16 S Сера 32.06
неметалл p-block Period 3 Group 16

Сера

S · Element 16 · Chalcogens

Yellow, brittle, and responsible for the smell of struck matches, rotten eggs and volcanic vents.

СОСТОЯНИЕ ПРИ 20°C твёрдое
АТОМНАЯ МАССА 32.06 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ne] 3s² 3p⁴
15P All 118 17Cl

Строение

Атом сера

Это не схема из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование связей.

Облако орбиталей

Измеренные значения

Таблица свойств

Каждая полоса показывает, какое место сера занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.

Физические

Плотность 2.067 g/cm³ 18%
Температура Плавления 388.4 K 22%
Температура Кипения 717.8 K 18%
Удельная теплоёмкость 0.71 J/g·K
Теплопроводность 0.21 W/m·K 13%

Атомные

Атомный Радиус 105 pm 9%
Ковалентный радиус 105 pm
Радиус Ван-дер-Ваальса 180 pm

Электронные

Электроотрицательность 2.58 92%
Энергия ионизации 999.6 kJ/mol 85%
Сродство к Электрону 200.7 kJ/mol 91%

Распространённость

Распространённость в земной коре 350 mg/kg 86%

Идентификационные

СимволS
Атомный номер16
Атомная масса32.06 u
Категориянеметалл
Блокp
Кристаллическая структураромбическая
Степени окисления-2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6
ОткрытиеPrehistoric
ПервооткрывательKnown since antiquity

Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.

Размер в масштабе

How big is a сера atom?

Radius 105 pm — that is 0.105 nm, so about 4762 million of them side by side would span a millimetre.

Тепловой диапазон

Solid, liquid, gas — and when

Сера is liquid over a 329 K window, from 388 K to 718 K.

Положение

Положение в таблице

Сера sits in period 3, group 16. Everything in group 16 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER НЕМЕТАЛЛЫ

1H 6C 7N 8O 15P 34Se
All неметаллы

История

Что такое сера и как его обнаружили

Жёлтое твёрдое вещество с характерным запахом. Необходимо для белков.

The discovery of сера

Открытие и история серы

Древние знания и раннее применение

Сера — один из немногих элементов, известных древним цивилизациям в чистом виде. Китайские алхимики примерно в 500 году до н. э. называли её «люй хуан» (текучая жёлтая) и использовали в ранних составах пороха. Древние египтяне применяли серу для мумификации и в медицине, а древнегреческий философ Плиний Старший (23–79 годы н. э.) описал её использование для окуривания и в лечебных целях в своей «Естественной истории».

Название элемента происходит от латинского «sulfurium», связанного со словом «sulfur» — «гореть». Древние римляне знали её как «sulphur» и связывали с вулканической активностью, особенно в районе Везувия и на вулканических островах Сицилии.

Вклад средневекового исламского мира

Джабир ибн Хайян (721–815 годы н. э.), отец химии, определил серу как один из фундаментальных принципов материи в своей серно-ртутной теории. Этот персидский учёный предположил, что все металлы содержат серу и ртуть в различных пропорциях; эта теория доминировала в алхимической мысли на протяжении веков. В его труде «Китаб аль-Хавасс аль-кабир» описаны свойства серы и методы её очистки.

Революционная классификация Антуана Лавуазье

Современное понимание серы началось с работ Антуана Лорана Лавуазье (1743–1794), который окончательно доказал, что сера является элементом, в своих новаторских экспериментах 1777 года. Работая в своей лаборатории в Парижском арсенале, Лавуазье показал, что серу нельзя разложить на более простые вещества, и включил её в свой знаменитый список 33 элементов 1789 года в труде «Начальный курс химии».

Ученик Лавуазье Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) и его коллега Луи Жак Тенар (1777–1857) дополнительно подтвердили элементарную природу серы в 1809 году, показав, что сероводород содержит только водород и серу, без скрытых компонентов.

Промышленная революция и контактный процесс

Промышленное значение серы резко возросло в XIX веке. Перегрин Филлипс, британский производитель уксуса, запатентовал контактный процесс производства серной кислоты 15 октября 1831 года. В его методе использовались платиновые катализаторы для эффективного превращения диоксида серы в триоксид серы, что произвело революцию в химическом производстве.

Николя Леблан (1742–1806) ранее разработал в 1791 году процесс Леблана, требовавший огромных количеств серной кислоты для производства карбоната натрия и стимулировавший мировой спрос на серу.

Революция процесса Фраша

Американо-немецкий химик Герман Фраш (1851–1914) решил проблему извлечения серы из подземных месторождений с помощью разработанного им процесса, запатентованного в 1894 году. Работая в Union Sulfur Company в Луизиане, Фраш разработал метод с использованием перегретой воды (160°C) для плавления подземной серы и сжатого воздуха для вытеснения её на поверхность.

26 декабря 1894 года на серном руднике в Луизиане первая скважина Фраша дала расплавленную серу, преобразив мировую серную промышленность. К 1900 году производство серы в США выросло в 100 раз, сделав Соединённые Штаты ведущим производителем серы в мире.

Современная наука о сере

Эйлхард Митчерлих (1794–1863) открыл аллотропные формы серы в 1823 году, определив ромбические и моноклинные кристаллы. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848) определил атомную массу серы как 32,07 в 1818 году — значение, удивительно близкое к принятому сегодня значению 32,065.

XX век принёс понимание роли серы в биохимии: Фредерик Гоуланд Хопкинс открыл содержащие серу аминокислоты цистеин и метионин, за что получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1929 году.

Применение

Для чего используется сера

Промышленное применение серы

Производство серной кислоты (85% применения серы)

Серу главным образом превращают в серную кислоту (H₂SO₄) с помощью контактного процесса, изобретённого Перегрином Филлипсом в 1831 году. Этот трёхстадийный процесс включает:

  • Стадия 1: Сжигание серы на воздухе с образованием диоксида серы (S + O₂ → SO₂)
  • Стадия 2: Каталитическое окисление с использованием пентаоксида ванадия при 450°C (2SO₂ + O₂ → 2SO₃)
  • Стадия 3: Поглощение концентрированной серной кислотой для предотвращения образования кислотного тумана

Современные предприятия производят до 3 000 тонн в день с эффективностью превращения 99,5%. К крупнейшим производителям относятся Mosaic Company (Флорида) и Nutrien (Канада).

Производство удобрений

Серная кислота необходима для производства фосфатных удобрений, таких как суперфосфат и тройной суперфосфат. Реакция Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄ образует водорастворимый фосфор. Cargill и CF Industries эксплуатируют крупные предприятия по превращению серы в удобрения на территории американского Среднего Запада.

Переработка нефти

Серная кислота удаляет примеси при переработке нефти посредством процессов алкилирования. ExxonMobil и Chevron используют 40–60% серную кислоту в качестве катализатора соединения изобутана с алкенами, получая высокооктановые компоненты бензина. Один нефтеперерабатывающий завод потребляет 200–500 тонн серной кислоты в день.

Обработка металлов и горнодобыча

Серная кислота выщелачивает медь из бедных руд посредством кучного выщелачивания. На предприятиях Freeport-McMoRan в Аризоне дроблёную руду орошают разбавленной серной кислотой (pH 1,5–2,0), растворяя медь в виде сульфата меди. Этот процесс извлекает 60–90% меди из руд, содержащих всего 0,4–0,8% меди.

Химическое производство

Соединения серы являются важными промежуточными продуктами:

  • Диоксид серы (SO₂): пищевой консервант (E220) и антисептик для вина
  • Сероуглерод (CS₂): производство вискозного волокна на предприятиях Lenzing AG
  • Сероводород (H₂S): источник чистой серы в процессе Клауса на нефтеперерабатывающих заводах
  • Хлориды серы: ускорители вулканизации резины

Вулканизация резины

Открытие Чарльза Гудьира в 1839 году основано на использовании элементарной серы для образования поперечных связей между полимерами каучука. Современное производство шин в компаниях Bridgestone и Michelin использует 1–3% серы по массе, создавая дисульфидные связи между цепями полимеров. Этот процесс превращает мягкую резину в прочный, эластичный материал, устойчивый к экстремальным температурам.

Повседневное применение серы

Сельскохозяйственные продукты

  • Садовая порошкообразная сера — снижение pH почвы для таких кислолюбивых растений, как черника и азалии
  • Сульфатные удобрения — сульфат аммония (21-0-0-24S) от производителей, таких как Simplot
  • Фунгицидные спреи — органические серные порошки для борьбы с мучнистой росой на винограде и розах
  • Добавки для скота — серные блоки для крупного рогатого скота для предотвращения минерального дефицита

Личная гигиена и здоровье

  • Средства от акне — серное мыло и кремы (бренды: De La Cruz, Grisi)
  • Шампуни от перхоти — сульфид селена в Head & Shoulders Clinical Strength
  • Лекарства от артрита — добавки с MSM (метилсульфонилметаном)
  • Кожные заболевания — серные мази для лечения себорейного дерматита и розацеа

Еда и напитки

  • Консервация вина — диоксид серы (SO₂) предотвращает окисление и рост бактерий
  • Сухофрукты — сульфиты в абрикосах и изюме сохраняют цвет и свежесть
  • Переработка пищевых продуктов — метабисульфит калия в качестве антимикробного средства
  • Пивоварение — соединения серы используются для создания таблеток Campden для санитарной обработки

Бытовое и промышленное применение

  • Спички — сера в головках спичек, зажигающихся о любую поверхность, и на полосках безопасных спичек
  • Порох — традиционный чёрный порох (75% селитры, 15% древесного угля, 10% серы)
  • Производство бумаги — сульфитный процесс варки целлюлозы на предприятиях International Paper
  • Фотография — тонеры на основе сульфида серебра для художественных чёрно-белых отпечатков
  • Бетон — серный бетон для химически стойких строительных конструкций

Автомобили и транспорт

  • Производство шин — вулканизующий агент во всех резиновых шинах
  • Кислота для аккумуляторов — электролит из серной кислоты в свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторах
  • Присадки к топливу — сероорганические соединения улучшают стабильность топлива
  • Тормозная жидкость — соединения серы в составах DOT 3 и DOT 4

Откуда он берётся

Встречаемость в природе

350 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 86% of elements

Природное распространение серы

Распространённость на Земле

Сера занимает 10-е место по распространённости среди элементов в земной коре — 260 ppm — и 5-е место по распространённости в организме человека. Элемент концентрируется в определённых геологических средах благодаря своим уникальным химическим свойствам и биологическому круговороту.

Месторождения элементарной серы

Кристаллы чистой серы образуются в результате нескольких геологических процессов:

  • Вулканические районы: Везувий (Италия), Кавах-Иджен (Индонезия) и Йеллоустон (США) содержат самородную серу, образовавшуюся при окислении сероводорода
  • Соляные купола: на побережье Мексиканского залива в Техасе и Луизиане находятся огромные месторождения серы мощностью до 150 метров, образовавшиеся в результате бактериального восстановления гипса
  • Горячие источники: сера выпадает в осадок, когда богатая сероводородом вода соприкасается с кислородом в Роторуа (Новая Зеландия) и Мамонтовых горячих источниках

Минералы серы

В природе существует более 200 содержащих серу минералов:

  • Пирит (FeS₂): «золото дураков» — самый распространённый минерал серы, встречается по всему миру
  • Галенит (PbS): основная свинцовая руда, крупные месторождения находятся в Миссури, Австралии и Перу
  • Сфалерит (ZnS): главная цинковая руда, распространённая в месторождениях миссисипского типа
  • Халькопирит (CuFeS₂): важнейшая медная руда, встречается в порфировых месторождениях
  • Гипс (CaSO₄·2H₂O): эвапоритовый минерал, образующий мощные пласты в осадочных породах
  • Ангидрит (CaSO₄): образуется при обезвоживании гипса на глубине

Биологический круговорот серы

Сера претерпевает сложные превращения в ходе биологических процессов:

  • Морская среда: фитопланктон производит диметилсульфид (DMS), влияющий на образование облаков и климат
  • Почвенные экосистемы: сульфатредуцирующие бактерии превращают сульфаты в сероводород в анаэробных условиях
  • Бактерии горячих источников: термофильные организмы, такие как Sulfolobus, окисляют серу при температурах выше 80°C
  • Растительный метаболизм: крестоцветные овощи (брокколи, чеснок) концентрируют сероорганические соединения

Космическое и звёздное происхождение

Сера образуется в результате горения кремния в массивных звёздах (>8 солнечных масс) при температурах выше 3 миллиардов K. Процесс ²⁸Si + ⁴He → ³²S происходит на последних стадиях эволюции звёзд. Сера-16 имеет «магическое число» протонов, благодаря чему необычайно стабильна. Метеориты содержат серу в виде троилита (FeS) и олдгамита (CaS), что служит свидетельством химии ранней Солнечной системы.

Химия океана

Морская вода содержит примерно 905 ppm серы в форме сульфат-ионов (SO₄²⁻), что делает их вторым по распространённости анионом после хлорида. Гидротермальные источники срединно-океанических хребтов откладывают минералы серы в результате реакции горячих вулканических флюидов с холодной морской водой, создавая «чёрные курильщики», богатые сульфидами меди, цинка и свинца.

Обращение

Безопасность

Информация о безопасности серы

Токсичность и опасность для здоровья

Элементарная сера обладает исключительно низкой токсичностью: пероральная LD50 для крыс составляет >5 000 mg/kg, поэтому она практически нетоксична. Однако соединения серы представляют значительную опасность:

  • Сероводород (H₂S): чрезвычайно токсичный газ, смертельный при концентрации 500–1000 ppm в течение нескольких минут
  • Диоксид серы (SO₂): раздражитель дыхательных путей, допустимый предел OSHA — 5 ppm (8-часовое средневзвешенное значение)
  • Сероуглерод (CS₂): нейротоксин, поражающий центральную нервную систему, допустимый предел OSHA — 20 ppm

Нормы OSHA и пределы воздействия

  • Пыль элементарной серы: 15 mg/m³ общей пыли, 5 mg/m³ респирабельной фракции
  • Серная кислота: 1 mg/m³ (8-часовое средневзвешенное значение), уровень непосредственной опасности — 15 mg/m³
  • Сероводород: предельная концентрация 10 ppm, максимальный пик 50 ppm в течение 10 минут

Средства индивидуальной защиты (СИЗ)

  • Защита органов дыхания: маски N95 для защиты от серной пыли, подача воздуха в средах с H₂S
  • Защита глаз: защитные очки при работе с соединениями серы
  • Защита кожи: нитриловые перчатки, химически стойкая одежда при работе с кислотами
  • Защита ног: химически стойкие сапоги в промышленных условиях

Безопасное обращение и хранение

Элементарная сера: хранить в прохладных сухих местах вдали от окислителей. Серная пыль может создавать взрывоопасность — поддерживать влажность выше 65% и использовать антистатическое оборудование. Заземлять все контейнеры и избегать действий, создающих трение.

Серная кислота: хранить в двустенных контейнерах, поддерживать температуру ниже 40°C. Всегда добавлять кислоту в воду, а не воду в кислоту. Разместить аварийные станции для промывания глаз в пределах 25 футов от мест хранения.

Аварийные процедуры

  • Попадание серной кислоты на кожу: немедленно промывать водой не менее 15 минут, снять загрязнённую одежду
  • Попадание в глаза: промывать водой не менее 15 минут, немедленно обратиться за медицинской помощью
  • Воздействие сероводорода: немедленно выйти на свежий воздух, при наличии подать кислород, вызвать экстренные службы
  • Проглатывание: при попадании кислот не вызывать рвоту, дать воду человеку в сознании, обратиться за медицинской помощью

Опасность пожара и взрыва

Сера горит при 248°C с образованием токсичного диоксида серы. Серная пыль может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (35–1400 g/m³). Для охлаждения горящей серы использовать распылённую воду; никогда не применять CO₂ или порошковые огнетушители при крупных пожарах серы.

Краткие ответы

Сера: часто задаваемые вопросы

What is Сера?

Сера (symbol S) is element 16 on the periodic table, a неметалл in period 3, group 16. Yellow, brittle, and responsible for the smell of struck matches, rotten eggs and volcanic vents. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of Сера?

Сера's ground-state electron configuration is [Ne] 3s² 3p⁴, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 6 electrons respectively. Its outer shell holds 6 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of Сера?

Сера melts at 388.4 K (115.2 °C) and boils at 717.8 K (444.7 °C).

What is the atomic mass of Сера?

The standard atomic weight of Сера is 32.06 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is Сера?

Сера has a density of 2.067 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of сера is about 2.1× heavier.

What is the electronegativity of Сера?

Сера has a Pauling electronegativity of 2.58. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered Сера, and when?

Сера has been known since antiquity — it occurs in a form usable without smelting, so no single person can be credited with its discovery. The name comes from sanskrit sulvere, via Latin sulphurium.

How common is Сера on Earth?

Сера makes up about 350 mg/kg of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.

← Предыдущий P Phosphorus Element 15 · Nonmetal Далее → Cl Chlorine Element 17 · Halogen