Геохимия серы

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт геологии и геоинформатики

Кафедра промысловой геологии

Реферат по дисциплине «Геохимия» на тему:

«Сера».

Выполнила:

СОДЕРЖАНИЕ.

1.      Происхождение серы. Получение серы…………...……………………………2

2.      История открытия элемента……………………………………………………..5

3.      Основные свойства серы………………………………….………..……………6

3.1. Общие сведения…………………………………………………..…………6

3.2. Физические и химические свойства серы………………………………….8

4.      Основные сферы применения серы……………………………………………14

5.      Список литературы……………………………………………………………...12

1. Происхождение серы. Получение серы.

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

Пока нет однозначного ответа на вопрос о том, образовались ли эти вкрапления одновременно с сопутствующими породами или позже. Существует несколько теорий, авторы которых придерживаются противоположных взглядов.

Теория сингенеза (то есть 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 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.

Теория метасоматоза (одна из разновидностей теории эпигенеза) в последние десятилетия находит все новые подтверждения. Согласно ей в недрах постоянно происходит превращение гипса CaSO4-H2O и ангидрида CaSO4 в серу и кальцит СаСО3. Эта теория создана в 1935 году советскими учеными Л. М. Миропольским и Б. П. Кротовым. В ее пользу говорит то, что на месторождении Мишрак (Ирак) сера заключена в карбонатных породах, которые образуют свод, поддерживаемый уходящими вглубь опорами. Опоры 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 ангидриды 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.

В основном серу получают из самородных руд, а так же путем окисления H2S или восстановления SO2. Из руд серу получают 6 способами:

           геотехнологический метод переработки заключается в выплавке элемента, находящегося в недрах Земли, без подъема руды на поверхность (т.е. в серосодержащий пласт подают под давлением по трубам водяной пар и сжатым воздухом расплавленную серу поднимают на поверхность);

           термический метод - серу либо выплавляют из дробленой руды в камерных печах, либо возгоняют во вращающихся печах;

           экстракционный метод состоит в извлечении серы из руд сероуглеродом;

           пароводяной метод - дробленая руда обрабатывается в автоклавах острым паром;

           флотационные методы - обогащение руд и последующее извлечение серы пароводяным методом;

методом флокуляции концентрат поступает а плавильник, оттуда во флокулятор, где к образовавшейся суспензии добавляют коагулянт (высококипящая жидкость, содержащая воду), затем флокулы пустой породы отделяют от жидкой серы.

Так же серу получают из H2S и природных газов следующим методом:

      извлекают H2S из газа щелочными растворами;

      затем перерабатывают десорбированный H2S методом контактного окисления - часть H2S окисляется до SO2 (сгорание);

      далее смесь H2S и SO2 реагирует на слое боксита при 270-300 °С, давая серу и Н2О;

      в процессе сухой очистки газ H2S на фильтре с активированным углем окисляется при 40 °С до серы и Н2О.

Так же серу получают и из SO2. Серу, выплавленную из самородных руд называют природной комовой; полученную из H2S и SO2 - гaзовой комовой; природную комовую, очищенную перегонкой – рафинированной; сконденсированную из паров выше температуры плавления и разлитую из жидкого состояния в формы – черенковой; сконденсированную в твердое состояние -серным цветом. Высокодисперсную серу называют коллоидной.

2. История открытия элемента.

С запахом горящей серы, удушающим действием сернистого газа и отвратительным запахом сероводорода человек познакомился, вероятно, еще в доисторические времена. Сера издавна использовалась человечеством и как лекарственное средство, и как атрибут в мистических ритуалах. Первые упоминания о ее практическом использовании датируются 2000 г. до н. э. Греки и римляне разрабатывали месторождения серы для получения сернистого ангидрида, газа, используемого для отбеливания тканей. Так же порошок из серы использовали при лечении кожных заболеваний и для изготовления косметики. В античном мире считалось, что голубое пламя и специфический запах могут отгонять злых духов; христиане же наоборот, считали  серу свидетельством присутствия злых сил.

Использовалась сера для военных целей. Так,  в 670 году с помощью смеси серы, угля и селитры («греческого огня») защитниками Константинополя был дотла сожжен арабский флот. Входила сера и в состав «черного пороха», использовавшегося в Европе во время войн вплоть до конца XIX века.

Русское название элемента сера вероятно происходит от древне-индийского «сира», что значит светло-желтый.

Элементарную природу серы установил в конце 70-х годов XVIII века французский химик А. Л. Лавуазье и включил её в список неметаллических простых тел (1789). В 1822 Э. Мичерлих обнаружил аллотропию серы.

3. Основные свойства серы.

3.1. Общие сведения.

радиоактивные изотопы 31S (T1/2 = 2,4 сек), 35S (T1/2 = 87,1 cyток), 37S (T1/2 = 5,04 мин). Сера является высокоотрицательным элементом, проявляющим неметаллические свойства.

Цвет - серно-желтый, желто-оранжевый, желто-бурый, серовато-желтый, серовато-бурый.
Блеск - на поверхности излома жирный, на гранях алмазный.
Прозрачность -мутная, просвечивающая, прозрачная.
Черта - серно-желтая, соломенно-желтая.
Твердость - 2.
Плотность 2—2,1.
Излом -раковистый, минерал очень хрупок.
Сингония - ромбическая.
Форма кристаллов - пирамида или притупленная пирамида.
Спайность - несовершенная.

Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3s2 3р4 , наиболее характерные степени окисления - 2, +4, +6; :

Энергии ионизации при последовательном переходе от S0 к S6+ равны соответственно 10,3601, 23,35, 34,8, 47,29, 72,5, 88,0 эВ; сродство к электрону 2,0772 эВ; электроотрицательность по Полингу 2,58; атомный радиус 0,104 нм. Ионные радиусы в нм: S2- 0,170 (6), S4+ 0,051 (6), S6+ 0,026 (4). Сера является 16 по химической распространенности элементом, среднее содержание в земной коре 0,05 % по массе, в воде морей и океанов 0,09%. Основная масса серы в виде сульфидов металлов находится в мантии Земли на глубине 1100-1400 км. Она встречается в свободном и связанном виде.

Сера в обычных условиях имеют различный цвет. Окраска этих веществ обусловлена способностью поглощать какую-то часть спектра белого света. В результате этого они окрашены в какой-нибудь дополнительный (к цвету поглощения лучей) цвет. Дополнительными, или взаимокомпенсирующими, до белого цвета являются следующие пары цветовых сочетаний: красный — голубой, желтый — синий, зеленый — пурпурный и т. д. “Вычитание” какого-либо цвета из белого дает дополнительную окраску вещества. Так, ромбическая сера поглощает синий цвет, поэтому она окрашена в желтый, кристаллический моноклинный селен красного цвета, так как поглощает голубой.

Важнейшие природные соединения серы: FeS2 — железный колчедан или пирит ZnS — цинковая обманка или сфалерит, PbS — свинцовый блеск или галенит, HgS — киноварь, Sb2S3 — антимонт. 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 обуславливает «постоянную» жесткость пресной воды. Жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах. Сера - плохой проводник тепла и электричества.

Главные месторождения самородной серы расположены в США, СНГ, Мексике, Италии, Японии.

3.1. Физические и химические свойства серы.

Сера химически активна и особенно легко при нагревании соединяется почти со всеми элементами, за исключением N2, I2, Au, Pt и инертных газов.

В природных условиях сера существует в виде циклооктасеры S8 , ее кристаллы содержат молекулы в виде короны. Наиболее изучены три модификации серы, из которых самой устойчивой является α-модификация или ромбическая сера:

Она известна своей ярко желтой окраской (ρ = 2,07 г/см3, Тпл = 112,8 °C Ткип = 444,6 °C).Природная сера практически полностью состоит из α-модификации. Эта модификация практически нерастворима в воде, но хорошо растворима в сероуглероде CS2 50,4 г/100г, бензоле C6H6 2,1 г/100г, толуоле 2,06 г/100г и ацетоне 2,5 г/100г (при 25°C), причем растворимость с повышением температуры увеличивается. При температуре 95,6°C ромбическая сера переходит в моноклинную β-модификацию, устойчивую между 95,6 °C и температурой плавления Тпл = 119,3 °C. Она имеет медово – желтую окраску ρ = 1,96 г/см3. Обе эти формы образованы восьмичленными циклическими молекулами S8 с энергией связи S - S 225,7 кДж/моль.

При плавлении сера превращается в подвижную жёлтую жидкость, которая выше 160 °C буреет, а около 190 °C становится вязкой тёмно-коричневой массой. Выше 190°C вязкость уменьшается, а при 300 °C сера вновь становится жидкотекучей. Это обусловлено изменением строения молекул: при 160 °C кольца S8 начинают разрываться, переходя в открытые цепи; дальнейшее нагревание выше 190 °C уменьшает среднюю длину таких цепей.

Если расплавленную серу, нагретую до 250-300 °C, влить тонкой струей в холодную воду, то получается коричнево-жёлтая упругая масса (пластическая сера). Она лишь частично растворяется в сероуглероде, в осадке остаётся рыхлый порошок. Растворимая в CS2 модификация называется γ-S, а нерастворимая μ-S. При комнатной температуре обе эти модификации превращаются в устойчивую хрупкую α-S. В парах при температуре кипения, кроме молекул S8, существуют также S6, S4 и S2. При дальнейшем нагревании крупные молекулы распадаются, и при 900°C остаются лишь S2, которые приблизительно при 1500°C заметно диссоциируют на атомы. При замораживании жидким азотом сильно нагретых паров серы получается устойчивая ниже - 80°C пурпурная модификация, образованная молекулами S2.

Парообразная сера реагирует с углеродом при температуре 800-900 °C, превращаясь в сероуглерод, а при сплавлении с фосфором образует нестехиометрические сульфиды состава PnSx, где х=3-7.

При нагревании сера, взаимодействует с металлами, образует соответствующие сернистые соединения (сульфиды) и многосернистые металлы (полисульфиды). Соединения серы с азотом (N4S4 и N2S5) могут быть получены только косвенным путём.

С концентрированными растворами серной и азотной кислот сера реагирует только при нагревании:

2H2SO4 + S = 3SO2 + 2H2O

6HNO3 + S = H2SO4 + 2H2O + 6NO2

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

Из водородных соединений серы наибольшее значение имеет сероводород (моносульфан) H2S. Это бесцветный ядовитый газ с запахом тухлых яиц. В воде он малорастворим. Растворение физичекое. В незначительной степени в водном растворе происходит протолиз молекул сероводорода и в еще меньшей степени – образующихся при этом гидросульфид-ионов. Тем не менее, раствор сероводорода в воде называют сероводородной кислотой (или сероводородной водой). На воздухе сероводород сгорает:

2H2S + 3O2 = 2H2O + SO2 (при избытке кислорода).

Кроме сероводорода, сера образует и другие сульфаны H2Sn, например, дисульфан H2S2, аналогичный по строению пероксиду водорода. Это тоже очень слабая кислота; ее солью является пирит FeS2.

В соответствии с валентными возможностями своих атомов сера образует два оксида: SO2 и SO3. Диоксид серы (тривиальное название – сернистый газ) – бесцветный газ с резким запахом, вызывающим кашель. Триоксид серы (старое название – серный ангидрид) – твердое крайне гигроскопичное немолекулярное вещество, при нагревании переходящее в молекулярное. Оба оксида кислотные. При реакции с водой образуют соответственно сернистую и серную кислоты.
В разбавленных растворах серная кислота – типичная сильная кислота со всеми характерными для них свойствами. Чистая серная кислота, а также ее концентрированные растворы – очень сильные окислители, причем атомами-окислителями здесь являются не атомы водорода, а атомы серы, переходящие из степени окисления +VI в степень окисления +IV. В результате при ОВР с концентрированной серной кислотой обычно образуется диоксид серы, например:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2H2O;

2KBr + 3H2SO4 = 2KHSO4 + Br2 + SO2 + 2H2O.

