Физические и химические свойства - Сера и ее роль в жизни

Атомы серы обладают уникальной способностью образовывать устойчивые гомоцепи, т. е. цепи, состоящие только из атомов S (энергия связи S-S составляет около 260 кДж/моль). Гомоцепи серы имеют зигзагообразную форму, так как в их образовании принимают участие электроны, расположенные в соседних атомах на взаимно перпендикулярных рорбиталях. Эти цепи могут достигать большой длины, или, наоборот, образовывать замкнутые кольца S20, S8, S6, S4.

Поэтому сера образует несколько десятков как кристаллических, так и аморфных модификаций, отличающихся как составом молекул и полимерных цепей, так и способом их упаковки в твердом состоянии.

При нормальном давлении и температурах до 98,38°C стабильна ?-модификация серы (иначе эту модификацию называют ромбической), образующая лимонно-желтые кристаллы. Ее кристаллическая решетка орторомбическая, параметры элементарной ячейки a = 1,04646, b = 1,28660, c = 2,4486 нм. Плотность 2,07 кг/дм3. Выше 95,39°C стабильна ? - модификация серы (так называемая моноклинная сера). При комнатной температуре параметры элементарной ячейки моноклинной ?-S a = 1.090, b = 1.096, c = 1,102 нм, t = 83,27°. Плотность ?-S 1,96 кг/дм3.

В структурах как ?-, так и ?-модификаций серы имеются неплоские восьмичленные циклические молекулы S8. Такие молекулы немного похожи на короны.

Две эти модификации серы отличаются взаимной ориентацией молекул S8 в кристаллической решетке.

Еще одну модификацию серы -- так называемую ромбоэдрическую серу -- можно получить выливанием раствора тиосульфата натрия Na2S2O3 в концентрированную соляную кислоту при 0°C с последующей экстракцией серы толуолом. После испарения растворителя возникают ромбоэдрические кристаллы, содержащие молекулы S6 в форме кресла.

Аморфную серу (плотность 1,92 г/см3) и резиноподобную пластическую серу получают при резком охлаждении расплавленной серы (выливая расплав в холодную воду). Эти модификации состоят из нерегулярных зигзагообразных цепей Sn. При длительном выдерживании при температурах 20-95°C все модификации серы превращаются в ?-серу.

Температура плавления ромбической ? - серы 112,8°С, а моноклинной ?-серы 119,3°С. И в том, и в другом случае образуется легкоподвижная желтая жидкость, которая при температуре около 160°С темнеет; ее вязкость повышается, и при температуре выше 200°С расплавленная сера становится темно-коричневой и вязкой, как смола. Это объясняется тем, что сначала в расплаве разрушаются кольцевые молекулы S8. Возникающие фрагменты объединяются друг с другом с образованием длинных цепей S из нескольких сотен тысяч атомов. Дальнейшее нагревание расплавленной серы (выше температуры 250°C) ведет к частичному разрыву цепей, и жидкость снова становится более подвижной. На рис. показана температурная зависимость вязкости жидкой серы. Около 190°C ее вязкость примерно в 9000 раз больше, чем при 160°C.

При температуре 444,6°C расплавленная сера закипает. В зависимости от температуры в ее парах можно обнаружить молекулы S8, S6, S4 и S2. Изменение состава молекул вызывает изменение окраски паров серы от оранжево-желтого до соломенно-желтого цвета. При температуре выше 1500°C молекулы S2 диссоциируют на атомы.

Молекулы S2 парамагнитны и построены аналогично молекуле O2. Во всех других состояниях сера диамагнитна.

В воде сера практически нерастворима. Некоторые ее модификации растворяются в органических жидкостях (толуоле, бензоле) и особенно хорошо -- в сероуглероде CS2 и жидком аммиаке NH3.

Сера -- достаточно активный неметалл. Даже при умеренном нагревании она окисляет многие простые вещества, но и сама довольно легко окисляется кислородом и галогенами.

    S + O2 = SO2, S + 3F2 = SF6, 2S + Cl2 = S2Cl2 (c примесью SCl2)

С водородом при нагревании сера образует сероводород H2S и в небольшом количестве сульфаны (соединения состава H2Sn):

H2 + S <> H2S

Примеры реакций серы с металлами:

2Na + S = Na2S, Ca + S = CaS, Fe + S = FeS

Образующиеся в этих реакциях сульфиды характеризуются не постоянным, а, как правило, переменным составом. Так, состав сульфида кальция может непрерывно изменяться в границах от CaS до CaS5. Полисульфиды типа СаSn или Na2Sn при взаимодействии, например, с соляной кислотой образуют сульфаны H2S n, причем значение n может составлять от 1 до приблизительно 10.

Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет серу до SO2:

S + 2H2SO4 = 2H2O + 3SO2

Царская водка (смесь азотной и соляной кислот) окисляет серу до серной кислоты.

Разбавленная азотная кислота, соляная кислота без окислителей и серная кислота на холоде с серой во взаимодействие не вступают. При нагревании в кипящей воде или растворах щелочей сера диспропорционирует:

3S + 6NaOH <> 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O;

Сера может присоединяться к сульфидам

Na2S + (n-1)S = Na2Sn

И к сульфитам:

Na2SO3 + S = Na2S2O3

В результате протекания данной реакции из сульфита натрия Na2SO3 образуется тиосульфат натрия Na2S2O3.

При нагревании сера реагирует почти со всеми элементами, кроме инертных газов, иода, азота, платины и золота.

Известно несколько оксидов серы. Кроме устойчивых диоксида серы SO2 [другие названия: сернистый газ, сернистый ангидрид, оксид серы (IV)] и триоксида серы SO3 [другие названия: серный газ, серный ангидрид, оксид серы (VI)], получены неустойчивые оксиды S2O (при пропускании тока SO2 через тлеющий разряд) и S8O (при взаимодействии H2S c SOCl2). Пероксиды SO4 и S2O7 образуются при пропускании SO2 в смеси с кислородом через тлеющий разряд или за счет окисления SO2 озоном.

Кислотному диоксиду серы SO2 соответствует неустойчивая кислота средней силы H2SO3 (сернистая кислота):

Н2О + SO2 <> H2SO3,

А кислотному триоксиду серы SO3-- сильная двухосновная серная кислота H2SO4:

SO3 + H2O = H2SO4

И сернистой кислоте H2SO3, и серной H2SO4 соответствуют по два ряда солей: кислые [соответственно гидросульфиты NaHSO3, Ca(HSO3)2 и др. и гидросульфаты КНSO4, NaНSO4 и другие] и средние [сульфиты Na2SO3, K2SO3 и сульфаты CaSO4, Fe2(SO4)3].

Сера входит в состав многих органических соединений (см. статьи Тиофен, Тиолы и другие).

Похожие статьи




Физические и химические свойства - Сера и ее роль в жизни

Предыдущая | Следующая