"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Сера — химический элемент и простое вещество с формулой S, известное жёлтыми кристаллами и несколькими аллотропными формами. При обычной температуре устойчивее всего ромбическая сера, а нагревание и быстрое охлаждение меняют строение и внешний вид вещества. Сера реагирует с металлами, водородом и кислородом, образуя сульфиды, сероводород и диоксид серы. Эти свойства позволяют применять её при вулканизации каучука, изготовлении спичек, получении серной кислоты и некоторых сельскохозяйственных средств.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сера — химический элемент с символом S и простое вещество, образованное его атомами. В периодической системе она находится в 16-й группе, третьем периоде; это неметалл. При обычных условиях сера — твёрдое жёлтое вещество, хрупкое и практически нерастворимое в воде. Эти признаки помогают отличить её от многих других простых веществ и понять, почему для работы с ней важны не только химические, но и физические свойства.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Такие вещества состоят из атомов одного элемента, но отличаются строением, а значит, могут отличаться свойствами. У серы известны ромбическая, моноклинная и пластическая формы. Это понятие объясняет, почему один и тот же элемент может выглядеть по-разному и по-разному вести себя при изменении температуры.
Ромбическая сера — жёлтые кристаллы, устойчивые при обычной температуре. В воде они практически не растворяются, но растворяются в некоторых органических растворителях. При нагревании ромбическая форма переходит в моноклинную. Знание её устойчивости позволяет предсказать, какая форма получится после охлаждения вещества до комнатной температуры.
Моноклинная сера состоит из игольчатых кристаллов и устойчива при повышенной температуре, а пластическая сера представляет собой тёмную эластичную массу. Последняя возникает, если расплав быстро охладить, например вылить в холодную воду. Со временем пластическая сера становится хрупкой и переходит в более устойчивую форму. Эти различия показывают, что агрегатное состояние и внешний вид серы зависят от условий её получения.
У атома серы шесть электронов на внешнем энергетическом уровне, и в простом веществе атомы обычно объединяются в кольцевые молекулы S₈. Молекулы располагаются в твёрдом кристалле, поэтому при обычных условиях сера не газ, а хрупкое твёрдое вещество. Жёлтый цвет связан с тем, как вещество поглощает и отражает видимый свет; его нельзя объяснить только тем, что сера является неметаллом. Различное расположение молекул в кристаллах помогает существовать нескольким аллотропным формам.
При нагревании ромбической серы увеличивается подвижность частиц, и при переходе через определённую температуру устойчивее становится моноклинное строение. Поэтому ромбические кристаллы превращаются в игольчатые. Если серу расплавить, а затем резко охладить, молекулам не хватает времени выстроиться в обычный кристалл: возникает пластическая масса. При комнатной температуре она неустойчива и постепенно превращается в ромбическую серу, тогда как нагретое состояние благоприятствует моноклинной форме.
С металлами сера при нагревании образует сульфиды — соединения серы с металлом. Например, Fe + S → FeS: железо отдаёт электроны, его степень окисления меняется от 0 до +2, а сера принимает электроны и меняет степень окисления от 0 до −2. В реакции 2Na + S → Na₂S два атома натрия отдают по одному электрону, а атом серы принимает два. Условия нагревания помогают начать реакцию, а состав формулы продукта определяется соотношением зарядов ионов.
При нагревании сера может соединяться с водородом с образованием сероводорода: H₂ + S → H₂S. Это газообразное соединение, а не аллотропная форма серы; реакция требует подходящих условий и протекает не так легко, как горение. В кислороде сера горит с образованием диоксида серы: S + O₂ → SO₂. При горении выделяется тепло, а наблюдаемыми признаками служат голубое пламя и появление газа с резким запахом.
Применения серы связаны с её способностью реагировать и образовывать соединения. При вулканизации она создаёт связи между частицами каучука, поэтому материал становится прочнее и сохраняет эластичность. Большую часть серы используют для получения серной кислоты, важной для химического производства. Сера также входит в состав спичечных составов и некоторых средств для защиты растений и почвы; применение зависит от конкретного вещества и соблюдения правил безопасности.
| Объект или реакция | Условия | Наблюдаемые признаки | Продукт или применение |
|---|---|---|---|
| Ромбическая сера | Обычная температура | Жёлтые хрупкие кристаллы | Устойчивая форма при комнатной температуре |
| Моноклинная сера | Повышенная температура | Игольчатые кристаллы | При охлаждении переходит в ромбическую |
| Пластическая сера | Быстрое охлаждение расплава | Тёмная эластичная масса | Неустойчивая форма серы |
| Взаимодействие с металлами | Обычно нагревание | Металл реагирует с серой | Сульфиды, например FeS и Na₂S |
| Взаимодействие с водородом | Нагревание, подходящие условия | Образуется газ | Сероводород H₂S |
| Горение в кислороде | Поджигание | Голубое пламя, резкий запах газа | Диоксид серы SO₂ |
Сначала сравни условия: температура помогает определить, какая аллотропная форма устойчива или образуется. Затем сопоставь наблюдаемые признаки с продуктом реакции, не смешивая физический переход серы с химическим превращением. Таблица подходит и для проверки: например, при горении нужно назвать именно SO₂.
