Сера: свойства, добыча и применение¶

Сера — химический элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы VI группы) третьего периода периодической системы, атомный номер 16, атомная масса 32,06. Обозначается символом S (лат. sulfur). Простое вещество сера — неметалл жёлтого цвета, хрупкое кристаллическое или аморфное вещество, нерастворимое в воде и плохо растворимое в большинстве органических растворителей (хорошо — в сероуглероде). В природе встречается как в самородном виде, так и в составе сульфидных и сульфатных минералов, а также в нефти, природном газе и каменном угле. Сельское хозяйство, химическая промышленность, медицина и металлургия — основные потребители этого элемента.

¶Историческая справка

Сера известна человечеству с древнейших времён: упоминания о ней есть в Библии, трудах Гомера и Плиния Старшего. В древности её применяли для дезинфекции, отбеливания тканей и как компонент горючих смесей. Алхимики считали серу одним из трёх «принципов» наряду с ртутью и солью. В 1777 году Антуан Лавуазье доказал, что сера — самостоятельный химический элемент, а не соединение. Промышленное значение она приобрела в XIX веке с развитием производства серной кислоты.

¶Физические и химические свойства

Сера существует в нескольких аллотропных модификациях:

• Ромбическая (α-сера) — устойчивая при комнатной температуре, жёлтые кристаллы.
• Моноклинная (β-сера) — образуется при температуре выше 95,6 °C, бледно-жёлтая.
• Пластическая — аморфная форма, получаемая быстрым охлаждением расплава.

Температура плавления ромбической серы — 112,8 °C, кипения — 444,6 °C. При нагревании она образует пары, состав которых зависит от температуры (S₈, S₆, S₄, S₂). Химически сера довольно активна: реагирует с металлами (образуя сульфиды), водородом, кислородом, галогенами. На воздухе горит синеватым пламенем с образованием диоксида серы SO₂. Степени окисления: −2, 0, +4, +6.

¶Нахождение в природе и добыча

Основные природные формы:

• Самородная сера — вулканического или осадочного происхождения.
• Сульфиды — пирит FeS₂, галенит PbS, сфалерит ZnS, киноварь HgS.
• Сульфаты — гипс CaSO₄·2H₂O, ангидрит, барит BaSO₄.

Значительная часть серы извлекается попутно при переработке нефти и природного газа (очистка от сероводорода). Крупные месторождения самородной серы расположены в Польше, США, Ираке, Мексике, России (Курильские острова, Поволжье). Мировое производство серы оценивается в десятки миллионов тонн в год.

¶Применение

Серная кислота. До 90 % добываемой серы идёт на производство серной кислоты H₂SO₄ — одного из важнейших продуктов химической промышленности, используемого в производстве удобрений, аккумуляторов, очистке нефтепродуктов.

Сельское хозяйство. Сера применяется как фунгицид для борьбы с грибковыми заболеваниями растений (например, мучнистой росой), а также как компонент минеральных удобрений и средство для подкисления почв.

Резиновая промышленность. Вулканизация — процесс сшивания молекул каучука серой — придаёт резине прочность и эластичность. Открыт Чарльзом Гудьиром в 1839 году.

Медицина. Сера входит в состав мазей при кожных заболеваниях (себорея, чесотка, акне), используется в гомеопатии и как слабительное средство (очищенная сера).

Прочее. Пиротехника, спички, производство красителей, бумаги, взрывчатых веществ, сероуглерода.

¶Биологическая роль

Сера — незаменимый элемент для живых организмов. Она входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), белков, витаминов (биотин, тиамин), кофермента А. Сульфидные связи стабилизируют третичную структуру белков. Недостаток серы у растений проявляется пожелтением листьев и замедлением роста. У человека суточная потребность в сере покрывается пищей (мясо, яйца, бобовые, капуста).

¶Техника безопасности

Сера и её соединения требуют осторожного обращения:

• Горючесть. Порошкообразная сера пожароопасна; пыль может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом.
• Диоксид серы SO₂. Токсичен, раздражает дыхательные пути, при высоких концентрациях вызывает отёк лёгких.
• Сероводород H₂S. Сильно ядовит, обладает запахом тухлых яиц; при больших концентрациях поражает нервную систему.
• Серная кислота. Едкая, вызывает химические ожоги; при разбавлении необходимо лить кислоту в воду, а не наоборот.

При работе с серой используют средства индивидуальной защиты: респираторы, перчатки, защитные очки; помещения должны хорошо вентилироваться. Хранят серу в сухих, проветриваемых складах вдали от окислителей.

¶Экологические аспекты

Выбросы диоксида серы при сжигании угля и нефтепродуктов — одна из причин кислотных дождей, наносящих ущерб почвам, водоёмам и зданиям. Для снижения выбросов применяют десульфуризацию топлива и дымовых газов. Побочная сера, получаемая при нефтепереработке, часто складируется в виде крупных блоков, что создаёт проблемы хранения.

¶Интересные факты

• Вулкан Иджен в Индонезии — место кустарной добычи серы в крайне тяжёлых условиях.
• Сера — один из немногих элементов, известных в самородном виде с древности.
• Запах «горящих спичек» обусловлен в основном продуктами горения серы и её соединений.
• В алхимии сера символизировала горючесть и мужское начало.