Фізичні та хімічні властивості сірки
Сірка - досить поширений у природі хімічний елемент (шістнадцятий за вмістом у земній корі і шостий - у природних водах). Зустрічаються як самородна сірка (вільний стан елемента) так і її з'єднання.
Сірка в природі
Серед найважливіших природних мінералів сірки можна назвати залізний колчедан, сфалерит, галеніт, кіновар, антимоніт. У Світовому океані міститься в основному у вигляді сульфатів кальцію, магнію і натрію, що обумовлюють жорсткість природних вод.
Як отримують сірку?
Видобуток сірчаних руд проводиться різними методами. Основним способом отримання сірки є її виплавка безпосередньо в місцях залягання.
Відкритий спосіб видобутку передбачає використання екскаваторів, що знімають породні пласти, які покривають сірчану руду. Після дроблення пластів руди вибухами їх направляють на сероплавильний завод.
У промисловості сірку отримують як побічний продукт процесів у печах для плавки, при нафтопереробці. У великих кількостях вона присутня в природному газі (у вигляді сірчистого ангідриду або сірководню), при видобутку якого відкладається на стінках застосовуваного обладнання. Уловлену з газу дрібнодисперсну сірку використовують у хімічній промисловості як сировину для виробництва різної продукції.
Цю речовину можна отримувати і з природного сірчистого газу. Для цього використовується метод Клауса. Він полягає в застосуванні «сірчаних ям», в яких відбувається дегазація сірки. Результатом є модифікована сірка, що широко використовується у виробництві асфальту.
Основні аллотропічні модифікації сірки
Сері притаманна аллотропія. Відома велика кількість аллотропічних модифікацій. Найбільш відомими є ромбічна (кристалічна), моноклінна (голкова) і пластична сірка. Перші дві модифікації є стійкими, третя при ствердіванні перетворюється на ромбічну.
Фізичні властивості, що характеризують сірку
Молекули ромбічної (^-S) і моноклінної (^-S) модифікацій містять по 8 атомів сірки, які з'єднані в замкнутий цикл одинарними ковалентними зв'язками.
У звичайних умовах сірка має ромбічну модифікацію. Це жовта тверда кристалічна речовина з щільністю 2,07 г/см3. Плавиться при 113 ° C. Щільність моноклінної сірки становить 1,96 г/см3, температура її плавлення дорівнює 119,3 ° C.
При плавленні сірка збільшується в об'ємі і стає жовтою рідиною, яка буреє при температурі 160 ° C і перетворюється на в'язку темно-коричневу масу при досягненні близько 190 ° C. При температурах, що перевищують це значення, в'язкість сірки зменшується. При близько 300 ° C вона знову переходить в рідкий текучий стан. Це пояснюється тим, що в процесі нагрівання сірка полімеризується, з підвищенням температури збільшуючи довжину ланцюжка. А при досягненні температурного значення понад 190 ° C спостерігається руйнування полімерних ланок.
При охолодженні розплаву сірки природним шляхом у циліндричних тиглях утворюється так звана комова сірка - ромбічні кристали великих розмірів, що мають спотворену форму у вигляді октаедрів з частково «зрізаними» гранями або кутами.
Якщо розплавлену речовину піддати різкому охолодженню (наприклад, за допомогою холодної води), то можна отримати пластичну сірку, що являє собою упругу каучукоподібну масу коричневатого або темно-червоного кольору з щільністю 2,046 г/см3. Ця модифікація, на відміну від ромбічної і моноклінної, є нестійкою. Поступово (протягом декількох годин) вона змінює забарвлення на жовту, стає крихкою і перетворюється на ромбічну.
При заморожуванні парів сірки (сильно нагрітих) рідким азотом утворюється її пурпурова модифікація, яка є стійкою при температурах нижче мінус 80 ° C.
У водному середовищі сірка практично не розчиняється. Однак характеризується гарною розчинністю в органічних розчинниках. Погано проводить електрику і тепло.
Температура кипіння сірки дорівнює 444,6 ° C. Процес кипіння супроводжується виділенням помаранчево-жовтих парів, що складаються переважно з молекул S8, які при подальшому нагріванні дисоціюють, в результаті чого утворюються рівноважні форми S6, S4 і S2. Далі при нагріванні відбувається розпад великих молекул, і при температурі вище 900 градусів пари складаються практично тільки з молекул S2, що дисоцірують на атоми при 1500 ° С.
Які хімічні властивості має сірка?
Сірка є типовим неметаллом. Хімічно активна. Окислювально-відновлювальні властивості сірки проявляються по відношенню до безлічі елементів. При нагріванні легко з'єднується практично з усіма елементами, що пояснює її обов'язкову присутність в металевих рудах. Виняток становлять Pt, Au, I2, N2 та інертні гази. Ступені окислення, які виявляє сірка в сполуках, -2, + 4, + 6.
Властивості сірки і кисню обумовлюють горіння її на повітрі. Результатом такої взаємодії є утворення сірчистого (SO2) і сірчаного (SO3) ангідридів, що використовуються для отримання сірчистої і сірчаної кислот.
При кімнатній температурі відновлювальні властивості сірки проявляються тільки щодо фтора, в реакції з яким утворюється гексафторид сірки:
- S + 3F2 = SF6.
При нагріванні (у вигляді розплаву) взаємодіє з хлором, фосфором, кремнієм, вуглецем. В результаті реакцій з воднем крім сірчистого водню утворює сульфани, об'єднані загальною формулою H2SX.
