Впервые увидев изумительной красоты кристаллы ярко-жёлтого, лимонного или медового цвета, можно ошибочно принять их за янтарь. Но это не что иное, как самородная сера.
Сера самородная существует на Земле с момента рождения планеты. Можно сказать, что она имеет внеземное происхождение. Известно, что этот минерал присутствует в больших количествах и на других планетах. Ио — спутник Сатурна, покрытый извергающимися вулканами, похож на огромный яичный желток. Значительная часть поверхности Венеры также покрыта слоем жёлтой серы.
Люди начали использовать её ещё до нашей эры, но точная дата открытия неизвестна.
Неприятный удушающий запах, возникающий при горении, принёс этому веществу дурную славу. Чуть ли не во всех религиях мира расплавленная сера, источающая невыносимое зловоние, ассоциировалась с адской преисподней, где грешники принимали жуткие мучения.
Древние жрецы, совершая религиозные обряды, применяли горящий серный порошок для общения с подземными духами. Считалось, что сера – порождение тёмных сил из потустороннего мира.
Описание смертоносных испарений встречается у Гомера. А знаменитый самовоспламеняющийся «греческий огонь», повергавший противника в мистический ужас, также имел в своём составе серу.
В VIII веке китайцы применяли горючие свойства самородной серы при изготовлении пороха.
Арабские алхимики называли серу «отцом всех металлов» и создали оригинальную ртутно-серную теорию. По их мнению, сера присутствует в составе любого металла.
Позже французский физик Лавуазье, после проведения серии опытов по горению серы, установил её элементарную природу.
После открытия пороха и его распространения в Европе начали добывать самородную серу и разработали метод получения вещества из пирита. Впрочем, этот способ широко использовался ещё в древней Руси.
Можно выделить следующие генетические типы: 1) магматические, 2) карбонатитовые, 3) скарновые, 4) гидротермальные и пневматолитовые, 5) вулканогенно-осадочные, 6) подземноводные и газонефтяные, 7) осадочные.
К магматическим месторождениям серы следует относить ликвационные медно-никелевые месторождения, сера в которых формирует сульфиды , , , и других металлов и извлекается попутно при переработке руд цветных металлов. Примеры - Талнахское и другие месторождение в России, Сёдбери в Канаде.
К карбонатитовым месторождениям серы относятся редко встречаемые гипс-барит-флюоритовые, связанные с апикальными частями карбонатитовых комплексов. Сера извлекается из . Пример - месторождение Амба-Донгар в Индии.
К скарновым месторождениям серы относятся медные и полиметаллические месторождения, сера которых также представлена сульфидами различных металлов: железа, меди, , и др. Извлекаются они попутно с получением металлов. Примеры - Турьинские медные рудники Урала, полиметаллические месторождения Кара- Мазара в Средней Азии.
Среди гидротермальных месторождений серы следует выделять плутоногенные и вулканогенные. К плутоногенным относятся медные н полиметаллические месторождения, сера которых формирует сульфиды железа и цветных металлов; извлекается она попутно. Примеры - полиметаллические месторождения Забайкалья. Среди гидротермальных вулканогенных месторождений выделяется ряд формаций. К этому типу следует относить формации самородной серы в вулканических образованиях. Это и метасоматические залежи (точнее, импрегнационно-метасоматические, так как часть серы формируется не путем замещения, а путем выполнения пустот) серы в приповерхностных зонах вулканических построек, преимущественно среди опалитов, и месторождения серных потоков и кратерных расплавов, а также месторождения, формирующиеся из серосодержащих газов и горячих вод непосредственно в поверхностных условиях.
Для импрегнационно-метасоматических месторождений, играющих ведущую роль в вулканогенной группе, характерна определенная метасоматическая зональность, при этом среди характерных пород здесь наблюдаются и сами серные руды - сероносные опалиты, и алунитовые породы, пропилиты и монтмориллонитизированные вулканиты. Примеры - Новое на Курильских островах, Мелитойваямское на Камчатке, ряд месторождений Японии. Этот тип месторождений возникает при воздействии сероносных газов и растворов на вулканические постройки, при этом интенсивно выщелачивается ряд металлов, в том числе железо и , а кремнезем остается и формирует существенно опаловые породы - опалиты.
