Сера — неметаллический элемент VI группы периодической системы,
обладающий ярко выраженными неметаллическими свойствами. Она широко
распространена в земной коре, встречается в виде самородной серы,
сульфидов металлов (например, пирита FeS₂) и сульфатов (например, гипс
CaSO₄·2H₂O). Химическая активность серы обусловлена её электронной
конфигурацией [Ne]3s²3p⁴, что позволяет элементу проявлять как
окислительные, так и восстановительные свойства.
Аллотропные модификации серы
Сера существует в нескольких аллотропных формах, каждая из которых
отличается кристаллической структурой и физическими свойствами. Основные
аллотропы: ромбическая сера, моноклинная сера и пластическая сера.
Ромбическая сера (α-S₈)
- Стабильная при комнатной температуре.
- Кристаллы жёлтого цвета, прозрачные, твердость около 2,5 по шкале
Мооса.
- Молекула представляет собой циклический октаатом S₈, где атомы серы
соединены одинарными ковалентными связями.
- Плавится при 112,8 °C и кипит при 444,6 °C.
Моноклинная сера (β-S₈)
- Стабильна при температуре 96–119 °C.
- Кристаллы игольчатые, менее прозрачные и более хрупкие, чем
ромбическая сера.
- При охлаждении преобразуется в ромбическую форму.
Пластическая сера
- Образуется при быстром охлаждении расплавленной серы.
- Аморфная, резиновидная, эластичная.
- Молекулы серы представлены длинными цепями (Sₙ), которые постепенно
разрушаются с течением времени, переходя в кристаллическую ромбическую
форму.
Физические свойства серы
- Цвет: от бледно-жёлтого до оранжево-жёлтого.
- Плотность: 2,07 г/см³ (ромбическая сера).
- Растворимость: практически нерастворима в воде, хорошо растворяется
в сероуглероде, CS₂.
- Электропроводность: практически отсутствует, сера — диэлектрик.
Химические свойства
Окислительно-восстановительные реакции:
- Сера реагирует с большинством металлов с образованием сульфидов,
например: Fe + S → FeS
- Взаимодействует с неметаллами: S + O2 → SO2 2S + 3Cl2 → 2SCl3
Реакции с кислородом:
- При медленном горении образуется диоксид серы (SO₂), при избыточном
кислороде — триоксид (SO₃).
Полимеризация и образование аллотропных форм:
- При нагревании серы выше 160 °C молекулы S₈ разрываются, образуются
линейные полимеры.
- При быстром охлаждении формируется пластическая сера, которая со
временем кристаллизуется в α-S₈.
Биологическое и
промышленное значение
- Сера входит в состав аминокислот (цистеин, метионин), витаминов и
коферментов, участвует в биохимических процессах.
- Промышленно используется для производства серной кислоты,
вулканизации резины, в качестве фунгицидов и инсектицидов.
- Сера важна для металлургии (рафинирование металлов), а также в
химической промышленности для получения сульфидов и сульфатов.
Получение серы
Природные источники:
- Самородная сера добывается методом Фреше или в виде минералов.
Лабораторные методы:
- Сера может быть выделена термическим разложением сульфидов и
сульфатов: $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3
\xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{S}$
Промышленные методы:
- Метод Фреше: вытеснение серы из вулканических месторождений паром
или водой под давлением, с последующим охлаждением.
Кристаллохимическая
структура
- Ромбическая сера: S₈ молекулы упакованы в орторомбическую решётку,
каждая молекула окружена четырьмя соседями.
- Моноклинная сера: S₈ молекулы формируют моноклинную кристаллическую
решётку с менее плотной упаковкой.
- Пластическая сера: отсутствует строгая кристаллическая структура,
молекулы соединены длинными цепями.
Реакционная способность
аллотропов
Ромбическая и моноклинная формы менее реакционноспособны, чем
пластическая сера, благодаря стабильной циклической молекуле
S₈.
Пластическая сера, обладая длинными цепями, проявляет более
высокую химическую активность, быстрее реагирует с металлами и
неметаллами.
Сера является примером элемента с ярко выраженной аллотропией,
демонстрируя зависимость физических и химических свойств от
кристаллической структуры и температуры.