Сера — Википедия с видео // WIKI 2

№16 (сера)»

ММФ-144

Выполнил: Лобзев Е.А.

Проверил: Мельнеченко В.Г.

Миасс 2001

План.

1.История открытия элемента.

2.Распростронение элемента в природе.

3.Физические свойства.

4.Химические свойства.

5.Получение.

6.Приминение.

История открытия элемента.
Сера (англ. Sulfur, франц. Sufre, нем. Schwefel) в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с самых древнейших времен. С запахом горящей серы, удушающим действием сернистого газа и отвратительным запахом сероводорода человек познакомился, вероятно, еще в доисторические времена.

Именно из-за этих свойств сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Сера считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов. Очень давно сера стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей.

Уже у Гомера описаны “сернистые испарения”, смертельное действие выделений горящей серы. Сера, вероятно, входила в состав “греческого огня”, наводившего ужас на противников. Около VIII в. китайцы стали использовать ее в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха.

Горючесть серы, легкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла), объясняют то, что ее считали “принципом горючести” и обязательной составной частью металлических руд. Пресвитер Теофил (XI в.) описывает способ окислительного обжига сульфидной медной руды, известный, вероятно, еще в древнем Египте.

В период арабской алхимии возникла ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась обязательной составной частью (отцом) всех металлов. В дальнейшем она стала одним из трех принципов алхимиков, а позднее “принцип горючести” явился основой теории флогистона.

Элементарную природу серы установил Лавуазье в своих опытах по сжиганию. С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения ее из пиритов; последний был распространен в древней Руси. Впервые в литературе он описан у Агриколы.

Происхождение лат. Sulfur неясно. Полагают, что это название заимствовано от греков. В литературе алхимического периода сера часто фигурирует под различными тайными названиями. У Руланда можно найти, например, названия Zarnec (объяснение “яйца с огнем”)

, Thucios (живая сера), Terra foetida, spiritus foetens, Scorith, Pater и др. Древнерусское название “сера” употребляется уже очень давно. Под ним подразумевались разные горючие и дурно пахнущие вещества, смолы, физиологические выделения (сера в ушах и пр.).

По-видимому, это название происходит от санскритского сirа (светло-желтый). С ним связано слово “серый”, т. е. неопределенного цвета, что, в частности, относится к смолам. Второе древнерусское название серы – жупел (сера горючая) – тоже содержит в себе понятие не только горючести, но и дурного запаха.

Распространение элемента в природе.
Сера широко распространена в природе. Она составляет 0,05% массы земной коры. В свободном состоянии (самородная сера) в больших количествах встречается в Италии (острова Сицилия) и США. Месторождения самородной серы имеются в Поволжье, в государствах Средней Азии, в Крыму и других районах.

Сера часто встречается в виде соединений с другими элементами. Важнейшими ее природными соединениями являются сульфиды металлов: FeS2
— железный колчедан, или пирит; ZnS
— цинковая обманка; PbS
— свинцовый блеск;

HgS
— киноварь и др., атакжесоли серной кислоты (кристаллогидраты): СаSO4×2Н2
O
— гипс, Na2
SO4× 10H2
O
— глауберова соль, МgSО4× 7H2
O
— горькая соль и др.(2)

Физические свойства.
Сера — твердое хрупкое вещество желтого цвета. В воде практически нерастворима, но хорошо растворяется в сероуглероде, анилине и некоторых других растворителях. Плохо проводит теплоту и электричество. Сера образует несколько аллотропных модификаций — сера ромбическая, моноклинная, пластическая.

При 444,6 °С сера кипит, образуя пары темно-бурого цвета. Если их быстро охладить, то получается тонкий порошок, состоящий из мельчайших кристаллов серы, называемый серным цветом.

Природная сера состоит из смеси четырех устойчивых изотопов:

Температура плавления, ° С 112,8 . Температура кипения, ° С 444,6

Химические свойства.

Сера может отдавать свои электроны при взаимодействии с более сильными окислителями:

В этих реакциях сера является восстановителем. Нужно подчеркнуть, что оксид серы
(VI) может образовываться только в присутствииPtилиV2
O5и высоком давлении
.

