Сера. Соединения и свойства серы

        Долгое время купоросное масло не находило широкого применения. Интерес к нему сильно возрос после того, как в 18 веке был открыт процесс получения из индиго индигокармина  -  устойчивого синего красителя. Первую фабрику по производству серной кислоты основали недалеко от Лондона в 1736 году. Процесс осуществляли в свинцовых камерах, на дно которых наливали воду. В верхней части камеры сжигали расплавленную смесь селитры с серой, затем туда запускали воздух. Процедуру повторяли до тех пор, пока на дне емкости не образовывалась кислота требуемой концентрации. При этом происходили следующие химические превращения:

      S  + O₂ = SO₂

                2KNO₃ + S = K₂SO₄ + 2NO

     2NO + O₂ = 2NO₂

     N O₂ + SO₂ + H₂O = H₂SO₄ + NO

   В 19 веке этот способ усовершенствовали: вместо селитры стали использовать азотную кислоту (она при разложении в камере дает NO₂).Чтобы возвращать  в систему нитрозные газы были сконструированы специальные башни, которые и дали название  всему процессу - башенный процесс. Заводы, работающие по башенному методу, существуют и в наше время.

   Однако, сейчас для производства серной кислоты применяют в основном контактный метод, разработанный в 1831 году. По этому методу окисление SO₂ до SO₃ (2SO₂ + O₂ = 2SO₃)  осуществляется на катализаторе  -  оксиде ванадия (V) V₂O₅.

   Серный  ангидрид в специальных установках поглощается концентрированной серной кислотой. При этом получается олеум. Его хранят в железных банках и по мере необходимости переводят в серную кислоту.

   Рассмотрим  следующую задачу: 

   Определите  массу олеума состава H₂SO₄SO₃, который надо добавить к воде для получения 250 г раствора с массовой долей серной кислоты 60%.

   Дано: m = 250 г; w(H₂S0₄) = 60%

   Определить: m(H₂SO₄SO₃)

Решение:

1. Определяем массу H₂S0₄, которая необходима для получения раствора:

                                     m(H₂S0₄) ;

 

2. Количество вещества кислоты составляет:

 

3. При растворении олеума он взаимодействует с водой:

H₂S0₄•SO₃ + H₂O  = 2 H₂S0₄ 

из этого  уравнения следует: 

 

 моль

4. Рассчитываем массу олеума:

m(H₂S0₄•SO₃) = v (H₂S0₄•SO₃ ) • M(H₂S0₄•SO₃ );

m(H₂S0₄•SO₃ ) = 0,765 • 178 = 136,2 г

5. Ответ: m(H₂S0₄•SO₃ ) = 136,2 г

Серная  кислота является одним из главных продуктов химической промышленности. Она применяется при производстве азотной кислоты и минеральных удобрений, моющих средств,органическом синтезе при получении красителей, диэтилового эфира, этилацетата. В нефтяной промышленности серная кислота используется для очистки нефтепродуктов, в горнодобывающей промышленности  -  при переработке некоторых руд, в металлургии -  для травления металлических поверхностей и очистки их от окалины. В лабораторной практике концентрированная серная кислота служит осушителем. В свинцовые аккумуляторы заливают 30-40-% раствор серной кислоты.

   Рассмотрим следующую задачу:  Производство серной кислоты:

Рассчитайте массу серной кислоты  с массовой долей H₂SO₄ 96%, которую можно получить из пирита массой 3,6 кг.

   Дано: m(FeS₂) = 3,6 кг; w(H₂SO₄) = 96%.

   Определить: m.

   Решение:

1. Рассчитываем количество вещества FeS₂ взятого для реакции:

 

2. Составляем  уравнение реакций, которые надо осуществить для получения серной кислоты из пирита:

 

4 FeS₂ + 110₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO_{2     (а)}

2SO₂ + O₂ =  2SO_{3           (б)}

SO₃ + H₂O = H₂SO_{4           (в)} 

   

3. Из уравнения (а) следует: v(SO₂) = 8/4v(Fe₂S) = 2v(Fe₂S)
4. Из уравнения (б) и (в) следует: v(SO₃) = v(SO₂);v(SO₃) = 60 моль

                  v(H₂SO₄) = v(SO₃); v(H₂SO₄) = 60 моль

5. Рассчитываем массу H₂SO₄ , которая может быть получена:

                  m(H₂SO₄) = v(H₂SO₄) • M(H₂SO₄₎

6. Вычисляем массу раствора кислоты, который может быть получен:

 

   

 

   

7. Ответ: 6,125 кг.

 

   4.   ЭТО ИНТЕРЕСНО  ЗНАТЬ

   4.1   КРУГОВОРОТ   СЕРЫ  (Геохимия)

        Обычно в путешествиях элементов нет «конечных остановок». Как правило, завершение одного маршрута оказывается началом другого. В результате элементы и вещества постоянно движутся по сложной сети потоков, многократно «проезжая» одни и те же «пункты». Такие перемещения называются круговоротами. Именно круговороты способствуют постоянному поддержанию гомеостаза как во всепланетных, так и в локальных масштабах. Во-первых, они не дают планете «утонуть» в отходах жизнедеятельности, поскольку эти отходы немедленно становятся пищей для других организмов. Во-вторых, круговороты не позволяют жизненно важным элементам выйти из биосферы или отдельной экосистемы. Например, ветры постоянно переносят с океанов на сушу хлориды, которые нужны всем живым организмам. Если бы не этот перенос, все хлориды давно бы оказались в океане.