Нередко наряду с самородной серой и серосодержащим минералом алунитом отмечается и сульфид серы - мельниковит. Месторождения серных потоков возникают при расплавлении ранее возникших серных залежей при активизации вулканов. Например, серный поток, вынесший 200 тыс. т серы, наблюдался в Японии на вулкане Сиеретоко-Иоцан. В некоторых вулканах в кратерах имеются серные расплавы (например, на островах Галапагос). Поверхностные небольшие месторождения серы, в том числе сульфуриты, формируются из серосодержащих вод и газов. Они известны на вулкане Менделеева и ряде вулканов Японии.
К вулканогенно-осадочным месторождениям серы относятся кратерно-озерные месторождения самородной серы, а также месторождения колчеданных руд, формирующиеся при поступлении сероносных вулканогенных гидротерм в морские бассейны. Примером кратерно-озерных месторождений служит одно из крупных месторождений Индонезии Телага Бодае. К колчеданным вулканогенно-осадочным месторождениям принадлежит ряд месторождений Испании и Португалии, играющих заметную роль в получении сульфидной серы. К этому типу можно отнести и некоторые месторождения цветных металлов, из руд которых сера извлекается как попутный компонент.
Существенное значение в добыче серы имеют подземноводные и газонефтяные месторождения серы
. Подземно-водные месторождения возникают при метасоматическом замещении гипсов и ангидритов серокальцитовыми рудами. Процесс этот осуществляется на определенном расстоянии от поверхности земли, т. е. может начаться только после определенного уровня денудации, вызывающего приближение продуктивных горизонтов гипсов и ангидритов к поверхности. При этом существенную роль играют процессы эрозии, в частности деятельность древних долин, приближающих сульфатоносные слои к поверхности, а также наличие разрывных нарушений, облегчающих миграцию вод, в том числе подъем глубинных вод. К этому типу месторождений относятся наиболее крупные месторождения серы России, стран Ближнего Востока и др.
Разновидностью месторождений данного типа являются месторождения серы в кепроках соляных куполов. Кепроки, или остаточные шляпы, возникают при растворении верхних частей растущих: соляных куполов. Строение их зональное: непосредственно выше солей, в области фронта их растворения, представленного «соляным зеркалом», располагаются гипсы и ангидриты, выше - зона карбонатных пород, а над ней нередко отмечаются скопления глин, как наиболее труднорастворимого остатка соляной толщи. Осернению подвергаются породы зоны сульфатов кальция (см. рис. 30). Пример этого подтипа месторождений - месторождения серы Мексиканского залива.
В газовых месторождениях сера входит в состав сероводорода, который попутно извлекается при добыче природных горючих газов. Такие месторождения известны в Канаде, Франции, России (Оренбургские месторождения газа). Месторождения сернистых нефтей известны в ряде стран. Сера извлекается попутно при переработке .
К осадочным месторождениям серы относятся гипсоангидритовые месторождения, из которых получают серу в ряде стран, а также колчедансодержащие каменные и бурые и скопления пирита и марказита в песчаниках и глинистых породах, в том числе в глинистых . Из угля соединения серы извлекают как в процессе обогащения углей, так и при получении кокса. Пример - Подмосковный буроугольный бассейн. Скопления, в том числе желваки железного колчедана, известны в песчано-глинистых отложениях ряда стран, в том числе , Россия и др. Иногда отмечаются сплошные залежи колчеданов (не желваки или караваи), правда в таком случае не исключается эффузивно-осадочный генезис этих пластов и линз сплошных колчеданных руд.
В некоторых случаях отмечается формирование осадочных скоплений самородной серы, однако промышленные скопления этого типа пока не установлены.
Сера – одно из немногих веществ, которыми уже несколько тысяч лет назад оперировали первые «химики». Она стала служить человечеству задолго до того, как заняла в таблице Менделеева клетку под №16.
Об одном из самых древних (хотя и гипотетических!) применений серы рассказывают многие старинные книги. Как источник тепла при термообработке грешников серу живописуют и Новый и Ветхий заветы. И если книги такого рода не дают достаточных оснований для археологических раскопок в поисках остатков райских кущ или геенны огненной, то их 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 и римлянами, особенно в Сицилии, которая вплоть до конца прошлого века славилась в основном серой.
С древнейших времен серу использовали для религиозно-мистических целей, ее зажигали при различных церемониях и ритуалах. Но так же давно элемент №16 приобрел и вполне мирские назначения: серой чернили оружие, ее употребляли при изготовлении косметических и лекарственных мазей, ее жгли для отбелки тканей и для борьбы с насекомыми. Добыча серы значительно увеличилась после того, как был изобретен черный порох. Ведь сера (вместе с углем и селитрой) – непременный его компонент.