При взаимодействии с металлами сера проявляет
окислительные

свойства:

С большинством металлов сера реагирует при нагревании, но в реакции со ртутью взаимодействие происходит уже при комнатной температуре. Это обстоятельство используется в лабораториях для

удаления разлитой ртути, пары которой являются сильным ядом.(3)

Несколько примеров соединений серы.

Сероводород
.

При нагревании серы с водородом происходит обратимая реакция:

с очень малым выходом сероводорода H₂
S. Обычно Н₂
S получают действием разбавленных кислот
на сульфиды:

Эту реакцию часто проводят в аппарате Киппа.

Сероводород — типичный
восстановитель.

В кислороде он сгорает. Раствор сероводорода в воде представляет собой очень слабую сероводородную кислоту, которая диссоциирует ступенчато и в основном по первой ступени:

Сероводородная кислота, так же как и сероводород, — типичный восстановитель.

Сероводородная кислота окисляется не только сильными окислителями, например хлором,

но и более слабыми, например сернистой кислотой H
₂₃
или ионами трехвалентного железа:

Сульфиды. Например, Na2
S — сульфид натрия, NaHS — гидросульфид натрия.

Гидросульфиды почти все хорошо растворимы в воде. Сульфиды щелочных и щелочно-земельных металлов также растворимы в воде, а остальных металлов практически нерастворимы или мало растворимы; некоторые из них не растворяются и в разбавленных кислотах. Поэтому такие сульфиды можно легко получить, пропускаясероводород через соли соответствующего металла, например:

Некоторые сульфиды имеют характерную окраску: CuS
и PbS
— черную, CdS
— желтую, ZnS
— белую, MnS
— розовую, SnS
— коричневую, Sb2
S3
— оранжевую и т. д. На различной растворимоcти сульфидов и различной окраске многих из них основан качественный анализ катионов.(4)

Оксид серы (IV).Оксид серы (IV), или сернистый газ, при обычных условиях — бесцветный газ с резким, удушливым запахом. При охлаждении до -10° С сжижается в бесцветную жидкость. В жидком виде его хранят в стальных баллонах.

SO2
образуется при сжигании серы в кислороде или при обжиге сульфидов. Он хорошо растворим в воде (40 объемов в 1 объеме воды при 20 °С).

Оксид серы (VI).SO3
— ангидрид серной кислоты —
вещество с tпл
= 16,8 °С и tкип
= 44,8 °С. Оксид серы (VI), или триоксид серы, — это бесцветная жидкость, затвердевающая при температуре ниже 17° С в твердую кристаллическую массу.

Оксид серы (VI) получают окислением SO
₂

кислородом только в присутствии катализатора:

Необходимость использования катализатора в этой обратимой реакции обусловлена тем, что хороший выход SO3
(т. е. смещение равновесия вправо) можно получить только при понижении температуры, однако при низких температурах очень сильно падает скорость протекания реакции.

Молекула SO3
имеет форму треугольника, в центре которого находится атом серы:

Такое строение обусловлено взаимным отталкиванием связывающих электронных пар. На их образование атом серы предоставил все шесть внешних электронов.

Серная кислота. Оксид серы (VI) энергично соединяется с водой, образуя серную кислоту:

SO3
очень хорошо растворяется в 100%-ной серной кислоте. Раствор 80з в такой кислоте называется олеумом.

Соли серной кислоты.Серная кислота, будучи двухосновной, образует два ряда солей: средние, называемые сульфатами,
и кислые, называемые гидросульфатами.
Сульфаты образуются при полной нейтрализации кислоты щелочью (на один моль кислоты приходится два моля щелочи), а гидросульфаты — при недостатке щелочи (на один моль кислоты — один моль щелочи):

Многие соли серной кислоты имеют большое практическое значение.(2)

Получение.
Самородная сера содержит посторонние вещества, для отделения которых пользуются способностью серы легко плавиться. Однако сера, полученная выплавкой из руды (комовая сера), обычно содержит еще много примесей. Дальнейшую ее очистку производят перегонкой в рафинировочных печах, где сера нагревается до кипения.

Пары серы поступают в выложенную кирпичом камеру. Вначале, пока камера холодная, сера прямо переходит в твердое состояние и осаждается на стенках в виде светло-желтого порошка (серный цвет
). Когда камера нагреется выше 120°C, пары конденсируются в жидкость, которую выпускают из камеры в формы, где она и застывает в виде палочек. Полученная таким образом сера называется черенковой
.