Задача 1. Запишите уравнение реакции железа с серой и укажите формулу продукта. Нужно учесть, что в сульфиде железа(II) железо имеет заряд +2, а сера — −2, поэтому их атомы соединяются в отношении 1:1. Это сразу подсказывает формулу FeS. Проверим, что число атомов каждого элемента в уравнении совпадает.
Ответ: Fe + S → FeS, образуется сульфид железа(II). При нагревании реагенты вступают в реакцию и образуют твёрдое соединение. Формула Fe₂S была бы неверной: она не уравнивает заряды и не соответствует известному сульфиду железа(II).
Задача 2. При нагревании серы в кислороде образуется газ. Запишите уравнение реакции и назовите продукт. Горение — это реакция вещества с кислородом, а для серы при непосредственном горении продуктом является диоксид серы. Индекс 2 в формуле означает два атома кислорода на один атом серы.
Ответ: S + O₂ → SO₂, образуется диоксид серы. Не следует записывать SO₃: триоксид серы не является непосредственным продуктом горения серы в кислороде. Внешне реакцию можно узнать по голубому пламени и образованию газа.
Задача 3. Рассчитайте массу серы, необходимую для полного взаимодействия с 11,2 г железа по уравнению Fe + S → FeS. Из уравнения видно, что один моль железа реагирует с одним молем серы. Сначала найдём количество железа, затем по этому соотношению — количество серы, а после вычислим её массу.
Ответ: для полного взаимодействия потребуется 6,4 г серы. Сверка коэффициентов в уравнении подтверждает соотношение веществ 1:1. Если в задаче потребовалось бы найти массу продукта, следовало бы отдельно рассчитать количество FeS по тому же уравнению.
Ошибочно считать ромбическую, моноклинную и пластическую серу разными химическими элементами. Так думают из-за заметных отличий во внешнем виде, однако во всех формах присутствует один и тот же элемент S. Проверь себя вопросом: меняется ли химический элемент при переходе между формами? Если меняется только строение простого вещества, речь идёт об аллотропии.
Моноклинную серу иногда называют самой устойчивой, потому что она образуется при нагревании и выглядит как отдельные кристаллы. Но повышение температуры меняет условия устойчивости: при комнатной температуре устойчивее ромбическая форма. Проверка простая — уточнить температуру, при которой сравнивают формы, и не переносить вывод о нагретом состоянии на обычные условия.
При горении серы могут записать SO₃ вместо SO₂, смешивая непосредственный продукт горения с другими оксидами серы. В кислороде сера непосредственно образует диоксид серы: S + O₂ → SO₂. Чтобы проверить запись, пересчитай атомы кислорода и вспомни, какой продукт указан для горения; SO₃ не следует подставлять вместо него.
Формулу сульфида нельзя составлять наугад: например, Fe₂S нарушает соотношение зарядов железа(II) и серы. Сначала укажи заряды ионов Fe²⁺ и S²⁻, затем подбери индексы так, чтобы суммарный заряд соединения стал равен нулю. Для этих ионов получается FeS, а проверка числа атомов в уравнении подтверждает коэффициенты.
Для изучения серы нужны знания о строении атома, химическом элементе и простом веществе: они помогают отличать атомы от образованных ими молекул. Аллотропия уже встречалась на примере углерода и кислорода, поэтому формы серы удобно сравнивать с их простыми веществами. Далее свойства серы пригодятся при изучении сероводорода, оксидов серы и производства серной кислоты. Представления о её реакциях объясняют вулканизацию каучука и применение серосодержащих веществ в промышленности и сельском хозяйстве.
Почему у серы несколько аллотропных форм?
Атомы одного химического элемента могут соединяться и располагаться по-разному, поэтому образуются простые вещества с различным строением. У серы обычные молекулы состоят из восьми атомов, но кристаллическое строение и устойчивость её форм различаются.
Какая форма серы устойчива при комнатной температуре?
При комнатной температуре наиболее устойчива ромбическая сера. Моноклинная форма при охлаждении постепенно переходит в ромбическую.
Что происходит с серой при нагревании и последующем быстром охлаждении?
При нагревании ромбическая сера переходит в моноклинную, устойчивую при более высокой температуре. Если расплавленную серу быстро охладить, получается тёмная эластичная пластическая сера.
Какой продукт образуется при горении серы в кислороде?
При горении серы в кислороде непосредственно образуется диоксид серы SO₂. Реакция записывается так: S + O₂ → SO₂.
Почему серу используют при вулканизации каучука?
При вулканизации сера образует связи между частицами каучука. Благодаря этому материал становится прочнее, эластичнее и устойчивее к нагреванию.
§ 18. Свойства и применение серы