     Элемент сера отличается огромным многообразием неорганических форм, легко переходящих одна в другую. В водных средах наиболее устойчивы сульфаты, в воздухе - SO₂. B живых организмах сера в виде SH- и  S-S-групп входит в состав аминокислот (цистина, цистеина, метионина), белков, некоторых гормонов (инсулина) и витаминов (В1). Когда организмы отмирают и разлагаются, содержащаяся в них сера превращается в сероводород H₂S или другие летучие соединения серы в низших степенях окисления (например (СН₃)₂S).  Навоздухе, особенно на свету, эти вещества быстро окисляются до SO₂. Большие количества выбрасываются в атмосферу  и при извержении вулканов. Однако и это соединение в атмосфере долго не живет, растворяясь в воде, а также окисляясь в присутствии влаги до серной кислоты.

    Серная кислота взаимодействует с аммиаком или выпадает на почву и нейтрализуется основаниями. Сульфаты либо усваиваются некоторыми организмами, либо стекают в океан.  

   4.2   КАК ОБНАРУЖИТЬ ГЛАВНЫЕ ИОНЫ   (Опыт)

   Сульфаты.      В пробу воды, подкисленную уксусом, внести несколько капель раствора хлорида бария ВаCl₂ в дистиллированной воде. Если вода содержит сульфат-ионы, то образуется белый осадок сульфата бария: Ва^{2 +} + SO₄^2- = BaSO₄

   4.3   ПОЧЕМУ СУЛЬФАТЫ ЯВЛЯЮТСЯ СЛАБИТЕЛЬНЫМ?

       Слабительное действие сульфатов (в первую очередь сульфатов натрия и магния) основано на механизме осмоса. Сульфат-ионы и ионы магния всасываются в желудочно-кишечном тракте в ограниченных количествах. Поэтому в кишечнике создается высокая концентрация этих солей, и в него через кишечную стенку устремляется вода. В результате содержимое кишечника разжижается. Побочное действие слабительных состоит в том, что они могут вызвать жажду, поскольку происходит обезвоживание организма.

   СЛУЧАЙ  ИЗ  ИСТОРИИ

   Поскольку в морской воде содержатся сульфаты, она обладает слабительным действием. Когда в 1847 г. Первая экспедиция под командованием лейтенанта  Жеребцова  вошла на корвете «Волга» в залив Кара-Богаз-Гол, кок судна использовал для приготовления пищи соль, в изобилии лежавшую по берегам. Но это оказалась не обычная поваренная соль, а мирабилит  - Na2SO4 * 10H2O, что несколько позже вызвало бурное возмущение команды.

   4.4   КАКИМ ОБРАЗОМ СЕРА ПРИНИМАЕТ УЧАСТИЕ В ЗАГРЯЗНЕНИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ?

       Наверное, вы замечали, что воздух  большого города сильно отличается  от чистого лесного воздуха.  Причина этого – выбросы автотранспорта, котельных и промышленных предприятий.  В Москве до 90% всего загрязнения воздуха приходится на долю автотранспорта, который выбрасывает в воздух стандартный набор газов: сернистый газ – SO₂ (самый большой процент), оксиды азота, угарный газ, формальдегид и сажу. Кроме того, сернистый газ выбрасывают в воздух в большом количестве металлургические предприятия. А целлюлозно-бумажные комбинаты  «обогащают» атмосферу сероводородом H₂S, хлором, фенолом и формальдегидом. Такие предприятия сильно ухудшают качество воздуха во многих городах. Например, Норильск, Мончегорск и Никель загрязняют окрестности сернистым газом; Воскресенск – оксидами серы и азота.

        Cильное загрязнение воздуха в больших городах или вблизи крупных заводов называют смогом, который часто проявляется в виде густого тумана. Капли этого тумана, в которых растворяются соединения серы и азота, довольно быстро превращаются в капли кислоты. Как показывает опыт европейских стран, проблему смога можно решить, оснащая автомобили высокоэффективными катализаторами полного сгорания топлива и создавая на промышленных предприятиях специальные системы газоочистки.

   Если  в пламя горящего сероводорода внести холодный предмет, например фарфоровую чашку, то температура пламени значительно понижается и сероводород окисляется только до свободной серы, оседающей на чашке в виде  тонкого налета желтого  цвета -  продукта неполного окисления.

5.  МИНЕРАЛЫ, В СОСТАВ КОТОРЫХ ВХОДИТ СЕРА

          Земная кора состоит из пород, в состав которых входят различные минералы. В основе большинства из них  -  несколько химических элементов, но есть и немало и мономерных минералов, среди которых -  медь, золото, серебро, сера. Классификация минералов основана на их химическом составе, а также на особенностях симметрии кристаллической решетки. Специалисты делят всю гамму минералов на 9 основных категорий.

1.         Самородные элементы            

2.         Галогениды

3.         Окислы и гидроокислы

4. Карбонаты (нитраты и бораты)
5. Сульфаты (молибдаты, хроматы и вольфраматы)
6. Сульфиды ( селениды, теллуриды, арсениды, антимониды)
7. Фосфаты (арсенаты, ванадаты)
8. Силикаты
9. Органические соединения

 

Соли  сероводорода называют сульфидами. Сульфиды большинства металлов малорастворимы в воде, кроме щелочных и щелочноземельных (последние сильно гидролизуются). Сульфиды металлов и неметаллов обладают характерной яркой окраской. Эта особенность используется в химическом анализе.

Черные  HgS, Ag₂S, PbS, CuS, FeS, NiS, CoS, Au₂S,   Cr₂S₃

Коричневые  SnS, Bi₂S₃, Au₂S₃, PtS₂

Оранжевые   Sb₂S₃, Sb₂S₅