Окислювальні властивості сірки спостерігаються при взаємодії з металами. У деяких випадках можна спостерігати досить бурхливі реакції. У результаті взаємодії з металами утворюються сульфіди (сірчисті сполуки) і полісульфіди (багатосердні метали).
При тривалому нагріванні вступає в реакції з концентрованими кислотами-окислювачами, окислюючись при цьому.
Далі розглянемо основні властивості з'єднань сірки.
Діоксид сірки
Оксид сірки (IV), званий також діоксидом сірки і ангідридом сірчистим, являє собою газ (безбарвний) з різким задушливим запахом. Має властивість зріджуватися під тиском при кімнатній температурі. SO2 є кислотним оксидом. Характеризується хорошою розчинністю у воді. При цьому утворюється слабка, нестійка сірчиста кислота, що існує тільки у водному розчині. У результаті взаємодії сірчистого ангідриду з лужами утворюються сульфіти.
Відрізняється досить високою хімічною активністю. Найбільш яскраво вираженими є відновлювальні хімічні властивості оксиду сірки (IV). Такі реакції супроводжуються підвищенням ступеня окислення сірки.
Окислювальні хімічні властивості оксиду сірки проявляються в присутності сильних відновлювачів (наприклад, оксиду вуглецю).
Тріоксид сірки
Тріоксид сірки (ангідрид сірчаний) - вищий оксид сірки (VI). У звичайних умовах являє собою безбарвну легколетючу рідину, що характеризується задушливим запахом. Має властивість застигати при температурних значеннях нижче 16,9 градуса. При цьому утворюється суміш різних кристалічних модифікацій твердого тріоксиду сірки. Високі гігроскопічні властивості оксиду сірки обумовлюють його «» димлення «» в умовах вологого повітря. У результаті утворюються крапельки сірчаної кислоти.
Сірководень
Сірководень є бінарною хімічною сполукою водню і сірки. H2S - це отруйний безбарвний газ, характерними особливостями якого є солодкуватий смак і запах протухлих яєць. Плавиться при температурі мінус 86 ° С, кипить при мінус 60 ° С. Неустойчив термічно. При температурних значеннях вище 400 ° С відбувається розкладання сірчистого водню на S і H2. Характеризується хорошою розчинністю в етанолі. У воді розчиняється погано. У результаті розчинення у воді утворюється слабка сірководнева кислота. Сірководень є сильним відновлювачем.
Вогненебезпечний. При його горінні в повітрі можна спостерігати синє полум'я. У великих концентраціях здатний вступати в реакції з багатьма металами.
Сірчана кислота
Сірчана кислота (H2SO4) може бути різної концентрації і чистоти. У безводному стані є безбарвною маслянистою рідиною, що не має запаху.
Значення температури, за якої речовина плавиться, становить 10 ° С. Температура кипіння дорівнює 296 ° С. У воді розчиняється добре. При розчиненні сірчаної кислоти утворюються гідрати, при цьому виділяється велика кількість теплоти. Температура кипіння всіх водних розчинів при тиску 760 мм рт. ст. перевищує 100 ° С. Підвищення точки кипіння відбувається зі збільшенням концентрації кислоти.
Кислотні властивості речовини проявляються при взаємодії з основними оксидами і підставами. H2SO4 є двоосновною кислотою, за рахунок чого може утворювати як сульфати (середні солі), так і гідросульфати (кислі солі), більшість з яких розчинні у воді.
Найбільш яскраво властивості сірчаної кислоти проявляються в окислювально-відновлювальних реакціях. Це пояснюється тим, що у складі H2SO4 у сірки вищий ступінь окислення (+ 6). Як приклад прояву окислювальних властивостей сірчаної кислоти можна навести реакцію з міддю:
- Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2.
Сірка: корисні властивості
Сірка є мікроелементом, необхідним для живих організмів. Є складовою частиною амінокислот (метіоніна і цистеїну), ферментів і вітамінів. Даний елемент бере участь в утворенні третинної структури білка. Кількість хімічно пов'язаної сірки, що міститься в білках, становить по масі від 0,8 до 2,4%. Вміст елемента в організмі людини становить близько 2 грамів на 1 кг ваги (тобто приблизно 0,2% становить сірка).
Корисні властивості мікроелемента важко переоцінити. Захищаючи протоплазму крові, сірка є активним помічником організму в боротьбі зі шкідливими бактеріями. Від її кількості залежить згортність крові, тобто елемент допомагає підтримувати її достатній рівень. Також сірка відіграє не останню роль у підтриманні нормальних значень концентрації жовчі, що виробляється організмом.
Часто її називають «мінералом краси», оскільки вона просто необхідна для збереження здоров'я шкіри, нігтів і волосся. Сері притаманна здатність охороняти організм від різних видів негативного впливу навколишнього середовища. Це сприяє уповільненню процесів старіння. Сірка очищає організм від токсинів і захищає від радіації, що особливо актуально в даний час, враховуючи сучасну екологічну обстановку.
Недостатня кількість мікроелемента в організмі може призвести до поганого виведення шлаків, зниження імунітету і життєвого тонусу.
Сірка - учасниця бактеріального фотосинтезу. Вона є складовою бактеріохлорофілу, а сірчистий водень - джерелом водню.
Сірка: властивості та застосування в промисловості
Найбільш широко сірка використовується для виробництва сірчаної кислоти. Також властивості цієї речовини дозволяють застосовувати її для вулканізації каучука, як фунгіцид у сільському господарстві і навіть лікарського препарату (колоїдна сірка). Крім того, сірку використовують для виробництва сірників і піротехнічних складів, вона входить до складу сєробітумних композицій для виготовлення сероасфальту.