И сейчас пороховое производство потребляет часть добываемой серы, правда весьма незначительную. В наше время сера – один из важнейших видов сырья для многих химических производств. И в этом причина непрерывного роста мирового производства серы.
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 элементарной серы. Сера осаждалась на дно, и впоследствии содержащий серу ид 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 CaSO 4 · 2H 2 O и ангидрита CaSO 4 в серу и кальцит СаCO 3 . Эта теория создана в 1935 г. советскими учеными Л.М. Миропольским и Б.П. Кротовым. В ее пользу говорит, в частности, такой факт.
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. А исследования изотопного состава серы и углерода в руде этих месторождений дали сторонникам теории метасоматоза дополнительные аргументы.
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 теорий и гипотез о происхождении самородной серы – результат не только и не столько неполноты наших знаний, сколько сложности явлений, происходящих в недрах. Еще из элементарной школьной математики все мы знаем, что к одному результату могут привести разные пути. Этот закон распространяется и на геохимию.
Добыча серы
Серные руды добывают разными способами – в зависимости от условий залегания. Но в любом случае приходится уделять много внимания технике безопасности. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопления ядовитых газов – соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности ее самовозгорания.
Добыча руды открытым способом происходит так. Шагающие экскаваторы снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на обогатительную фабрику, а оттуда – на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу. Методы извлечения различны. О некоторых из них будет рассказано ниже. А здесь уместно кратко описать скважинный метод добычи серы из-под земли, позволивший Соединенным Штатам Америки и Мексике стать крупнейшими поставщиками серы.
В конце прошлого века на юге Соединенных Штатов были открыты богатейшие месторождения серной руды. Но подступиться к пластам было непросто: в шахты (а именно шахтным способом предполагалось разрабатывать месторождение) просачивался сероводород и преграждал доступ к сере. Кроме того, пробиться к сероносным пластам мешали песчаные плавуны. Выход нашел химик Герман Фраш, предложивший плавить серу под землей и через скважины, подобные нефтяным, выкачивать ее на поверхность. Сравнительно невысокая (меньше 120°C) температура плавления серы подтверждала реальность идеи Фраша. В 1890 г. начались испытания, приведшие к успеху.
В принципе установка Фраша очень несложна: труба в трубе. В пространство между трубами подается перегретая вода и по нему идет в пласт. А по внутренней, обогреваемой со всех сторон, трубе поднимается расплавленная сера. Современный вариант установки Фраша дополнен третьей – самой узкой трубой. Через нее в скважину подается сжатый воздух, который помогает поднять расплавленную Серу на поверхность. Одно из основных достоинств метода Фраша – в том, что он позволяет уже на первой стадии добычи получить сравнительно чистую серу. При разработке богатых руд этот метод весьма эффективен.
Раньше считалось, что метод подземной выплавки серы применим только в специфических условиях «соляных куполов» тихоокеанского побережья США и Мексики. Однако опыты, проведенные в Польше и СССР, опровергли это мнение. В Польше этим методом уже добывают большое количество серы: в 1968 г. пущены первые серные скважины и в СССР.
А руду, полученную в карьерах и шахтах, приходится перерабатывать (часто с предварительным обогащением), используя для этого различные технологические приемы.
Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные.
Термические методы извлечения серы – самые старые. Еще в XVIII в. 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 методов извлечения серы из руд. В 1859 г. Джузеппе Джилль получил патент на свой аппарат – предшественник нынешних автоклавов. Автоклавный метод (значительно усовершенствованный, конечно) используется и сейчас во многих странах.
В автоклавном процессе обогащенный концентрат серной руды, содержащий до 80% серы, в виде жидкой пульпы с реагентами подается насосами в автоклав. Туда же под давлением подается водяной пар. Пульпа нагревается до 130°C. Сера, содержащаяся в концентрате, плавится и отделяется от породы. После недолгого отстоя выплавленная сера сливается. Затем из автоклава выпускаются «хвосты» – взвесь пустой породы в воде. Хвосты содержат довольно много серы и вновь поступают на обогатительную фабрику.
В России автоклавный способ был впервые применен инженером К.Г. Паткановым в 1896 г.
