Реферат: Сера

<strong/><strong/>/>/>/>

 

to кип. (oС)

444,674

Степ.окис.

-2 +4 +6

 

32,066

to плав.(oС)

119,3

Плотность

2070(a) 1960(b)

 

3s23p4

ОЭО

2,60

в зем. коре

0,052 %

 

Сера — одно из немногих веществ, которыми уженесколько тысяч дет назад оперировали первые «химики». Она стала служитьчеловечеству задолго до того, как заняла в таблице Менделеева клетку под №16.

Об одном из самых древних (хотя игипотетических!) применении серы рассказывают многие старинные книги. Какисточник тепла при термообработке грешников серу живописуют и Новый и Ветхийзаветы. И если книги такого рода не дают достаточных основании дляархеологических раскопок в поисках остатков райских кущ или геенны огненной, тоих свидетельство о том, что древние были знакомы с серой и некоторыми ее свойствами,можно принять на веру.

Одна из причин этой известности —распространенность самородной серы в странах древнейших цивилизаций,Месторождения этого желтого горючего вещества разрабатывались греками иримлянами, особенно в Сицилии, которая вплоть до конца прошлого века славиласьв основном серой.

С древнейших времен серу использовали длярелигиозно-мистических целей, ее зажигали при различных церемониях и ритуалах.Но так же давно элемент № 16 приобрел и вполне мирские назначения: серойчернили оружие, ее употребляли при изготовлении- косметических и лекарственныхмазей, ее жгли для отбелки тканей и для борьбы с насекомыми. Добыча серызначительно увеличилась после того, как был изобретён черный порох. Ведь сера(вместе с углем и селитрой)—непременный его компонент.

И сейчас пороховое производство потребляет частьдобываемой серы, правда весьма незначительную. В наше время сера — один изважнейших видов сырья для многих химических производств. И в этом причинанепрерывного роста мирового производства серы.

Происхождение серы

Большие скопления самородной серы встречаются нетак уж часто. Чаще она присутствует в некоторых рудах. Руда самородной серы —это порода с вкраплениями чистой серы.

Когда образовались эти вкрапления — одновременнос сопутствующими породами или позже? От ответа на этот вопрос зависитнаправление поисковых и разведочных работ. Но, несмотря на тысячелетия общенияс серой, человечество до сих пор не имеет однозначного ответа. Существуетнесколько теорий, авторы которых придерживаются противоположных взглядов.

Теория сингенеза (т. е. одновременногообразования серы и вмещающих пород) предполагает, что образование самороднойсеры происходило в мелководных бассейнах. Особые бактерии восстанавливалисульфаты, растворенные в воде, до сероводорода, который поднимался вверх,попадал в окислительную зону и здесь химическим путем или при участии другихбактерий окислялся до элементарной серы. Сера осаждалась на дно, и впоследствиисодержащий серу ил образовал руду.

Теория эпигенеза (вкрапления серы образовалисьпозднее, чем основные породы) имеет несколько вариантов. Самый распространенныйиз них предполагает, что подземные воды, проникая сквозь толщи пород,обогащаются сульфатами. Если такие воды соприкасаются с месторождениями нефтиили природного газа, то ионы сульфатов восстанавливаются углеводородами досероводорода. Сероводород поднимается к поверхности и, окисляясь, выделяетчистую серу в пустотах и трещинах пород.

В последние десятилетия находит все новыеподтверждения одна из разновидностей теории эпигенеза — теория метасоматоза (впереводе с греческого «метасоматоз» означает замещение). Согласно ей в недрахпостоянно происходит превращение гипса CaSO4-H2O и ангидрита CaSО4 в серу икальцит СаСО3. Эта теория создана в 1935 году советскими учеными Л. М.Миропольским и Б. П. Кротовым. В ее пользу говорит, в частности, такой факт.

В 1961 году в Ираке было открыто месторождениеМишрак. Сера здесь заключена в карбонатных породах, которые образуют свод,поддерживаемый уходящими вглубь опорами (в геологии их называют крыльями).Крылья эти состоят в основном из ангидрита и гипса. Такая же картинанаблюдалась на отечественном месторождении Шор-Су.

Геологическое своеобразие этих месторожденийможно объяснить только с позиций теории метасоматоза: первичные гипсы иангидриты превратились во вторичные карбонатные руды с вкраплениями самороднойсеры. Важно не только соседство минералов — среднее содержание серы в руде этихместорождений равно содержанию химически связанной серы в ангидрите. Аисследования изотопного состава серы и углерода в руде этих месторождений далисторонникам теории метасоматоза дополнительные аргументы.

Но есть одно «но»: химизм процесса превращениягипса в серу и кальцит пока не ясен, и потому нет оснований считать теориюметасоматоза единственно правильной. На земле и сейчас существуют озера (вчастности, Серное озеро близ Серноводска), где происходит сингенетическоеотложение серы и сероносный ил не содержит пи гипса, ни ангидрита.

Все это означает, что разнообразие теорий игипотез о происхождении самородной серы — результат не только и не стольконеполноты наших знаний, сколько сложности явлений, происходящих в недрах. Ещеиз элементарной школьной математики все мы знаем, что к одному результату могутпривести разные пути. Этот закон распространяется и на геохимию.

Добыча серы

Серные руды добывают разными способами—взависимости от условий залегания. Но в любом случае приходится уделять многовнимания технике безопасности. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопленияядовитых газов — соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности еесамовозгорания.

Добыча руды открытым способом происходит так.Шагающие экскаваторы снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывамирудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на обогатительнуюфабрику, а оттуда—на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу.Методы извлечения—различны. О некоторых из них будет рассказано ниже. А здесьуместно кратко описать скважинный метод добычи серы из-под земли, позволивший СоединеннымШтатам Америки и Мексике стать крупнейшими поставщиками серы.

В конце прошлого века на юге Соединенных Штатовбыли открыты богатейшие месторождения серной руды. Но подступиться к пластамбыло непросто: в шахты (а именно шахтным способом предполагалось разрабатыватьместорождение) просачивался сероводород и преграждал доступ к сере. Кроме того,пробиться к сероносным пластам мешали песчаные плывуны. Выход нашел химикГерман Фраш, предложивший плавить серу под" землей и через скважины,подобные нефтяным, выкачивать ее на поверхность. Сравнительно невысокая (меньше120° С) температура плавления серы подтверждала реальность идеи Фраша. В 1890году начались испытания, приведшие к успеху.

В принципе установка Фраша очень несложна: трубав трубе. В пространство между трубами подается перегретая вода и по нему идет впласт. А по внутренней, обогреваемой со всех сторон, трубе поднимаетсярасплавленная сера. Современный вариант установки Фраша дополнен третьей —самой узкой трубой. Через нее в скважину подается сжатый воздух, которыйпомогает поднять расплавленную серу на поверхность. Одно из основных достоинствметода Фраша — в том, что он позволяет уже на первой стадии добычи получитьсравнительно чистую серу. При разработке богатых руд этот метод весьма эффективен.

Раньше считалось, что метод подземной выплавкисеры применим только в специфических условиях «соляных куполов» тихоокеанскогопобережья США и Мексики. Однако опыты, проведенные в Польше и СССР, опроверглиэто мнение. В народной Польше этим методом уже добывают большое количествосеры; в 1968. году пущены первые серные скважины и в СССР.

А руду, полученную в карьерах и шахтах,приходится перерабатывать (часто с предварительным обогащением), используя дляэтого различные технологические приемы.

Известно несколько методов получения серы изсерных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные иэкстракционные.

Термические методы извлечения серы — самыестарью. Еще в XVIII веке в Неаполитанском королевстве выплавляли серу в кучах—«сольфатарах». До сих пор в Италии выплавляют серу в примитивных печах —«калькаронах». Тепло, необходимое для выплавления серы из руды, получают,сжигая часть добытой серы. Процесс этот малоэффективен, потери достигают 45%.

Италия стала родиной и пароводяных методовизвлечения серы из руд. В 1859 году Джузеппе Джилль получил патент на свойаппарат — предшественник нынешних автоклавов. Автоклавный метод (значительноусовершенствованный, конечно) используется и сейчас во многих странах.

В автоклавном процессе обогащенный концентратсерной руды, содержающий до 80% серы, в виде жидкой пульпы с реагентамиподается насосами в автоклав. Туда же под давлением подается водяной пар.Пульпа нагревается до 130° С. Сера, содержащаяся в концентрате, плавится иотделяется от породы. После недолгого отстоя выплавленная сера сливается. Затемиз автоклава выпускаются «хвосты»—взвесь пустой породы в воде? Хвосты содержатдовольно много серы и вновь поступают на обогатительную фабрику.

В России автоклавный способ был впервые примененинженером К. Г. Паткановым в 1896 году.

Современные автоклавы — это огромные аппаратывысотой с четырехэтажный дом. Такие автоклавы установлены, в частности, насероплавильном заводе Роздольского горнохимического комбината в Прикарпатье.

На некоторых производствах, например на крупномсерном комбинате в Тарнобжеге (Польша), пустую породу отделяют от расплавленнойсеры на специальных фильтрах. Метод разделения на специальных центрифугахразработан недавно в нашей стране. Словом, «руду золотую (точнее — золотистую)отделять от породы пустой» можно по-разному.

По-разному и удовлетворяют свои потребности всере разные страны. Мексика и США используют в основном метод Фраша. Италия,занимающая по добыче серы третье место среди капиталистических государств, продолжаетдобывать и перерабатывать (разными методами) серные руды сицилийскихместорождений и провинции Марко. У Японии есть значительные запасы серывулканического происхождения. Франция и Канада, не имеющие самородной серы,развили крупное производство, ее из газов. Нет собственных серных месторожденийи в Англии и Германии. Свои потребности в серной кислоте они покрывают за счётпереработки серусодержащего сырья (преимущественно пирита), а элементарную серуимпортируют.

Россия полностью удовлетворяют свои потребностиблагодаря собственным источникам сырья. После открытия и освоения богатыхПрикарпатских месторождений СССР и Польша значительно увеличили производствосеры. Эта отрасль промышленности продолжает развиваться. Были построены новыекрупные предприятия на Украине, реконструированы старые комбинаты на Волге и вТуркмении, расширено производство серы из природного газа и отходящих газов.

Кристаллы в макромолекулы

В том, что сера—самостоятельный химическийэлемент, а не соединение, первым убедился великий французский химик АнтуанЛоран Лавуазье в XVIII веке.

С тех пор представления о сере как элементеизменились не очень сильно но значительно углубились и дополнились.

Сейчас известно, что элемент № 16 состоит изсмеси четырех устойчивых изотопов с массовыми числами 32, 33, 34 и 36. Этотипичный неметалл.

Лимонно-желтые кристаллы чистой серыполупрозрачны. Форма кристаллов не всегда одинакова. Чаще всего встречаетсяромбическая сера (наиболее устойчивая модификация) — кристаллы имеют видоктаэдров со срезанными углами. В эту модификацию при комнатной (или близкой ккомнатной) температуре превращаются все прочие модификации. Известно, например,что при кристаллизации из раплава (температура плавления серы 119,5° С) сначалаполучаются игольчатые кристаллы (моноклинная форма). Но эта модификациянеустойчива, и при температуре ниже 95,6° С она переходит в ромбическую.Подобный процесс происходит и с другими модификациями серы.

Напомним известный опыт — получение пластическойсеры.

Если расплавленную серу вылить в холодную воду,образуется эластичная, во многом похожая на резину масса. Ее можно получить и ввиде нитей. Но проходит несколько дней, и масса перекристаллизуется, становитсяжесткой и ломкой.

Молекулы кристаллов серы всегда состоят из восьмиатомов (S8), а различие в свойствах модификаций серы объясняется полиморфизмом— неодинаковым строением кристаллов. Атомы в молекуле серы построены взамкнутый цикл

S-S-S

/ \

S S

\ /

S-S-S

При плавлении связи в цикле рвутся, и циклическиемолекулы превращаются в линейные.

Необычному поведению серь при плавлении даютсяразличные толкования. Одно из них — такое. При температуре от 155 до 187°,по-видимому, происходит значительный рост молекулярного веса, этоподтверждается многократным увеличением вязкости. При 187° С вязкость расплавадостигает чуть ли ни тысячи пуаз, получается почти твердое вещество. Дальнейшийрост температуры приводит к уменьшению вязкости (молекулярный вес падает). При300° С сера вновь переходит в текучее состояние, а при 444,6° С закипает.

У паров серы с повышением температуры числоатомов в молекуле постепенно уменьшается:

S8 —> S6—> S4 —><sup/>S2. При1700°С пары серы одноатомны.

 

Коротко о соединениях серы

По распространенности элемент, № 16 занимает-15-е место. Содержание серы в земной коре составляет 0,05% по весу. Этонемало.

К тому же сера химически активна и вступает' вреакции с большинством элементов. Поэтому в природе сера встречается не тольков свободном состоянии, но и в виде разнообразных неорганических соединений.Особенно распространены сульфаты, (главным образом щелочных и щелочноземельных,металлов) и сульфиды (железа, меди, цинка, свинца). Сера есть и в углях,сланцах, нефти, природных газах, в организмах животных и растений.

При взаимодействии серы с металлами, как правило,выделяется довольно много тепла. В реакциях с кислородом сера дает несколькоокислов, из них самые важные SО2 и SО3 — ангидриды сернистой Н2SО3 и сернойН2SО4 кислот. Соединение серы с водородом — сероводород Н2S — очень ядовитый,зловонный газ, всегда присутствующий в местах гниения органических остатков.Земная

кора в местах, расположенных близ месторожденийсеры, часто содержит довольно значительные количества сероводорода. В водномрастворе этот газ обладает кислотными свойствами. Хранить его растворы навоздухе нельзя, он окисляется с выделением серы:

2H2S + О2=2Н2О + 2S.

Сероводород — сильный восстановитель. Этим егосвойством пользуются во многих химических производствах.

Для чего нужна сера

Среди вещей, окружающих нас, мало таких, дляизготовления которых не нужны были бы сера и ее соединения. Бумага и резина,эбонит и спички, ткани и лекарства, косметика и пластмассы, взрывчатка икраска, удобрения и ядохимикаты — вот далеко не полный перечень вещей ивеществ, для производства которых нужен элемент № 16. Для того чтобыизготовить, например, автомобиль, нужно израсходовать около 14 кг серы. Можнобез преувеличения сказать, что промышленный потенциал страны довольно точноопределяется потреблением серы.

Значительную часть мировой добычи серы поглощаетбумажная промышленность (соединения серы помогают выделить целлюлозу). Для тогочтобы произвести одну тонну целлюлозы, нужно затратить более 100 кг серы. Многоэлементарной серы потребляет и резиновая промышленность — для вулканизациикаучуков.

В сельском хозяйстве сера применяется как вэлементарном виде, так и в различных соединениях. Она входит в составминеральных удобрений и препаратов для борьбы с вредителями. Наряду с фосфором,калием и другими элементами сера необходима растениям. Впрочем, большая частьвносимой в почву серы не усваивается ими, но помогает усваивать фосфор. Серувводят в почву вместе с фосфоритной мукой. Имеющиеся в почве бактерии окисляютее, образующиеся серная и сернистая кислоты реагируют с фосфоритами, и врезультате получаются фосфорные соединения, хорошо усваиваемые растениями.

Однако основной потребитель серы — химическаяпромышленность. Примерно половина добываемой в мире серы идет на производствосерной кислоты. Чтобы получить одну тонну H2SО4, нужно сжечь около 300 кг серы.А роль серной кислоты: в химической промышленности сравнима с ролью хлеба внашем питании.

Значительное количество серы (и серной кислоты)расходуется при производстве взрывчатых веществ и спичек. Чистая» освобожденнаяот примесей сера нужна для производства красителей и светящихся составов.

Соединения серы находят применение внефтехимической промышленности. В частности, они необходимы при. -производствеантидетонаторов, смазочных веществ для аппаратуры сверхвысоких давлений; вохлаждающих маслах, ускоряющих обработку.металла, содержится иногда до 18%серы.

Перечисление примеров, подтверждающихпервостепенную важность элемента № 16, можно было бы продолжить, но «нельзяобъять необъятное». Поэтому вскользь упомянем, что сера необходима и такимотраслям промышленности, как горнодобывающая, пищевая, текстильная, и —поставим точку.

* * *

Наш век считается веком «экзотических» материалов— трансурановых элементов, титана, полупроводников, и так далее. Но внешненепритязательный, давно известный элемент № 16 продолжает оставаться абсолютнонеобходимым. Подсчитано, что в производстве 88 из 150 важнейших химическихпродуктов используют либо саму серу, либо ее соединения.

Реферат по химии

Тема:  «Сера»

Ученицы  9 «ч» класса

Средней школы № 27

Зима Анны

Бишкек 2001г.