18.10 Распространённость, получение и свойства серы (Occurrence, Preparation, and Properties of Sulfur)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• описывать свойства, получение и применение серы.

Сера встречается в природе как в виде самородных залежей элементной серы, так и в виде сульфидов железа, цинка, свинца и меди и сульфатов натрия, кальция, бария и магния. Сероводород часто входит в состав природного газа и присутствует во многих вулканических газах, подобных тем, что показаны на рис. 18.58. Сера входит в состав многих белков и необходима для жизни.

Рис. 18.58. Вулканические газы содержат сероводород. (Источник: Daniel Julie/Wikimedia Commons.)

Процесс Фраша (Frasch process), изображённый на рис. 18.59, имеет большое значение для добычи свободной серы из огромных подземных залежей в Техасе и Луизиане. Перегретую воду (\(170\ \text{°C}\) при давлении \(10\ \text{атм}\)) подают вниз по наружной из трёх концентрических труб к подземному пласту. Горячая вода плавит серу. По самой внутренней трубе в жидкую серу нагнетают сжатый воздух. Воздух заставляет жидкую серу, смешанную с воздухом, подниматься вверх по выводной трубе. Смесь переводят в большие отстойники, где при охлаждении твёрдая сера отделяется. Полученная сера имеет чистоту от \(99{,}5\ \%\) до \(99{,}9\ \%\) и для большинства применений не требует дальнейшей очистки.

Рис. 18.59. С помощью процесса Фраша добывают серу из подземных залежей.

Значительные количества серы получают также из сероводорода, выделяемого при очистке природного газа.

Сера существует в нескольких аллотропных модификациях. Устойчивая при комнатной температуре форма содержит восьмичленные кольца, поэтому истинная формула серы — \(\ce{S8}\). Однако в химических уравнениях для упрощения коэффициентов обычно пользуются символом \(\ce{S}\); мы будем придерживаться этой практики и в настоящем учебнике.

Подобно кислороду, который также входит в группу 16, сера ведёт себя как ярко выраженный неметалл. Она окисляет металлы, образуя разнообразные бинарные сульфиды, в которых сама проявляет отрицательную степень окисления (\(2-\)). Элементная сера окисляет менее электроотрицательные неметаллы, а более электроотрицательные неметаллы — например, кислород и галогены — окисляют её. Другие сильные окислители также окисляют серу. Например, концентрированная азотная кислота окисляет серу до сульфат-иона, и одновременно образуется оксид азота(IV):

\[ \ce{S(s) + 6HNO3(aq) -> 2H3O+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 6NO2(g)} \]

Химия серы со степенью окисления \(2-\) сходна с химией кислорода. Однако, в отличие от кислорода, сера образует множество соединений, в которых проявляет положительные степени окисления.