Важным источником получения серы служит железный колчедан
FeS2
, называемый также пиритом
, и полиметаллические руды, содержащие сернистые соединения меди, цинка и других цветных металлов. Некоторое количество серы (газовая сера) получают из газов, образующихся при коксовании и газификации угля.(4)

Применение.
Около половины ежегодного потребления серы идет на производство таких промышленных химических продуктов, как серная кислота, диоксид серы и дисульфид углерода (сероуглерод). Кроме того, сера широко используется в производстве инсектицидов, спичек, удобрений, взрывчатых веществ, бумаги, полимеров, красок и красителей, при вулканизации каучука. Ведущее место в добыче серы занимают США, страны СНГ и Канада.

Сера содержится в организмах животных и растений, так как входит в состав белковых молекул. Органические соединения серы содержатся в нефти.(3)

Литература.

Для чего нужна сера

Среди вещей, окружающих нас, мало таких, для изготовления которых не нужны были бы сера и ее соединения. Бумага и резина, эбонит и спички, ткани и лекарства, косметика и пластмассы, взрывчатка и краска, удобрения и ядохимикаты – вот далеко не полный перечень вещей и веществ, для производства которых нужен элемент №16.

Значительную часть мировой добычи серы поглощает бумажная промышленность (соединения серы помогают выделить целлюлозу). Для того чтобы произвести 1 т целлюлозы, нужно затратить более 100 кг серы. Много элементарной серы потребляет и резиновая промышленность – для вулканизации каучуков.

В сельском хозяйстве сера применяется как в элементарном виде, так и в различных соединениях. Она входит в состав минеральных удобрений и препаратов для борьбы с вредителями. Наряду с фосфором, калием и другими элементами сера необходима растениям. Впрочем, большая часть вносимой в почву серы не усваивается ими, но помогает усваивать фосфор.

Однако основной потребитель серы – химическая промышленность. Примерно половина добываемой в мире серы идет на производство серной кислоты. Чтобы получить 1 т H2SО4, нужно сжечь около 300 кг серы. А роль серной кислоты в химической промышленности сравнима с ролью хлеба в нашем питании.

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

Соединения серы находят применение в нефтехимической промышленности. В частности, они необходимы при производстве антидетонаторов, смазочных веществ для аппаратуры сверхвысоких давлений; в охлаждающих маслах, ускоряющих обработку металла, содержится иногда до 18% серы.

Перечисление примеров, подтверждающих первостепенную важность элемента №16, можно было бы продолжить, но «нельзя объять необъятное». Поэтому вскользь упомянем, что сера необходима и таким отраслям промышленности, как горнодобывающая, пищевая, текстильная, и – поставим точку.

Наш век считается веком «экзотических» материалов – трансурановых элементов, титана, полупроводников и так далее. Но внешне непритязательный, давно известный элемент №16 продолжает оставаться абсолютно необходимым. Подсчитано, что в производстве 88 из 150 важнейших химических продуктов используют либо саму серу, либо ее соединения.

История открытия

Точное время открытия серы не установлено, но этот элемент использовался до нашей эры.

Сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Она считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов.

Очень давно сера стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений горящей серы. Сера, вероятно, входила в состав «греческого огня», наводившего ужас на противников.

Около VIII века китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла), объясняют то, что её считали «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд.

Пресвитер Теофил (XII век) описывает способ окислительного обжига сульфидной медной руды, известный, вероятно, ещё в древнем Египте.

В период арабской алхимии возникла ртутно-серная теория состава металлов, согласно которой сера почиталась обязательной составной частью (отцом) всех металлов.

В дальнейшем она стала одним из трёх принципов алхимиков, а позднее «принцип горючести» явился основой теории флогистона. Элементарную природу серы установил Лавуазье в своих опытах по сжиганию.

С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения её из пиритов; последний был распространён в древней Руси. Впервые в литературе он описан у Агриколы.

Кристаллы и макромолекулы

В том, что сера – самостоятельный химический элемент, а не соединение, первым убедился великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье в XVIII в.

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

Сейчас известно, что элемент №16 состоит из смеси четырех устойчивых изотопов с массовыми числами 32, 33, 34 и 36. Это типичный неметалл.

