаковые, их можно «сложить», т. е. на оба процесса нужно три атома серы.

Задание 15.3. Расставьте остальные коэффициенты в этом уравнении.

Сера может реагировать с кислотами — сильными окислителями:

Таким образом, являясь активным неметаллом, сера образует множество соединений. Рассмотрим свойства сероводорода, оксидов серы и их производных.

Сероводород

H2S — сероводород, сильно ядовитый газ с противным запахом тухлых яиц. Правильнее сказать, белки яиц при гниении разлагаются, выделяя сероводород.

Задание 15.4. Исходя из степени окисления атома серы в сероводороде, предcкажите, какие свойства будет проявлять этот атом в окислительно-восстановительных реакциях.

Поскольку сероводород — восстановитель (атом серы имеет низшую степень окисления), он легко окисляется. Кислород воздуха окисляет сероводород даже при комнатной температуре:

Сероводород горит:

Сероводород немного растворим в воде, причём его раствор проявляет свойства очень слабой кислоты (сероводородной H2S). Она образует соли сульфиды:

Вопрос. Как, имея сульфид, получить сероводород?

Сероводород в лабораториях получают, действуя на сульфиды более сильными (чем H2S) кислотами, например:

Сернистый газ и сернистая кислота

SO2 — сернистый газ с резким удушливым запахом. Ядовит. Растворяется в воде, образуя сернистую кислоту:

Эта кислота средней силы, но очень неустойчива, существует только в растворах. Поэтому при действии на её соли — сульфиты — другими кислотами можно получить сернистый газ:

При кипячении полученного раствора эта кислота разлагается полностью.

Задание 15.5. Определите степень окисления серы в сернистом газе, сернистой кислоте, сульфите натрия.

Поскольку степень окисления +4 для серы является промежуточной, все перечисленные соединения могут быть и окислителями и восстановителями:

Например:

Задание 15.6. Расставьте коэффициенты в этих схемах методом электронного баланса. Укажите, какие свойства проявляет атом серы со степенью окисления +4 в каждой из реакций.

Восстановительные свойства сернистого газа применяются на практике. Так, при восстановлении теряют цвет некоторые органические соединения, поэтому оксид серы IV и сульфиты применяют при отбеливании. Сульфит натрия, растворённый в воде, замедляет коррозию труб, так как легко поглощает кислород из воды, а именно кислород является «виновником» коррозии:

Окисляясь в присутствии катализатора, сернистый газ превращается в серный ангидрид SO3:

Серный ангидрид и серная кислота

Серный ангидрид SO3 — бесцветная жидкость, бурно реагирующая с водой:

Серная кислота H2SO4 — сильная кислота, которая в концентрированном виде активно поглощает влагу из воздуха (это свойство применяется при осушении различных газов) и из некоторых сложных веществ:

Кроме того, концентрированная серная кислота, являясь сильным окислителем, окисляет углерод:

Поэтому, попадая на кожу, концентрированная серная кислота вызывает тяжёлые ожоги, а попадая на ткани, бумагу и другие вещества, обугливает их.

Являясь окислителем (+6 — высшая степень окисления для серы!), концентрированная серная кислота реагирует почти со всеми металлами (кроме железа и благородных металлов) без выделения водорода:

Задание 15.7. Уравняйте эти схемы методом электронного баланса. Укажите, какой атом является окислителем в каждом случае.

Но разбавленная серная кислота и её соли — сульфаты — окислительных свойств (за счёт атома серы) практически не проявляют:

Задание 15.8. Определите, какой атом является окислителем в данной реакции.

Растворы серной кислоты проявляют все свойства сильных кислот.

Задание 15.9. Составьте уравнения реакций, отражающие эти свойства. (При затруднении см. урок 2.2.)

Качественной реакцией на SO42– является образование белого осадка BaSO4, нерастворимого в кислотах:

Серная кислота имеет разнообразное применение: её используют при получении стиральных порошков, лекарств, красителей, удобрений и других необходимых веществ.

Выводы

Изложенное выше можно отразить в шутливом стишке: «Сера, сера, буква S, 32 атомный вес, сера в воздухе горит, образует ангидрид (какой кислоты?), ангидрид плюс вода — получилась кислота (какая?)».

Источник: https://himi4ka.ru/samouchitel-po-himii/urok-15-sera.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть