Строение
Это не диаграмма 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 химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение сера среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 105 pm — это 0,105 нм, поэтому около 4,76 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Сера находится в жидком состоянии в диапазоне 329 K — от 388 K до 718 K.
История
Жёлтое твёрдое вещество с характерным запахом. Необходимо для белков.
Сера — один из немногих элементов, известных древним цивилизациям в чистом виде. Китайские алхимики около 500 года до н. э. называли её «люй хуан» (текучая жёлтая) и использовали в первых составах пороха. Древние египтяне применяли серу для мумификации и в медицине, а древнегреческий философ Плиний Старший (23–79 гг. н. э.) описал её применение для окуривания и лечения в своей «Естественной истории».
Название элемента происходит от латинского «sulfurium», связанного со словом «sulfur» в значении «гореть». Древние римляне называли его «sulphur» и связывали с вулканической активностью, особенно в районе Везувия и на вулканических островах Сицилии.
Джабир ибн Хайян (721–815 гг. н. э.), отец химии, определил серу как один из фундаментальных принципов материи в своей серно-ртутной теории. Этот персидский эрудит предположил, что все металлы содержат серу и ртуть в различных пропорциях; теория господствовала в алхимии на протяжении столетий. В его труде «Kitab al-Khawass al-kabir» описаны свойства серы и методы её очистки.
Современное понимание серы началось с Антуана Лорана Лавуазье (1743–1794), который окончательно доказал, что сера является элементом, в своих выдающихся 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 из 33 элементов 1789 года в труде «Traité Élémentaire de Chimie».
Ученик Лавуазье Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) и его коллега Луи Жак Тенар (1777–1857) в 1809 году дополнительно подтвердили элементарную природу серы, показав, что сероводород содержит только водород и серу, без скрытых компонентов.
Промышленное значение серы резко возросло в XIX веке. Peregrine Phillips, 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.
Nicolas Leblanc (1742–1806) ранее, в 1791 году, разработал процесс Леблана, требовавший огромных количеств серной кислоты для производства карбоната натрия и стимулировавший мировой спрос на серу.
Немецко-американский химик Herman Frasch (1851–1914) решил проблему извлечения серы из подземных месторождений с помощью изобретённого им процесса, запатентованного в 1894 году. Работая в Union Sulfur Company в Луизиане, Фраш разработал метод использования перегретой воды (160°C) для плавления подземной серы и сжатого воздуха для выталкивания её на поверхность.
26 декабря 1894 года на руднике Sulphur Mine в Луизиане первая скважина Фраша дала расплавленную серу, преобразив мировую серную промышленность. К 1900 году производство серы в США увеличилось в 100 раз, сделав Соединённые Штаты ведущим производителем серы в мире.
Eilhard Mitscherlich (1794–1863) открыл аллотропные формы серы в 1823 году, выявив ромбические и моноклинные кристаллы. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848) определил атомную массу серы как 32,07 в 1818 году — это значение remarkably близко к принятому сегодня 32,065.
XX век принёс понимание роли серы в биохимии: Frederick Gowland Hopkins открыл серосодержащие аминокислоты цистеин и метионин, за что получил Нобелевскую премию по физиологии в 1929 году.
Применение
Серу в основном превращают в серную кислоту (H₂SO₄) с помощью контактного процесса, изобретённого Peregrine Phillips в 1831 году. Этот процесс состоит из трёх стадий:
Современные предприятия производят до 3 000 тонн в сутки с эффективностью превращения 99,5%. К крупнейшим производителям относятся Mosaic Company (Флорида) и Nutrien (Канада).
Серная кислота необходима для производства фосфатных удобрений, таких как суперфосфат и тройной суперфосфат. Реакция Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄ создаёт водорастворимый фосфор. Cargill и CF Industries эксплуатируют крупные предприятия по переработке серы в удобрения на Среднем Западе США.
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 для производства высокооктановых компонентов бензина. Один нефтеперерабатывающий завод потребляет 200–500 тонн серной кислоты в сутки.
Серная кислота выщелачивает медь из бедных руд с помощью кучного выщелачивания. На предприятиях Freeport-McMoRan в Аризоне измельчённую 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 лишь 0,4–0,8% меди.
Соединения серы являются важными промежуточными продуктами:
Открытие Charles Goodyear в 1839 году использует элементарную серу для образования поперечных связей между полимерами каучука. В современном производстве шин на предприятиях Bridgestone и Michelin используют 1–3% серы по массе, создавая дисульфидные связи между полимерными цепями. Этот процесс превращает мягкую резину в прочный эластичный материал, устойчивый к экстремальным температурам.
Откуда он происходит
350 мг/кг земной коры · более распространён, чем 86% элементов
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.
Кристаллы чистой серы образуются в результате нескольких геологических процессов:
В природе существует более 200 минералов, содержащих серу:
Сера претерпевает сложные превращения в ходе биологических процессов:
Сера образуется в результате горения кремния в массивных звёздах (>8 солнечных масс) при температурах выше 3 миллиардов K. Процесс ²⁸Si + ⁴He → ³²S происходит на заключительных стадиях эволюции звёзд. Сера-16 имеет «магическое число» протонов, что делает её необычно стабильной. Метеориты содержат серу в виде троилита (FeS) и ольдгамита (CaS), что свидетельствует о химии ранней Солнечной системы.
Морская вода содержит примерно 905 ppm серы в виде 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
Элементарная сера обладает чрезвычайно низкой токсичностью: пероральная LD50 для крыс составляет >5 000 mg/kg, поэтому она практически нетоксична. Однако соединения серы представляют значительную опасность:
Элементарная сера: хранить в прохладном сухом месте вдали от окислителей. Серная пыль может создавать взрывоопасность — поддерживать влажность выше 65% и использовать антистатическое оборудование. Заземлять все ёмкости и избегать действий, создающих трение.
Серная кислота: хранить в двустенных ёмкостях при температуре ниже 40°C. Всегда добавлять кислоту в воду, никогда не добавлять воду в кислоту. Разместить аварийные станции для промывания глаз в пределах 25 футов от зон хранения.
Сера горит при 248°C с образованием токсичного диоксида серы. Серная пыль может образовывать взрывоопасные смеси с воздухом (35–1 400 g/m³). Для охлаждения горящей серы использовать распылённую воду; никогда не применять CO₂ или порошковые огнетушители при крупных пожарах серы.
Краткие ответы
Сера (символ S) — элемент 16 в периодической таблице, представитель семейства Неметалл в 3 периоде, 16 группе. Жёлтый, хрупкий и ответственный за запах спичек, тухлых яиц и вулканических жерл. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ne] 3s² 3p⁴; она включает 3 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 6. На внешней оболочке находится 6 электронов, что определяет характер химических связей.Сера плавится при 388.4 K (115.2 °C) и кипит при 717.8 K (444.7 °C).
Стандартная атомная масса Сера составляет 32.06 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Сера составляет 2.067 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Сера примерно в 2.1× тяжелее.
Электроотрицательность Сера по шкале Полинга составляет 2.58. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Сера известен с древности — он встречается в форме, пригодной для использования без выплавки, поэтому нельзя приписать его открытие какому-либо одному человеку. Название происходит от санскритское sulvere, через латинское sulphurium.
На долю Сера приходится около 350 мг/кг земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.