Сера и ее кислородсодержащие соединения. Свойства и получение

Оглавление

Сера 3

Химические  свойства 3

Физические  свойства 4

Кислородные соединения SO₂ 4

Строение анионов SO₃^2– и HSO₃^– 4

   SO₃ – кислотный оксид 5

    Серная кислота H₂SO₄ 5

Методы очистки  воды от серосодержащих примесей. 6

Полимеры 7

Методы получения полимеров 7

Строение полимеров 10

Свойства полимеров 12

Применение полимеров  в энергетике 14

   Список литературы  16

   

 

 

 

Сера

 

Се́ра — элемент шестой группы третьего периода главной подгруппы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 16. Проявляет неметаллические свойства. Обозначается символом S (лат. Sulfur). В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов, образует многие кислоты и соли. Многие серосодержащие соли малорастворимы в воде.

Сера является шестнадцатым по химической распространенности элементом  в земной коре. Встречается в свободном (самородном) состоянии и связанном  виде.

Важнейшие природное соединение серы FeS2 — железный колчедан, пирит (Пирит является сырьём для получения серной кислоты, серы и железного купороса, но последнее время редко используется для этих целей. В последнее время всё чаще применяется в качестве корректирующей добавки при производстве цементов.), ZnS — цинковая обманка, сфалерит ( Из сфалерита выплавляют металлический Zn. Попутно извлекают примеси: Cd, In, Ga. Сфалерит используют в лакокрасочном производстве для изготовления цинковых белил.), PbS — свинцовый блеск, галенит (Применяют в керамической промышленности, используют для получения защитных пленок, полупроводниковых, новых современных наноматериалов), HgS — киноварь (Киноварь с древности применялась в качестве красной краски, как источник для получения ртути и как единственное существовавшее до изобретения антибиотиков надёжное (хотя и небезопасное) болеутоляющее. Как незаменимый ярко-алый минеральный пигмент киноварь применяли уже в Древнем Египте, в ранней Византии. Повсеместно с тех пор, как и в наши дни, натуральная киноварь широко используется в канонической иконописи.) 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.

Химические свойства

При комнатной температуре  сера реагирует со фтором, хлором и концентрированными кислотами-окислителями (HNO₃, H₂SO₄), проявляя восстановительные свойства: 
S + 3F₂ = SF₆ 
S + C_l2 = SC_l2 
S + 6HNO₃(конц.) = H₂SO₄ + 6NO₂ ↑ + 2H₂O 
S + 2H₂SO₄(конц.) = 3SO₂ ↑ + 2H₂O

На воздухе сера горит, образуя сернистый ангидрид —  бесцветный газ с резким запахом: 
S + O₂ = SO₂

При взаимодействии с металлами  образует сульфиды.

При нагревании сера реагирует  с углеродом, кремнием, фосфором, водородом: 
C + 2S = CS₂ (сероуглерод)

Сера при нагревании растворяется в щелочах — реакция диспропорционирования 
3S + 6KOH = K₂SO₃ + 2K₂S + 3H₂O

 

Физические свойства

Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые гомоцепи. Наиболее стабильны циклические молекулы S₈, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Кристаллическая сера — хрупкое вещество желтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S₄, S₆) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета. Формулу пластической серы чаще всего записывают просто S, так как она имеет атомарную структуру, а не молекулярную. В воде сера нерастворима, некоторые её модификации растворяются в органических растворителях, например сероуглероде.                                          

 

Кислородные соединения. SO₂

Окси́д се́ры (IV) (диокси́д се́ры, се́рнистый газ, се́рнистый ангидри́д) — SO₂. В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). Под давлением сжижается при комнатной температуре. Растворяется в воде с образованием нестойкой сернистой кислоты.

Получение в промышленности обжиг пирита:

4FeS₂ + 11 O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

В лаборатории можно получить действием концентрированной серной кислоты на малоактивные металлы при нагревании:

 

2H₂SO_{4 (конц.)} + Cu → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O

 

Большая часть оксида серы (IV) используется для производства серной кислоты. Используется также в слабоалкогольных напитках в качестве консерванта. Так  как этот газ убивает микроорганизмы, им окуривают овощехранилища и склады. Оксид серы (IV) используется для отбеливания  соломы, шелка и шерсти, т. е. материалов, которые нельзя отбеливать хлором. Применяется он также и в качестве растворителя в лабораториях. При  таковом его применении следует  помнить о возможном содержании в SO₂примесей в виде H₂O и SO₃. Оксид серы (IV) применяется также для получения различных солей сернистой кислоты. SO₂ токсичен. Симптомы при отравлении сернистым газом — насморк, кашель, охриплость, першение в горле. При вдыхании сернистого газа более высокой концентрации — удушье, расстройство речи, затруднение глотания, рвота, возможен острый отёк лёгких.

Строение анионов  SO₃^2– и HSO₃^–

При растворении диоксида серы в воде образуется слабая сернистая  кислота, основная масса растворенного SO₂ находится в виде гидратированной формы SO₂·H₂O, при охлаждении также выделяется кристаллогидрат, лишь небольшая часть молекул сернистой кислоты диссоциирует на сульфит- и гидросульфит-ионы. В свободном состоянии кислота не выделена.

Будучи двухосновной, образует два типа солей: средние – сульфиты и кислые – гидросульфиты. В воде растворяются лишь сульфиты щелочных металлов и гидросульфиты щелочных и щелочно-земельных металлов.

Сульфит-ион имеет строение тригональной пирамиды с атомом серы в вершине. Гибридизация серы sp³. На атоме серы имеется неподеленная электронная пара.