Лимонно-желтые кристаллы чистой серы полупрозрачны. Форма кристаллов не всегда одинакова. Чаще всего встречается ромбическая сера (наиболее устойчивая модификация) – кристаллы имеют вид октаэдров со срезанными углами. В эту модификацию при комнатной (или близкой к комнатной) температуре превращаются все прочие модификации.

Известно, например, что при кристаллизации из расплава (температура плавления серы 119,5°C) сначала получаются игольчатые кристаллы (моноклинная форма). Но эта модификация неустойчива, и при температуре 95,6°C она переходит в ромбическую. Подобный процесс происходит и с другими модификациями серы.

Напомним известный опыт – получение пластической серы.

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

Молекулы кристаллов серы всегда состоят из восьми атомов (S8), а различие в свойствах модификаций серы объясняется полиморфизмом – неодинаковым строением кристаллов. Атомы в молекуле серы построены в замкнутый цикл, образующий своеобразный венец. При плавлении связи в цикле рвутся, и циклические молекулы превращаются в линейные.

Необычному поведению серы при плавлении даются различные толкования. Одно из них – такое. При температуре от 155 до 187°, по-видимому, происходит значительный рост молекулярного веса, это подтверждается многократным увеличением вязкости. При 187°C вязкость расплава достигает чуть ли не тысячи пуаз, получается почти твердое вещество. Дальнейший рост температуры приводит к уменьшению вязкости (молекулярный вес падает).

При 300°C сера вновь переходит в текучее состояние, а при 444,6°C закипает.

У паров серы с повышением температуры число атомов в молекуле постепенно уменьшается: S8 → S6 → S4 → (800°C) S2. При 1700°C пары серы одноатомны.

Пожароопасные свойства серы

Тонкоизмельчённая сера склонна к химическому самовозгоранию в присутствии влаги, при контакте с окислителями, а также в смеси с углём, жирами, маслами. Сера образует взрывчатые смеси с нитратами, хлоратами и перхлоратами.
Самовозгорается при контакте с хлорной известью.

Средства тушения: распылённая вода, воздушно-механическая пена[24].

По данным В. Маршалла пыль серы относится к разряду взрывоопасных, но для взрыва необходима достаточно высокая концентрация пыли — порядка 20 г/м³ (20 000 мг/м³), такая концентрация во много раз превышает предельно допустимую концентрацию для человека в воздухе рабочей зоны — 6 мг/м³[25].

Пары образуют с воздухом взрывчатую смесь[26].

Горение серы

Горение серы протекает только в расплавленном состоянии аналогично горению жидкостей. Верхний слой горящей серы кипит, создавая пары, которые образуют слабо светящееся голубое пламя высотой до 5 см[27]. Температура пламени при горении серы составляет 1820 °C[28].

Так как воздух по объёму состоит приблизительно из 21 % кислорода и 79 % азота и при горении серы из одного объёма кислорода получается один объём SO2, то максимальное теоретически возможное содержание SO2 в газовой смеси составляет 21 %.

Обнаружение горения

Обнаружение горения серы пожарной автоматикой является трудной проблемой. Пламя сложно обнаружить человеческим глазом или видеокамерой, спектрголубогопламени лежит в основном в ультрафиолетовом диапазоне.

Тепловыделение при пожаре приводит к температуре ниже, чем при пожарах других распространённых пожароопасных веществ. Для обнаружения горения тепловым извещателем необходимо размещать его непосредственно близко к сере. Пламя серы не излучает в инфракрасном диапазоне.

Таким образом оно не будет обнаружено распространёнными инфракрасными извещателями. Ими будут обнаруживаться лишь вторичные возгорания. Пламя серы не выделяет паров воды. Таким образом детекторы ультрафиолетовых извещателей пламени, использующие соединения никеля, не будут работать.

Для эффективного обнаружения пламени используется ультрафиолетовые извещатели с детекторами на основе молибдена. Они имеют спектральный диапазон чувствительности 1850…2650 ангстрем, который подходит для обнаружения горения серы[29].

Пожары на складах серы

В декабре 1995 года на открытом складе серы предприятия, расположенного в городе Сомерсет-УэстЗападно-Капской провинцииЮжно-Африканской Республики, произошёл крупный пожар, погибли два человека[30][31].