Современные автоклавы – это огромные аппараты высотой с четырехэтажный дом. Такие автоклавы установлены, в частности, на сероплавильном заводе Роздольского горно-химического комбината в Прикарпатье.
На некоторых производствах, например на крупном серном комбинате в Тарнобжеге (Польша), пустую породу отделяют от расплавленной серы на специальных фильтрах. Метод разделения серы и пустой породы на центрифугах разработан в нашей стране. Словом, «руду золотую (точнее – золотистую) отделять от породы пустой» можно по-разному.
В последнее время все большее внимание уделяется скважинным геотехнологическим способам добычи серы. На Язовском месторождении в Прикарпатье серу – классический диэлектрик плавят под землей токами высокой частоты и выкачивают на поверхность через скважины, как в методе Фраша. Ученые Института горно-химического сырья предложили способ подземной газификации серы. По этому способу серу поджигают в пласте, а на поверхность выкачивают сернистый газ, который идет на производство серной кислоты и других полезных продуктов.
По-разному и удовлетворяют свои потребности в сере разные страны. Мексика и США используют в основном метод Фраша. Италия, занимающая по добыче серы третье место среди капиталистических государств, продолжает добывать и перерабатывать (разными методами) серные руды сицилийских месторождений и провинции Марке. У Японии есть значительные запасы серы вулканического происхождения. Франция и Канада, не имеющие самородной серы, развили крупное производство ее из газов. Нет собственных серных месторождений и в Англии и ФРГ. Свои потребности в серной кислоте они покрывают за счет переработки серусодержащего сырья (преимущественно пирита), а элементарную серу импортируют из других стран.
Советский Союз и социалистические страны полностью удовлетворяют свои потребности благодаря собственным источникам сырья. После открытия и освоения богатых Прикарпатских месторождений СССР и Польша значительно увеличили производство серы. Эта отрасль промышленности продолжает развиваться. В последние годы построены новые крупные предприятия на Украине, реконструированы старые комбинаты на Волге и в Туркмении, расширено производство серы из природного газа и отходящих газов.
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 (S 8), 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) S 2 . При 1700°C 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. Это немало.
К тому же сера химически активна и вступает в реакции с большинством элементов. Поэтому в природе сера встречается не только в 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 несколько окислов, из них самые важные SO 2 и SO 3 – ангидриды сернистой H 2 SO 3 и серной Н 2 SO 4 кислот. Соединение серы с водородом – сероводород H 2 S – очень ядовитый зловонный газ, всегда присутствующий в местах гниения органических остатков. Земная кора в местах, расположенных близ месторождений серы, часто содержит довольно значительные количества сероводорода. В водном растворе этот газ обладает кислотными свойствами. Хранить его растворы на воздухе нельзя, он окисляется с выделением серы:
2H 2 S + О 2 → 2Н 2 О + 2S.
Сероводород – сильный восстановитель. Этим его свойством пользуются во многих химических производствах.
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. Для того чтобы изготовить, например, автомобиль, нужно израсходовать около 14 кг серы. Можно без преувеличения сказать, что промышленный потенциал страны довольно точно определяется потреблением серы.
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. Серу вводят в почву вместе с фосфоритной мукой. Имеющиеся в почве бактерии окисляют ее, образующиеся серная и сернистая кислоты реагируют с фосфоритами, и в результате получаются фосфорные соединения, хорошо усваиваемые растениями.
Однако основной потребитель серы – химическая промышленность. Примерно половина добываемой в мире серы идет на производство серной кислоты. Чтобы получить 1 т H 2 SО 4 , 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.
Из древних и средневековых книг
«Сера применяется для очищения жилищ, так как многие держатся мнения, что запах и горение серы могут предохранить от всяких чародейств и прогнать всякую нечистую силу».
Плиний Старший, «Естественная история» I в. н.э.
«Если травы чахлы, бедны соками, а ветви и листва деревьев имеют окраску тусклую, грязную, темноватую вместо блестящего зеленого цвета, это признак, что подпочва изобилует минералами, в которых господствует сера».
«Если руда очень богата серой, ее зажигают на широком железном листе с множеством отверстий, через которые сера вытекает в горшки, наполненные доверху водой».
«Сера входит также в состав ужасного изобретения – порошка, который может метать далеко вперед куски железа, бронзы или камня – орудие войны нового тина».
Агрикола, «О царстве минералов», XVI в.