Гидросульфит-ион существует в виде двух изомерных форм. В  изомере I атом водорода связан с атомом серы, а в изомере II – с атомом кислорода. При температуре 20 °С доля второй формы составляет 20 %

SO₃ – кислотный оксид

Окси́д се́ры (VI) (се́рный ангидри́д, трео́кись се́ры, се́рный га́з) SO₃ — высший оксид серы, тип химической связи: ковалентная полярная химическая связь. В обычных условиях легколетучая бесцветная жидкость с удушающим запахом. При температурах ниже 16,9 °C застывает с образованием смеси различных кристаллических модификаций твёрдого SO_3.

Получают, окисляя оксид серы (IV) кислородом воздуха при нагревании, в присутствии катализатора:

2SO₂ + O₂ → 2SO₃ + Q

Серный ангидрид используют в основном в производстве серной кислоты.

SO₃ + H₂O = H₂SO₄;                  В промышленности:

DH° = –130 кДж/моль             SO₃ + H₂SO₄ =  H₂S₂O₇ (дисерная кислота, олеум)

 

Серная кислота  H₂SO₄

Се́рная кислота́ H₂SO₄ — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях концентрированная серная кислота — тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO₃.

Серная кислота — довольно сильный окислитель, особенно при нагревании и в концентрированном виде; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов, углерод до CO₂, S — до SO₂, окисляет многие металлы (Cu, Hg и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO₂, а c наиболее сильными восстановителями — до S и H₂S. Концентрированная H₂SO₄частично восстанавливается водородом, из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H₂SO₄ взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода с его выделением. Окислительные свойства для разбавленной H₂SO₄ нехарактерны.

H₂SO₄ в водной среде:

В разбавленном водном растворе H₂SO₄ – сильная двухосновная кислота:

H₂SO₄ + 2H₂O = SO₄^2- + 2H₃O⁺

 В водных растворах  солей-гидросульфатов   рН < 7 (протолиз иона HSO₄^-):

NaHSO₄ = Na⁺ + HSO₄^-,

HSO₄^- + H₂O = SO₄^2- + H₃O⁺

 

 

Серную кислоту применяют:

• в производстве минеральных удобрений;
• как электролит в свинцовых аккумуляторах;
• для получения различных минеральных кислот и солей;
• в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ;
• в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;
• в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513(эмульгатор);
• в промышленном органическом синтезе в реакциях:

 

Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель.

Методы очистки  воды от серосодержащих примесей

Сернисто-щелочные стоки  являются побочным продуктом деятельности нефтеперерабатывающих заводов  и образуются в результате обработки  и очищения нефтепродуктов. Сернисто-щелочные стоки по составу сильно отличаются от нефтесодержащих жидких отходов  и требуют организации отдельных  очистительных модулей. В настоящее  время существуют несколько способов очистки стоков от серы - физические (термическая обработка, аэрация) и  химические (обработка хлором, перекисью  водорода, кислородом). Неоднократно проводились  эксперименты по обработке сероводородных жидкостей гидроокисью железа. Эти  эксперименты увенчались определенными  успехами, но широкого применения не нашли  в силу высокой цены реагента.

Аэрация представляет собой  обработку водного потока воздухом, происходит отдувка из воды летучих примесей сероводорода. При этом методе происходит окисление сероводородных соединений или связывание их с молекулами и переход их в менее активную форму в воде, а также окислительно-восстановительные процессы.                          Кроме того, для очистки воды от сероводорода применяют диоксид хлора ClO₂ при малых дозах в интервале рН –" 6,8...8,5 “. Продуктами окисления являются в тиосульфат и сульфат-ионы, а также сера и сульфит-ионы. Окисление сероводорода кислородом воздуха производят только в присутствии катализаторов — соединений переходных металлов и их солей. Хорошо себя зарекомендовали в качестве - катализаторов KMnO₄, FeSO₄ (сульфат железа), активный уголь, графит.

 

 

 

 

 

Полимеры

 

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной  массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.

Отдельную группу составляют также олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное  положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры в  свою очередь подразделяются на природные и синтетические.

 

Методы получения  полимеров

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация – это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). При полимеризации не образуются побочные продукты и соответственно элементный состав макромолекул не отличается от состава молекул мономеров. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: С≡С, С≡N, C=C, C=O, C=N, либо соединения с циклическими группировками, способными раскрываться, например:

 В процессе полимеризации  происходит разрыв кратных связей  или раскрытие циклов у мономеров  и возникновение химических связей  между группами с образованием  макромолекул, например:

 

 

Полимеризация – самопроизвольный экзотермический процесс  (ΔG<0, ΔH<0 ), так как при разрыв двойных связей или циклов с образованием ординарных связей ведет к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий ( инициаторов, катализаторов и т.д) полимеризация протекает обычно медленно. Полимеризация является цепной реакцией. В зависимости от характера активных частиц различают радикальную и ионную полимеризации.                                    

При радикальной полимеризации  процесс инициируется свободными радикалами. Реакция проходит через несколько  стадий: а) инициирование; б)рост цепи; в) передача или обрыв цепи.

А) инициирование – образование  активных центров – радикалов  и макрорадикалов – происходит в  результате теплового, фотохимического, радиационного или других видов  воздействий. Чаще всего инициаторами полимеризации служат пероксиды, азосоединения (имеющие функциональную группу –N=N- ) с ослабленными связями. Первоначально образуются радикалы, например: