Соединения серы: свойства и примеры

В шестую группу периодической системы Д.И.Менделеева, подгруппу кислорода, входят несколько элементов, получивших название халькогенов. К ним относится и сера. Она распространена как в живой, так и неживой природе, и встречается в свободном состоянии, а также в составе сложных неорганических и органических веществ. В нашей статье мы изучим соединения серы и приведем примеры их применения в промышленности.

Распространение серы в природе

Элемент составляет примерно 0,05 массы земной коры. Простое вещество в виде самородной серы добывают в Крыму, Поволжье, государствах Средней Азии, а также в Италии и США. В составе соединений элемент встречается в горных породах и минералах: в железном колчедане, киновари, свинцовом блеске и цинковой обманке. В качестве макроэлемента молекулы серы входят в состав белков растений, животных и человека. В незначительных количествах соединения серы можно обнаружить в жидких природных углеводородах, например, нефти.

Особенности строения атома

Химический символ элемента – S, он расположен в третьем периоде. Сера является неметаллом, то есть является p-элементом. На последнем энергетическом уровне ее атома находится шесть электронов. Они образуют две электронные пары, а еще две отрицательно заряженные частицы остаются неспаренными. Такое состояние атома является невозбужденным. Например, химическое соединение серы - сероводород H₂S, содержит частицу S, имеющую степень окисления -2. В других веществах, таких как диоксид серы SO₂, степень окисления элемента равна +4. В возбужденном состоянии атома валентными становятся все шесть электронов. Например, в серной кислоте H₂SO₄ сера будет иметь степень окисления +6.

Физическая характеристика

Твердое вещество желтого цвета, легко крошащееся при механическом ударе, не смачивается водой – это сера. В природе обнаружено четыре ее стойких изотопа. Она может растворяться в анилине, сероуглероде, плохо проводит электрический ток и тепло. Рассмотрим аллотропные соединения серы. Химия выделяется следующие их виды: ромбическая, пластическая и моноклинная. Первая представлена кристаллами в виде октаэдров, она характерна для природного вещества. Температура плавления - 113⁰, плотность составляет 2,07 г/см³. Чтобы получить порцию моноклинной серы, требуется расплавить вещество, а затем медленно его охлаждать. Образуются кристаллы в виде иголок, темно-желтого цвета, сохраняющие свои свойства (температура плавления 119⁰, плотность – 1,96 г/см³) только при температуре, выше 96°.

Если же вещество продолжает остывать, оно переходит в ромбическую модификацию. Существует еще одна форма – аморфная, коричневого цвета, пластическая сера. Внешне она очень похожа на резину, может принимать любую форму и даже растягиваться в виде нитей. Получают вещество, струей выливая расплавленную серу в холодную воду. Находясь длительное время на воздухе, она затвердевает и теряет пластичность, становясь ромбической формой. Для серы характерно не только твердая или жидкая фаза, но и газообразное состояние. Так, при температуре 444,6⁰ она кипит и переходит в пар темно-коричневого цвета. При резком его охлаждении появляется серный цвет – порошок, состоящий из чешуйчатых мелких кристаллов серы.

Строение молекулы

Твердая ромбическая сера имеет молекулы, состоящие из восьми атомов. Они соединены между собой ковалентными неполярными связями, образуя кольцевидную структуру, которая в период нагревания разрушается. Вещество будет иметь вид обрывков цепей с частицами S, образуется полимерная структура со свойствами резины. Пары серы можно представить как систему, в которой устанавливается химическое равновесие между молекулами, содержащими различное количество атомов серы: два, четыре, шесть или восемь. Существование различных физических форм серы можно объяснить строением ее молекул.

Кислородные соединения серы

Формула оксида химического элемента S зависит от того, какую степень окисления имеет в нем атом серы. Например, SO₂ – это диоксид серы, проявляющей степень окисления +4. Это газообразное вещество бесцветно и обладает удушливым резким запахом. Уже при температуре -10° оно переходит в жидкую фазу. В химических процессах ведет себя, как восстановитель. Сернистый ангидрид получают несколькими способами, например, сжигая серу:

S + O2 → SO2 + Q

Сернистый газ можно также добыть в реакции меди с концентрированной сульфатной кислотой при нагревании:

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂O

Промышленный способ получения диоксида серы заключается в сжигании пирита или других серосодержащих минералов, например, свинцового блеска или цинковой обманки. Соединение используют как основное сырье в производстве сульфатной кислоты.

Трехокись серы

Продолжая рассматривать кислородные соединения серы, остановимся на серном ангидриде. Это жидкость без цвета, при температуре ниже +17⁰ она переходит в твердые кристаллы. Проявляет сильные гигроскопические свойства, и, поглощая пары воды, превращается в серную кислоту:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Хранят серный ангидрид в герметически закрытых емкостях, обычно это - запаянные колбы. Вещество имеет свойства кислотного оксида и является промежуточным продуктом в сульфатном производстве.

Сероводород и соли сульфидной кислоты

В состав компонентов вулканических газов и минеральных источников часто входят молекулы H₂S. Водородное соединение серы - сероводород – газ с запахом тухлых яиц, ядовит, хорошо растворим в воде. Он является продуктом распада белковых веществ, присутствующих в растительных и животных организмах. Газ получают в лаборатории под вытяжкой из водорода и серы, нагревая смесь исходных реагентов. Более распространенным способом получения сероводорода в лабораторных условиях является действие разбавленной хлоридной или сульфатной кислоты на сульфид железа.

В производственных технологиях, идущих с образованием сероводорода, необходимо соблюдать правила техники безопасности. Концентрация газа в цехе или другом помещении не должна превышать 0,01 в 1 л воздуха, так как вещество разрушает, прежде всего, нервную систему человека. Раствор сероводорода в воде называют сульфидной кислотой, она является слабым электролитом и образует два вида солей: сульфиды и гидросульфиды. Соединения серы, в состав которых входят атомы щелочных и щелочноземельных металлов, а также практически все кислые соли, хорошо растворимы в воде. Чтобы определить присутствие в растворе свободных ионов S^2-, проводят качественную реакцию с растворимыми солями, содержащими ион свинца. Выпадение осадка сульфида свинца черного цвета указывает на то, что исследуемое вещество является сульфидной кислотой или ее солью.

Получают сульфиды, пропуская H₂S через раствор сульфата соответствующего металла. Большинство средних солей имеют характерную окраску: например, сульфид марганца – розовую, соли свинца или меди – черную, сульфид кадмия – желтую. Эта особенность используется в аналитической химии для анализа катионов.

Сульфатная кислота

Какое соединение серы является наиболее важным в химии? Конечно же, это сульфатная кислота. Она является много тоннажным продуктом химического производства и востребована в большинстве сфер человеческой деятельности. Серную кислоту применяют при очистке нефтепродуктов, в производстве минеральных удобрений, пластмасс, красителей, лекарственных средств, а также в сельском хозяйстве. Технология получения H₂SO₄ состоит из трех стадий: получение диоксида серы выжиганием пирита, окисление его до серного ангидрида, поглощение его концентрированной серной кислотой и образование олеума. Его разбавляют водой и получают сульфатную кислоту заданной концентрации. Хранят ее в специальных стальных цистернах, которые можно перевозить к месту дальнейшего использования.