16 января 2006 года около 17 часов на череповецком предприятии «Аммофос» загорелся склад с серой. Общая площадь пожара — около 250 квадратных метров. Полностью ликвидировать его удалось лишь в начале второго ночи. Жертв и пострадавших нет[32].

15 марта 2007 года рано утром на ООО «Балаковский завод волоконных материалов» произошёл пожар на закрытом складе серы. Площадь пожара составила 20 м2. На пожаре работало 4 пожарных расчёта с личным составом в 13 человек. Примерно через полчаса пожар был ликвидирован. Никто не пострадал[33].

4 и 9 марта 2008 года произошло возгорание серы в Атырауской области в хранилище серы ТШО на Тенгизском месторождении. В первом случае очаг возгорания удалось потушить быстро, во втором случае сера горела 4 часа. Масса горевших отходов нефтепереработки, к каковым по казахстанским законам отнесена сера, составила более 9 тонн[34].

В апреле 2008 недалеко от посёлка Кряж Самарской области загорелся склад, на котором хранилось 70 тонн серы. Пожару была присвоена вторая категория сложности. К месту происшествия выехали 11 пожарных расчётов и спасатели. В тот момент, когда пожарные оказались около склада, горела ещё не вся сера, а только её небольшая часть — около 300 килограммов.

Площадь возгорания вместе с участками сухой травы, прилегающими к складу, составила 80 квадратных метров. Пожарным удалось быстро сбить пламя и локализовать пожар: очаги возгорания были засыпаны землёй и залиты водой[35].

В июле 2009 года в Днепродзержинске горела сера. Пожар произошёл на одном из коксохимических предприятий в Баглейском районе города. Огонь охватил более восьми тонн серы. Никто из сотрудников комбината не пострадал[36].

В конце июля 2021 года под Уфой в поселке Тимашево загорелся склад с серой площадью 3200 квадратных метров. На место выехало 13 единиц техники, в тушении пожара задействован 31 пожарный. Произошло загрязнение атмосферного воздуха продуктами горения. Погибших и пострадавших нет[37].

В Юникоде есть алхимический символ серы.

Получение

В древности и в средние века серу добывали, вкапывая в землю большой глиняный горшок, на который ставили другой, с отверстием в дне. Последний заполняли породой, содержащей серу, и затем нагревали. Сера плавилась и стекала в нижний горшок.

В настоящее время серу получают главным образом путём выплавки самородной серы непосредственно в местах её залегания под землёй. Серные руды добывают разными способами — в зависимости от условий залегания. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопления ядовитых газов — соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности её самовозгорания.

При добыче руды открытым способом экскаваторами снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу.

В 1890 г. Герман Фраш предложил плавить серу под землёй и через скважины, подобные нефтяным, выкачивать её на поверхность. Сравнительно невысокая (113 °C) температура плавления серы подтверждала реальность идеи Фраша. В 1890 г. начались испытания, приведшие к успеху.

Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные.

Также сера в больших количествах содержится в природном газе в газообразном состоянии (в виде сероводорода, сернистого ангидрида). При добыче она откладывается на стенках труб и оборудования, выводя их из строя. Поэтому её улавливают из газа как можно быстрее после добычи.

Серу из природного сернистого газа получают методом Клауса. Для этого используются так называемые серные ямы, где происходит дегазация серы, на выходе получают модифицированную серу — продукт, широко использующийся в производстве асфальта.

Технологические установки для получения серы обычно включают в себя ямы недегазированной серы, ямы дегазации, ямы хранения дегазированной серы, а также налив жидкой серы и склад комовой серы. Стены ямы обычно делают из кирпича, дно заливают бетоном, а сверху закрывают яму алюминиевой крышей. Так как сера — это весьма агрессивная среда, ямы периодически приходится полностью реконструировать.

Крупнейшее месторождение самородной серы вулканического происхождения находится на острове Итуруп с запасами категории A B C1 — 4227 тыс. тонн и категории C2 — 895 тыс. тонн, что достаточно для строительства предприятия мощностью 200 тыс. тонн гранулированной серы в год.

Природные минералы серы

Сера является шестнадцатым по химической распространённости элементом в земной коре. Встречается в свободном (самородном) состоянии и в связанном виде.

Важнейшие природные минералы серы: FeS2 — железный колчедан, или пирит, ZnS — цинковая обманка, или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск, или галенит, HgS — киноварь, Sb2S3 — антимонит, Cu2S — халькозин, CuS — ковеллин, CuFeS2 — халькопирит.

Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах и сланцах. Сера — шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона и обусловливает «постоянную» жёсткость пресной воды. Жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.

Производители

Ввиду высокой потребности Красной Армии в боеприпасах постановлением Президиума ВСНХ от 19 декабря 1930 года решено «включить строительство серных предприятий в число ударных первоочередных строек». В 1930—1931 годах были разведаны и запущены в производство два месторождения в Средней Азии — Каракумский завод самородной серы (3 тысячи тонн в год) и серный рудник Шорсу.

Богатый (25 % каменной серы в руде) рудник Шорсу начал разрабатываться шахтным способом, а затем открытым. После ввода в строй этих рудников, в 1932 году был построен Калатинский завод газовой серы (4 тысячи тонн в год), а также несколько заводов в РСФСР.

Основанный в 1939 году в Оренбургской области Медногорский медно-серный комбинат (ММСК)[10] до 1986 года был крупнейшим производителем серы в СССР: в середине 1950-х годов он выпускал до 250—280 тысяч тонн в год, что составляло 80 % серы, производившейся в стране.

…Утром мы были на медносерном заводе. Около 80 процентов серы, выпускаемой в нашей стране, добывается на этом предприятии.

— До пятидесятого года стране приходилось импортировать много серы из-за границы. Теперь нужда в импорте серы отпала, — говорил директор завода Александр Адольфович Бурба. — Но завод продолжает расширяться. Начали строить цех производства серной кислоты.

С высокой эстакады застывшим потоком повис ярко-жёлтый массив серы. То, что мы видим в небольших количествах в стеклянных баночках в лабораториях, здесь, на заводском дворе, лежало огромными глыбами.

В начале XXI века основными производителями серы в России являются предприятия ОАО Газпром: ООО Газпром добыча Астрахань и ООО Газпром добыча Оренбург, получающие её как побочный продукт при очистке газа[12].

Происхождение серы

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

Когда образовались эти вкрапления — одновременно с сопутствующими породами или позже? От ответа на этот вопрос зависит направление поисковых и разведочных работ. Но, несмотря на тысячелетия общения с серой, человечество до сих пор не имеет однозначного ответа. Существует несколько теорий, авторы которых придерживаются противоположных взглядов.

Теория сингенеза (т. е. одновременного образования серы и вмещающих пород) предполагает, что образование самородной серы происходило в мелководных бассейнах. Особые бактерии восстанавливали сульфаты, растворенные в воде, до сероводорода, который поднимался вверх, попадал в окислительную зону и здесь химическим путем или при участии других бактерий окислялся до элементной серы. Сера осаждалась на дно, и впоследствии содержащий серу ил образовал руду.

Теория эпигенеза (вкрапления серы образовались позднее, чем основные породы) имеет несколько вариантов.

Самый распространенный из них предполагает, что подземные воды, проникая сквозь толщи пород, обогащаются сульфатами. Если такие воды соприкасаются с месторождениями нефти или природного газа, то ионы сульфатов восстанавливаются углеводородами до сероводорода. Сероводород поднимается к поверхности и, окисляясь, выделяет чистую серу в пустотах и трещинах пород.

В последние десятилетия находит все новые подтверждения одна из разновидностей теории эпигенеза — теория метасоматоза (в переводе с греческого «метасоматоз» означает «замещение»). Согласно ей в недрах постоянно происходит превращение гипса CaS04 • 2Н20 и ангидрита CaS04 в серу и кальцит СаСО3.

В 1961 г. в Ираке было открыто месторождение Мишрак. 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 картина наблюдалась на отечественном месторождении  Шор-Су.

Геологическое своеобразие этих месторождений можно объяснить только с позиций теории метасоматоза: первичные гипсы и ангидриты превратились во вторичные карбонатные руды с вкраплениями самородной серы. Важно не только соседство минералов — среднее содержание серы в руде этих месторождений равно содержанию химически связанной серы в ангидрите.