Как испытывали серу в XIV веке
«Если ты хочешь испытать серу, хороша она или нет, то возьми кусок серы в руку и поднеси к уху. Если сера трещит так, что ты слышишь ее треск, значит она хороша; если же сера молчит и не трещит, то она нехороша...»
Этот своеобразный метод определения качества материала на слух (применительно к сере) может быть использован и сейчас. Экспериментально подтвердилось, что «трещит» только сера, содержащая не больше одного процента примесей. Иногда дело не ограничивается только треском – кусок серы раскалывается на части.
Удушающий серный газ
Как известно, выдающийся естествоиспытатель древности Плиний Старший погиб в 79 г. н.э. при извержении вулкана. Его племянник в письме историку Тациту писал: «...Вдруг раздались раскаты грома, и от горного пламени покатились вниз черные серные пары. Все разбежались. Плиний поднялся и, опираясь на двух рабов, думал тоже уйти; но смертоносный пар окружил его со всех сторон, его колени подогнулись, он снова упал и задохся».
«Черные серные пары», погубившие Плиния, состояли, конечно, не только из парообразной серы. В состав вулканических газов входят и сероводород, и двуокись серы. Эти газы обладают не только резким запахом, но и большой токсичностью. Особенно опасен сероводород. В чистом виде он убивает человека почти мгновенно. Опасность велика даже при незначительном (порядка 0,01%) содержании сероводорода в воздухе. Сероводород тем более опасен, что он может накапливаться в организме. Он соединяется с железом, входящим в состав гемоглобина, что может привести к тяжелейшему кислородному голоданию и смерти. Сернистый газ (двуокись серы) менее токсичен, однако выпуск его в атмосферу приводил к тому, что вокруг металлургических заводов гибла вся растительность. Поэтому на всех предприятиях, производящих или использующих эти газы; вопросам техники безопасности уделяется особое внимание.
Сернистый газ и соломенная шляпка
Соединяясь с водой, сернистый газ образует слабую сернистую кислоту Н 2 SO 3 , существующую только в растворах. В присутствии влаги сернистый газ обесцвечивает многие красители. Это свойство используется для отбелки шерсти, шелка, соломы. Но такие соединения, как правило, не обладают большой стойкостью, и белые соломенные шляпки со временем приобретают первоначальную грязно-желтую окраску.
Сернистый ангидрид SO 3 в обычных условиях представляет собой бесцветную очень летучую жидкость, кипящую при 44,8°C. Твердеет он при –16,8°C и становится очень похожим на обыкновенный лед. Но есть и другая – полимерная модификация твердого серного ангидрида (формулу его в этом случае следовало бы писать (SO 3) n ). Внешне она очень похожа на асбест, ее волокнистую структуру подтверждают рентгенограммы. Строго определенной точки плавления эта модификация не имеет, что свидетельствует о ее неоднородности.
Гипс и алебастр
Гипс CaSO 4 · 2Н 2 O – один из самых распространенных минералов. Но распространенные в медицинской практике «гипсовые шины» делаются не из природного гипса, а из алебастра. Алебастр отличается от гипса только количеством кристаллизационной воды в молекуле, его формула 2CaSO 4 · Н 2 O. При «варке» алебастра (процесс идет при 160...170°C в течение 1,5...2 часов) гипс теряет три четверти кристаллизационной воды, и материал приобретает вяжущие свойства. Алебастр жадно захватывает воду, при этом происходит быстрая беспорядочная кристаллизация. Разрастись кристаллики не успевают, но сплетаются друг с другом; масса, образованная ими, в мельчайших подробностях воспроизводит форму, в которой происходит твердение. Химизм происходящего в это время процесса обратен происходящему при варке: алебастр превращается в гипс. Поэтому отливка – гипсовая, маска – гипсовая, повязка – тоже гипсовая, а делаются они из алебастра.
Глауберова соль
Соль Na 2 SO 4 · 10H 2 O, открытая крупнейшим немецким химиком XVII в. Иоганном Рудольфом Глаубером и названная в его честь, до сих пор широко применяется в медицине, стеклоделии, кристаллографических исследованиях. Глаубер так описывал ее: «Эта соль, если она хорошо приготовлена, имеет вид льда; она образует длинные, совершенно прозрачные кристаллы, которые растапливаются на языке, как лед. У нее вкус обыкновенной соли, без всякой едкости. Брошенная на пылающие угли, она не растрескивается с шумом, как обыкновенная кухонная соль, и не воспламеняется со взрывом, как селитра. Она без запаха и выносит любую степень жара. Ее можно применять с выгодой в медицине как снаружи, так и внутрь. Она заживляет свежие раны, не раздражая их. Это превосходное внутреннее лекарство: будучи растворена в воде и дана больному, она очищает кишки».
