Сера и её аллотропные формы

9 заданий

Аллотропия серы

Сера — один из немногих элементов, известных с древности в самородном виде. Её жёлтые кристаллы находили у вулканов. В Библии встречается выражение «огнь и сера», а алхимики считали серу «принципом горючести».

Обычная сера состоит из молекул \(\ce{S8}\). В каждой такой молекуле восемь атомов образуют цикл, по форме напоминающий корону. При этом одни и те же молекулы могут образовывать разные кристаллы. Существование у элемента нескольких форм называют аллотропией. Для кристаллической серы характерны две аллотропные формы:

ромбическая (α) устойчива ниже 95,3 °C и образует лимонно-жёлтые кристаллы;
моноклинная (β) устойчива от 95,3 °C до температуры плавления (119 °C) и образует игольчатые кристаллы.

Что происходит при нагревании

При дальнейшем нагревании меняется не только расположение молекул серы в кристалле, но и строение самих частиц. Поэтому свойства расплава и состав паров зависят от температуры.

При 119 °C сера плавится и превращается в подвижную жёлтую жидкость.
Выше 159 °C циклы \(\ce{S8}\) раскрываются и соединяются в длинные цепи, содержащие до миллиона атомов. Жидкость темнеет и становится настолько вязкой, что не выливается из пробирки. Наибольшей вязкости расплав достигает около 190 °C.
При дальнейшем нагревании цепи разрываются, поэтому вязкость снова уменьшается. При 445 °C сера кипит.
С повышением температуры состав паров меняется: \(\ce{S8 -> S6 -> S4 -> S2}\). Выше 800 °C пары состоят почти только из молекул \(\ce{S2}\). Этот газ имеет фиолетовый цвет; в его молекулах, как и в молекулах \(\ce{O2}\), есть два неспаренных электрона.

Если расплав при 200 °C вылить в холодную воду, быстрое охлаждение сохраняет образовавшиеся цепи. Так получают резиноподобную пластическую серу. За несколько дней она снова превращается в ромбическую серу.

auto_awesomeСпособ Фраша

Подземные залежи серы в Луизиане находились под плывунами, поэтому построить шахты там не удавалось. В 1894 году Герман Фраш предложил закачивать в скважину перегретую воду температурой 160 °C. Сера плавилась, после чего её выдавливали на поверхность сжатым воздухом. Этот способ обеспечивал мир дешёвой серой почти столетие.

Сера и металлы

При взаимодействии с металлами сера принимает электроны и является окислителем. В результате образуются сульфиды. Многие из этих реакций после начала нагревания протекают настолько энергично, что сопровождаются вспышкой.

scienceРеакции серы с металлами

\(\ce{Fe + S ->[t] FeS}\) — после поджигания смесь железа с серой раскаляется без дальнейшего нагревания.
\(\ce{Zn + S ->[t] ZnS}\) — при реакции цинка с серой наблюдается ослепительная вспышка; любители используют такую смесь как ракетное топливо.
\(\ce{2Cu + S ->[t] Cu2S}\) — медь даёт сульфид меди(I), а не \(\ce{CuS}\).
\(\ce{Hg + S -> HgS}\) — при растирании ртути с серой реакция идёт уже на холоду.
\(\ce{2Al + 3S ->[t] Al2S3}\) — при нагревании алюминия с серой образуется сульфид, который в воде подвергается гидролизу (урок 70).
\(\ce{2Na + S -> Na2S}\) — при реакции натрия с серой образуется сульфид натрия.

boltОсобенность реакции меди с серой

В приведённой реакции сера окисляет медь до степени окисления +1, поэтому продуктом является \(\ce{Cu2S}\). Однако существует и сульфид \(\ce{CuS}\): его получают, в частности, осаждением из раствора (\(\ce{CuSO4 + H2S}\)). При нагревании этот сульфид теряет серу: \(\ce{2CuS ->[t] Cu2S + S}\).

auto_awesomeРазбитый градусник

Пролитую ртуть собирают, а оставшиеся капли засыпают порошком серы. На холоду протекает реакция \(\ce{Hg + S -> HgS}\) с образованием нелетучего сульфида. Это классический пример применения реакции серы для демеркуризации.

Сера-восстановитель

В реакциях с более электроотрицательными элементами и сильными окислителями сера, напротив, отдаёт электроны и является восстановителем. Степень её окисления в продуктах зависит от вещества, с которым она реагирует.

scienceРеакции окисления серы

\(\ce{S + O2 -> SO2}\) — при горении сера даёт голубое пламя, а \(\ce{SO3}\) почти не образуется.
\(\ce{S + 3F2 -> SF6}\) — при реакции со фтором сера окисляется до степени окисления +6.
\(\ce{2S + Cl2 -> S2Cl2}\) — при реакции с хлором сера окисляется до степени окисления +1; образуется жёлтая жидкость, которую используют при вулканизации каучука.
\(\ce{S + 6HNO3 (конц) ->[t] H2SO4 + 6NO2 + 2H2O}\) — при нагревании концентрированная азотная кислота окисляет серу до серной кислоты.
\(\ce{S + 2H2SO4 (конц) ->[t] 3SO2 + 2H2O}\) — в этой реакции сера с разными исходными степенями окисления переходит в \(\ce{SO2}\); такой процесс называют сопропорционированием.
\(\ce{3S + 2KClO3 -> 2KCl + 3SO2}\) — смеси серы с хлоратами взрываются от удара.

В отличие от перечисленных случаев, при взаимодействии с водородом и углеродом сера является окислителем. Эти реакции идут при нагревании: \(\ce{H2 + S ->[t] H2S}\), \(\ce{C + 2S ->[900 °C] CS2}\). Образующийся сероуглерод служит растворителем серы и фосфора.

В щёлочи сера одновременно окисляется и восстанавливается. Такие реакции называют диспропорционированием (урок 79): \(\ce{3S + 6NaOH ->[t] 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O}\). Если серы взято с избытком, образуются также полисульфиды и тиосульфат.

auto_awesomeПорох

Чёрный порох состоит из селитры, угля и серы в соотношении 75 : 15 : 10. Сера снижает температуру воспламенения смеси и ускоряет её горение: \(\ce{2KNO3 + S + 3C -> K2S + N2 + 3CO2}\). Около тысячи лет порох оставался единственным известным человечеству взрывчатым веществом.

push_pinГлавное

Обычная сера состоит из циклических молекул \(\ce{S8}\) и образует ромбическую модификацию, устойчивую ниже 95,3 °C, и моноклинную модификацию. Выше 159 °C циклы раскрываются и соединяются в цепи, поэтому вязкость расплава возрастает в тысячи раз; при быстром охлаждении расплава в воде получается пластическая сера. В парах при высоких температурах преобладают молекулы \(\ce{S2}\), которые парамагнитны, как \(\ce{O2}\). С металлами сера является окислителем (\(\ce{Fe + S -> FeS}\), \(\ce{2Cu + S -> Cu2S}\), \(\ce{Hg + S -> HgS}\)), а с кислородом, галогенами, азотной и серной кислотами — восстановителем. В щелочах сера диспропорционирует.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.