Но есть одно «но»: химизм процесса превращения гипса в серу и кальцит пока не ясен, и потому нет оснований считать теорию метасоматоза единственно правильной. На Земле и сейчас существуют озера (в частности, Серное озеро близ Серноводска), где происходит сингенетическое отложение серы и сероносный ил не содержит ни гипса, ни ангидрита.

Все это означает, что разнообразие теории и гипотез происхождении самородной серы — результат не только и не столько неполноты наших знаний , сколько сложности явлений , происходящих в недрах .

Статья на тему Сера история

Товарные формы

В промышленности реализовано получение серы в различных товарных формах[13][с. 193—196]. Выбор той или иной формы определяется требованиями заказчика.

Комовая сера до начала 1970-х годов была основным видом серы, выпускаемым промышленностью СССР. Её получение технологически просто и осуществляется подачей жидкой серы по обогреваемому трубопроводу на склад, где производится заливка серных блоков.

Жидкую серу хранят в обогреваемых резервуарах и транспортируют в цистернах. Транспорт жидкой серы более выгоден, чем её плавление на месте. Достоинства получения жидкой серы — отсутствие потерь и высокая чистота. Недостатки — опасность возгорания, траты на обогрев цистерн.

Формованная сера бывает чешуйчатая и пластинчатая. Чешуйчатую серу начали производить на НПЗ в 1950-х годах. Для получения используют вращающийся барабан, внутри он охлаждается водой, а снаружи кристаллизуется сера в виде чешуек толщиной 0,5—0,7 мм.

В начале 1980-х годов вместо чешуйчатой стали выпускать пластинчатую серу. На движущуюся ленту подается расплав серы, который охлаждается по мере движения ленты. На выходе образуется застывший лист серы, который ломают с образованием пластинок. Сегодня эта технология считается устаревшей, хотя около 40 % канадской серы экспортируется именно в таком виде ввиду больших капиталовложений в установки для её получения.

Гранулированную серу получают различными методами.

Молотая сера является продуктом размола комовой или гранулированной серы. Степень измельчения может быть различной. Его проводят сначала в дробилке, потом в мельнице. Таким способом возможно получение очень высокодисперсной серы с размером частиц менее 2 мкм.

Грануляцию порошковой серы проводят в прессах. Необходимо использование связующих добавок, в качестве которых используют битумы, стеариновую кислоту, жирные кислоты в виде водной эмульсии с триэтаноламином и другие[14].

Крупнейшими производителями молотой серы в России являются предприятия ООО «Каспийгаз» и АО «Сера».

Коллоидная сера — разновидность молотой серы с размером частиц менее 20 мкм. Её применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и в медицине как противовоспалительные и дезинфицирующие средства. Коллоидную серу получают различными способами.

Высокочистую серу получают используя химические, дистилляционные и кристаллизационные методы. Её применяют в электронной технике, при изготовлении оптических приборов, люминофоров (серная лампа), в производстве фармацевтических и косметических препаратов — лосьонов, мазей, средств против кожных болезней.

Фазовая диаграмма серы

Элементарная кристаллическая сера может существовать в виде двух аллотропных модификаций (энантиотропия серы) — ромбической и моноклинной, — то есть сера диморфна, поэтому для элементарной серы возможно существование четырёх фаз: твёрдой ромбической, твёрдой моноклинной, жидкой и газообразной, а на фазовой диаграмме серы (см. рисунок; для давления использован логарифмический масштаб) имеются два поля твёрдых фаз: область ромбической серы и область существования моноклинной серы (треугольник АВС)[15].

На фазовой диаграмме серы[15]:

Пунктирные линии отражают возможность существования метастабильных фаз, которые наблюдаются при резком изменении температуры:

На фазовой диаграмме серы имеются три стабильные тройные точки и одна метастабильная, каждая из которых отвечает условиям термодинамического равновесия трёх фаз[15]:

Как показывает фазовая диаграмма, ромбическая сера не может одновременно находиться в равновесии с расплавом и парами серы[16], поэтому в основной тройной точке (когда равновесные фазы находятся в разных агрегатных состояниях) твёрдая фаза представлена моноклинной серой.

Химические свойства

На воздухе сера горит, образуя сернистый газ — бесцветный газ с резким запахом:

S O2→SO2↑{displaystyle {mathsf {S O_{2}rightarrow SO_{2}uparrow }}}

С помощью спектрального анализа установлено, что на самом деле процесс окисления серы в двуокись представляет собой цепную реакцию и происходит с образованием ряда промежуточных продуктов: моноокиси серы S2O2, молекулярной серы S2, свободных атомов серы S и свободных радикалов моноокиси серы SO[18].

Восстановительные свойства серы проявляются в реакциях серы и с другими неметаллами, однако при комнатной температуре сера реагирует только со фтором:

S 3F2→SF6↑{displaystyle {mathsf {S 3F_{2}rightarrow SF_{6}uparrow }}}

Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов (дихлорид серы и дитиодихлорид)[19]:

2S Cl2→S2Cl2{displaystyle {mathsf {2S Cl_{2}rightarrow S_{2}Cl_{2}}}}

S Cl2→SCl2{displaystyle {mathsf {S Cl_{2}rightarrow SCl_{2}}}}

При избытке серы также образуются разнообразные дихлориды полисеры типа SnCl2[20].

При нагревании сера также реагирует с фосфором, образуя смесь сульфидов фосфора[21], среди которых — высший сульфид P2S5:

5S 2P→ot P2S5{displaystyle {mathsf {5S 2Pxrightarrow {^{o}t} P_{2}S_{5}}}}

Кроме того, при нагревании сера реагирует с водородом, углеродом, кремнием:

S H2→ot H2S↑{displaystyle {mathsf {S H_{2}xrightarrow {^{o}t} H_{2}Suparrow }}} (сероводород)

C 2S→ot CS2{displaystyle {mathsf {C 2Sxrightarrow {^{o}t} CS_{2}}}} (сероуглерод)

Si 2S→ot SiS2{displaystyle {mathsf {Si 2Sxrightarrow {^{o}t} SiS_{2}}}} (сульфид кремния)

При нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто — весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды:

2Na S→ot Na2S{displaystyle {mathsf {2Na Sxrightarrow {^{o}t} Na_{2}S}}}

Ca S→ot CaS{displaystyle {mathsf {Ca Sxrightarrow {^{o}t} CaS}}}

2Al 3S→ot Al2S3{displaystyle {mathsf {2Al 3Sxrightarrow {^{o}t} Al_{2}S_{3}}}}

Fe S→ot FeS{displaystyle {mathsf {Fe Sxrightarrow {^{o}t} FeS}}}.

Растворы сульфидов щелочных металлов реагируют с серой с образованием полисульфидов:

Na2S S→Na2S2{displaystyle {mathsf {Na_{2}S Srightarrow Na_{2}S_{2}}}}

Из сложных веществ следует отметить прежде всего реакцию серы с расплавленной щёлочью, в которой сера диспропорционирует аналогично хлору:

3S 6KOH{displaystyle {mathsf {3S 6KOH}}}_{(расплав)}→ot K2SO3 2K2S 3H2O{displaystyle {mathsf {xrightarrow {^{o}t} K_{2}SO_{3} 2K_{2}S 3H_{2}O}}}.

Полученный сплав называется серной печенью.

С концентрированными кислотами-окислителями (HNO3, H2SO4) сера реагирует только при длительном нагревании:

S 6HNO3{displaystyle {mathsf {S 6HNO_{3}}}}_(конц.)→ot H2SO4 6NO2↑ 2H2O{displaystyle {mathsf {xrightarrow {^{o}t} H_{2}SO_{4} 6NO_{2}}}uparrow {mathsf { 2H_{2}O}}}

S 2H2SO4{displaystyle {mathsf {S 2H_{2}SO_{4}}}}_(конц.)→ot 3SO2↑ 2H2O{displaystyle {mathsf {xrightarrow {^{o}t} 3SO_{2}}}uparrow {mathsf { 2H_{2}O}}}

При увеличении температуры в парах серы происходят изменения в количественном молекулярном составе[22]. Число атомов в молекуле уменьшается:

S8→S6→S4{displaystyle {mathsf {S_{8}rightarrow S_{6}rightarrow S_{4}}}}

При 800—1400 °C пары состоят в основном из двухатомной серы:

S4→800−1400o S2{displaystyle {mathsf {S_{4}{xrightarrow {800-1400^{o}}} S_{2}}}}

А при 1700 °C сера становится атомарной:

S2→1700o S{displaystyle {mathsf {S_{2}{xrightarrow {1700^{o}}} S}}}