Минерал глауберовой соли называется мирабилитом (от латинского «mirabilis» – удивительный). Название происходит от имени, которое дал Глаубер открытой им соли; он назвал ее чудесной. Крупнейшие в мире разработки этого вещества находятся в нашей стране, чрезвычайно богата глауберовой солью вода знаменитого залива Кара-Богаз-Гол. Дно залива буквально устлано ею.
Сульфиты, сульфаты, тиосульфаты...
Если вы фотолюбитель, вам необходим фиксаж, т.е. натриевая соль серноватистой (тиосерной) кислоты Н 2 S 2 O 3 . Тиосульфат натрия Na 2 S 2 O 3 (он же гипосульфит) служил поглотителем хлора в первых противогазах.
Если вы порезались во время бритья, кровь можно остановить кристаллом алюмокалиевых квасцов KAl(SO 4) 2 · 12H 2 O.
Если вы хотите побелить потолки, покрыть медью какой-либо предмет или уничтожить вредителей в саду – вам не обойтись без темно-синих кристаллов медного купороса CuSO 4 · 5Н 2 О.
Бумага, на которой напечатана эта книга, сделана с помощью гидросульфита кальция Са(НSO 3) 2 .
Широко используются также железный купорос FeSO 4 · 7H 2 O, хромовые квасцы K 2 SO 4 · Cr 2 (SO 4) 3 · 2Н 2 O и многие другие соли серной, сернистой и тиосерной кислот.
Киноварь
Если в лаборатории разлили ртуть (возникла опасность отравления ртутными парами!), ее первым делом собирают, а те места, из которых серебристые капли не извлекаются, засыпают порошкообразной серой. Ртуть и сера вступают в реакцию даже в твердом состоянии – при простом соприкосновении. Образуется кирпично-красная киноварь – сульфид ртути – химически крайне инертное и безвредное вещество.
Выделить ртуть из киновари несложно. Многие другие металлы, в частности железо, вытесняют ртуть из киновари.
Серобактерии
В природе постепенно происходит круговорот серы, подобный круговороту азота или углерода. Растения потребляют серу – ведь ее атомы входят в состав белка. Растения берут серу из растворимых сульфатов, а гнилостные бактерии превращают серу белков в сероводород (отсюда – отвратительный запах гниения).
Но есть так называемые серобактерии, которым вообще не нужна органическая пища. Они питаются сероводородом, и в их организмах в результате реакции между H 2 S, CO 2 и О 2 образуются углеводы и элементарная сера. Серобактерии нередко оказываются переполнены крупинками серы – почти всю их массу составляет сера с очень небольшой «добавкой» органических веществ.
Сера – фармацевтам
Все сульфамидные препараты – сульфидин, сульфазол, норсульфазол, сульгин, сульфодимезин, стрептоцид и другие подавляют активность многочисленных микробов. И все эти лекарства – органические соединения серы. Вот структурные формулы некоторых из них:
После появления антибиотиков роль сульфамидных препаратов несколько уменьшилась. Впрочем, и многие антибиотики можно рассматривать как органические производные серы. В частности, она обязательно входит в состав пенициллина.
Мелкодисперсная элементарная сера – основа мазей, применяемых при лечении грибковых заболеваний кожи.
Нитрид серы проводит ток
В 1975 г. журнал «Кэмикл энд инжениринг ньюс» сообщил о получении нового неорганического полимера, у которого многие свойства – как у металла. Полимерный нитрид серы – политиазил (SN) n легко прессуется и куется, его электропроводность близка к электропроводности ртути. При этом пленки из политиазила не одинаково проводят ток в продольном и поперечном направлении. Это объясняется тем, что пленка построена из упорядоченных, расположенных параллельно друг другу полимерных волокон.
Что можно построить из серы
В 70-х годах в некоторых странах мира производство серы превысило потребности в ней. Поэтому сере стали искать новые применения, прежде всего в таких материалоемких областях, как строительство. В результате этих поисков появились серный пенопласт – как теплоизоляционный материал, бетонные смеси, в которых серой частично или полностью заменен портландцемент, покрытия для автострад, содержащие элементарную серу.