Таким образом, с концентрированной серной кислотой реагируют даже металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода (Cu, Ag, Hg). Вместе с тем с концентрированной серной кислотой не реагируют некоторые довольно активные металлы (Fe, Cr, Al и др.), это связано с тем, что на поверхности таких металлов под действием серной кислоты образуется плотная защитная пленка, препятствующая дальнейшему окислению. Это явление называется пассивацией.
Будучи двухосновной кислотой, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Кислые соли выделены только для щелочных элементов и аммония, существование других кислых солей вызывает сомнение.
Большинство средних сульфатов растворимо в воде и, так как сульфат-ион практически не является анионным основанием, не подвергаются гидролизу по аниону.
Качественной реакцией на сульфат-ион является осаждение исследуемым раствором сульфата бария из подкисленного соляной кислотой раствора хлорида бария.

4. Основные сферы применения серы.

Сера и ее соединения являются необходимым компонентом при производстве 88 из 150 важнейших химических продуктов. Около 50% производимой серы используется для производства H2SO4, около 25%-для получения сульфитов, 10-15%-для борьбы с вредителями сельско-хозяйственных культур, 10%-в резиновой промышленности (как вулканизующий агент). Также ее применяют в производстве красителей, искусственных волокон, люминофоров, сульфидов. Сера входит в состав головок спичек, мазей для лечения кожных заболеваний. Небольшие добавки серы улучшают обрабатываемость автоматных сталей и антифрикционные свойства спеченных антифрикционных материалов.

В 70-е годы прошлого века производство серы превысило потребности в ней, поэтому стали искать новые возможности применения, особенно в строительстве. Так появился серный пенопласт – уникальный теплоизоляционный материал; бетонные смеси нового поколения; а так же покрытия для автострад, содержащие элементарную серу.

Соединения серы по отрицательному воздействию на окружающую среду занимают одно из первых мест среди загрязняющих веществ. Основной источник загрязнения соединениями серы - сжигание угля и нефтепродуктов. 96% серы поступает в атмосферу в виде SO2, остальное количество приходится на сульфаты, H2S, CS2, COS и др. В виде пыли элементная сера раздражает органы дыхания, слизистые оболочки, может вызывать экземы и др. Предельно допустимая концентрация воздухе 0,07 мг/м3 (аэрозоль, класс опасности 4).

В сельском хозяйстве сера применяется как в элементарном виде, так и в виде соединений. Установлено, что потребность растений в этом элементе немногим меньше фосфора. Серные удобрения влияют не только на количество, но и качество урожая. Опытами доказано, что серные удобрения влияют на морозостойкость злаков. Они способствуют образованию органических веществ, содержащих сульфогидрильные группы-S-Н. Это приводит к изменению внутренней структуры белков, их гидрофильности, что повышает морозостойкость растений в целом. Применяют серу в сельском хозяйстве и для борьбы с болезнями растений, главным образом винограда и хлопчатника.

В медицине используется как элементарная сера, так и ее соединения. Например, мелкодисперсная сера—основа мазей, необходимых для лечения различных грибковых заболеваний кожи.

5. Список литературы.

1. Курс общей химии / под ред. Н.В.Коровина. – М.: Высшая школа, 1981.
2. Фролов В.В. Химия. – М.: Высшая школа, 1979.
3. Харин А.Н., Катаева Н.А., Харина Л.Т. Курс химии. – М.: Высшая школа, 1983.

4. Глинка Н.А. Общая химия. – М.: Химия, 1983.

5. Сауков А.А. Геохимия.-М.: Наука, 1975.