Сера (с лат. sērum «сыворотка») — минерал класса самородных элементов, неметалл. Латинское название связано с индоевропейским корнем swelp — «гореть ». Химическая формула: S.
Сера в отличие от других самородных элементов имеет молекулярную решетку, что определяет ее низкую твердость (1,5-2,5), отсутствие спайности, хрупкость, неровный излом и обусловленный им жирный плеск; лишь на поверхности кристаллов наблюдается стеклянный блеск. Удельный вес 2,07 г/см 3 . Обладает плохой электропроводимостью, слабой теплопроводностью, невысокой температурой плавления (112,8°С) и воспламенения (248°С). Легко загорается от спички и горит голубым пламенем; при этом образуется сернистый газ, имеющий резкий удушливый запах. Цвет у самородной серы светло-жёлтый, соломенно-желтый, медово-желтый, зеленоватый; сера, содержащая органические вещества, приобретают бурую, серую, черную окраску. Вулканический сера ярко-желтая, оранжевая, зеленоватая. Местами обычно с желтоватым оттенком. Встречается минерал в виде сплошных плотных, натечных, землистых, порошковатых масс; также бывают наросшие кристаллы, желваки, налеты, корочки, включения и псевдоморфозы по органическим остаткам. Сингония ромбическая.
Отличительные признаки : для самородной серы характерны: неметаллический блеск и то, что она загорается от спички и горит, выделяя сернистый газ, имеющий резкий удушливый запах. Наиболее характерным цветом для самородной серы является светло-желтый.
Разновидность :
Вулканит (селенистая сера). Оранжево-красного, красно-бурого цвета. Происхождение вулканическое.
Моноклинная сера Кристаллическая сера Кристаллическая сера Селенистая сера — вулканит
Химические свойства серы
Загорается от спички и горит голубым пламенем, при этом образуется сернистый газ, имеющий резкий удушливый запах. Легко плавится (температура плавления 112,8° С). Температура воспламенения 248°С. Сера растворяется в сероуглероде.
Происхождение серы
Встречается самородная сера естественного и вулканического происхождений. Серобактерии живут в водных бассейнах, обогащенных сероводородом за счет разложения органических остатков, - на дне болот, лиманов, мелких морских заливов. Лиманы Черного моря и залив Сиваш являются примерами таких водоемов. Концентрация серы вулканического происхождения приурочена к жерлам вулканов и к пустотам вулканических пород. При вулканических извержениях выделяются различные соединения серы (H 2 S, SО 2), которые окисляются в поверхностных условиях, что приводит к восстановлению ее; кроме того, сера возгоняется непосредственно из паров.
Иногда при вулканических процессах сера изливается в жидком виде. Это бывает тогда, когда сера, ранее осевшая на стенках кратеров, при повышении температуры расплавляется. Отлагается сера также из горячих водных растворов в результате распада сероводорода и сернистых соединений, выделяющихся в одну из поздних фаз вулканической деятельности. Эти явления сейчас наблюдаются около жерл гейзеров Йеллоустонского парка (США) и Исландии. Встречается совместно с гипсом, ангидритом, известняком, доломитом, каменной и калийной солями, глинами, битуминозными отложениями (нефть, озокерит, асфальт) и пиритом. Также встречается на стенках кратеров вулканов, в трещинах лав и туфов, окружающих жерла вулканов как действующих, так и потухших, вблизи серных минеральных источников.
Спутники . Среди осадочных пород: гипс, ангидрит, кальцит, доломит, сидерит, каменная соль, сильвин, карналлит, опал, халцедон, битумы (асфальт, нефть, озокерит). В месторождениях, образовавшихся в результате окисления сульфидов, - главным образом пирит. Среди продуктов вулканического возгона: гипс, реальгар, аурипигмент.
Применение
Широко используется в химической промышленности. Три четверти добычи серы идет на изготовление серной кислоты. Применяется она также для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, кроме того, в бумажной, резиновой промышленности (вулканизация каучука), в производстве пороха, спичек, в фармацевтике, стекольной, пищевой промышленности.
Месторождения серы
На территории Евразии все промышленные месторождения самородной серы поверхностного происхождения. Некоторые из них находятся в Туркмении, в Поволжье и др. Породы, содержащие серу, тянутся вдоль левого берега Волги от г. Самара полосой, имеющей ширину в несколько километров, до Казани. Вероятно, сера образовалась в лагунах в пермский период в результате биохимических процессов. Месторождения серы находятся в Раздоле (Львовская область, Прикарпатье), Яворовске (Украина) и в Урало-Эмбинском районе. На Урале (Челябинская обл.) встречается сера, образовавшаяся в результате окисления пирита. Сера вулканического происхождения имеется на Камчатке и Курильских островах. Основные запасы находятся в Ираке, США (штаты Луизиана и Юта), Мексике, Чили, Японии и Италии (о. Сицилия).
Сегодня именно химическая промышленность потребляет наибольшее количество серы. Наиболее важной является серная кислота. Именно поэтому на ее изготовление уходит почти половина серы, которая добывается по всему миру. Из трехсот кг серы при сжигании получается около одной тонны серной кислоты.
Еще одной отраслью промышленности, которая неразрывно связана с добываемой серой и потребляет ее существенную часть, является производство бумаги. Чтобы получить 17 целлюлозы требуется использовать не меньше ста кг серы.
Применение серы в резиновой промышленности
Для того, чтобы превратить каучук в резину чаще всего используется сера. При смешивании с серой и нагревании до нужной температуры каучук приобретает свойства, за которые очень ценится среди потребителей, – упругость и эластичность. Этот процесс еще называют вулканизацией.
Она бывает:
- Горячей. Предложена Гудиром в 1839 году. Смесь каучука и серы нагревается примерно до 150 градусов Цельсия.
- Холодной. Предложена Парксом в 1846 году. Каучук не нагревается, а обрабатывается с раствором хлорида серы S2C12.
Вулканизацию проводят с целью появления в веществе связей между полимерными группами.
Большинство важных физико-механических свойств материала, прошедшего вулканизацию, зависят от того, из чего состоят, как распределены и сколько энергии содержат связи -С-Sn-С-. Например, при разной концентрации добавляемой серы могут получиться абсолютно различные материалы с отличающимися свойствами.
Сера в сельском хозяйстве и медицине
Сера в чистом виде и в соединениях с другими элементами с успехом применяется для сельскохозяйственных целей. Она также значима для растений, как фосфор. Удобрения, имеющие в своем составе серу, положительно влияют и на качество собранного урожая, и на его количество.
Опытным путем ученые выявили влияние серы на устойчивость злаков к морозам. Она провоцирует образование органических веществ, которые содержит сульфгидрильные группы-S-Н. Благодаря этому повышается морозостойкость растения за счет гидрофильности белков и изменения внутренней структуры. Еще одним способом использовать серу для сельскохозяйственных нужд является ее применение в предотвращении болезней, в основном хлопчатника и винограда.
Для медицинских целей может быть использована и чистая сера, а также ее соединения с другими элементами. Основа для многих мазей, которые используются для лечения разных грибковых заболеваний кожи – это мелкодисперсная сера. Большинство препаратов сульфамидной группы – это ничто иное, как соединения разных веществ с серой: сульфадимезин, норсульфазол, белый стрептоцид.
Сегодня объем добычи серы превышает необходимое количество сырья для промышленности. Ее добывают не только из глубины земли, но и из газов или при очищении топлива. В связи с этим придумываются новые способы применения вещества, например, в строительстве. Так, в Канаде изобрели пенопласт из серы, который планируется использовать при укладке дорог и для прокладывания трубопровода за пределами полярного круга. А в Монреале был построен первый в мире дом из необычных по составу блоков, которые на треть состоят из серы (остальное песок). Для изготовления таких блоков используют металлические формы, в которых нагревают смесь до температуры больше 100 градусов Цельсия. Они такие же прочные и устойчивые к износу, как их цементные аналоги. Избежать окисления поможет простая обработка синтетическим лаком. Из таких блоков можно построить гараж или склад, магазин или дом.
Сегодня все чаще можно встретить информацию о появлении новых стройматериалов, которые содержат серу. Ни для кого уже не секрет, что при использовании серы получается асфальтовое покрытие, обладающее отличными свойствами. Оно может сравниться с покрытием из гравия и даже превзойти его. Достаточно выгодно использовать его при строительстве автострады. Для получения такого состава необходимо смешать одну часть асфальта, две части серы и 13 частей песка.
Потребность в данном сырье растет. Продажи серы в долгосрочной перспективе будут только увеличиваться.
Загрузка...
