Страница 39 из 83
Ученые прошлого не зря приписывали сере различные чудодейственные свойства; она обладает интересными химическими и физическими особенностями.
Химия немногих элементов столь же «богата», как химия серы. Сера — образец классического неметалла, и расположение ее в периодической таблице таково, что и положительная и отрицательная валентность серы выступают с одинаковым успехом.
Сера легко принимает на внешнюю оболочку два электрона. Она становится отрицательно двухвалентной, и в такой форме входит в молекулу сероводорода H2S. Основные положительные валентности серы: 4+ и 6+. Например, в двуокиси серы, или сернистом ангидриде SO2, сера положительно четырехвалентна, а в трехокиси, или серном ангидриде SO3, — шестивалентна. Соединяясь с водой, эти окислы дают соответственно сернистую и серную кислоты: H2SO3 и H2SO4. Структурные их формулы имеют знакомые каждому школьнику начертания:
Если в формуле серной кислоты заменить один из атомов кислорода атомом серы, то получается весьма любопытное соединение — тиосерная кислота, H2S2O6, или
В ней один атом серы положительно шестивалентен, другой — отрицательно двухвалентен. Тиосерная кислота — довольно редкий пример неорганического соединения, где два атома одного и того же соединения имеют различные валентности. В отличие от серной кислоты сернистая и тиосерная в свободном виде не существуют.
Наконец, для серы известна обширная серия так называемых политионовых кислот. Они образуются при взаимодействии сернистого ангидрида и сероводорода в присутствии больших количеств воды. Общая их формула записывается в виде H2SxO6. Индекс x может принимать значение от 3 до 6.
По многообразию неорганических соединений сера занимает одно из первых мест.
Сера очень охотно соединяется почти со всеми элементами таблицы Менделеева. Лишь инертные газы, благородные металлы, азот и йод противостоят ее «натиску». Очень многие металлы залегают в земной коре в виде соответствующих сернокислых или сернистых соединений. Вспомним, к слову говоря, мирабилит, гипс или многочисленные и разнообразные колчеданы. Каждому из вас, наверное, знаком простейший школьный опыт: при растирании железных опилок с порошком серы в фарфоровой ступке и легком нагревании начинается бурная реакция.
Даже опытному химику не всегда удается сразу разобраться в многообразии и особенностях соединений серы.
Но с этим элементом связано и немало любопытных фактов, которые следует отнести уже к физическим свойствам.
Расплавим кусок серы. Прежде всего мы наблюдаем заметное увеличение объема. Оно составляет почти 15 процентов. Будем нагревать дальше получившуюся желтую легкоподвижную жидкость. При температуре около 200 градусов она становится вдруг темной и очень вязкой массой. Повысим температуру еще до 200 градусов — и снова наблюдаем легкоподвижную жидкость.
Как объяснить такие переходы свойств? В обычных условиях молекула серы имеет вид своеобразного кольца, связывающего восемь атомов элемента. При нагревании кольца постепенно разрываются и образуются открытые восьмиатомные цепи; благодаря этому повышается вязкость. Более высокая температура приводит уже к тому, что начинают дробиться сами цепи, и вязкость снова уменьшается. В парах серы содержится целый набор различных молекул — S8, S6, S2. Получить индивидуальные атомы серы оказывается весьма трудным делом; для этого нужна очень высокая температура, превосходящая полторы тысячи градусов.
Сера известна в виде нескольких аллотропических модификаций. Наиболее устойчива так называемая ромбическая модификация, при нормальном давлении она сохраняется до температуры 95 градусов. Когда температура становится выше, атомы серы меняют свое расположение в кристаллической решетке, происходит перестройка, и образуется сера моноклиническая.
Ромбическая сера обладает ярко-желтой окраской. Она образует прозрачные кристаллы, представляющие собой октаэдры.
Иной вид имеет темно-желтая моноклиническая сера. Это длинные игольчатые кристаллы призматической формы. Интересно наблюдать, как при постепенном понижении температуры моноклиническая сера все больше и больше светлеет, а ее длинные призмы распадаются на множество мелких кристаллов ромбической системы. Все существующие аллотропические модификации серы обладают одной общей тенденцией: превращаться в наиболее устойчивую кристаллическую форму — ромбическую, в виде которой сера и встречается в природе.
Сера легко плавится и горит на воздухе: недаром в Сицилии из-за недостатка других видов топлива пользовались серой. Добыча серы как раз и основана на ее легкоплавкости.
В древности выплавка серы была примитивной. Большой глиняный горшок с отверстиями в дне заполняли породой, содержащей серу. Этот горшок ставили на другой, вкопанный в землю. Нехитрый «аппарат» нагревали. Сера плавилась и стекала из отверстий в нижний горшок.
Шли века, и способы выплавки серы все более совершенствовались. В зависимости от видов серных месторождений, а также от примесей, которые обычно сопутствуют сере, человек находил самые различные способы ее добычи.
Италия дала миру опыт выплавки самородной серы, которая лежала обычно на небольшой глубине. Но то, что было возможным на каменистых, выжженных солнцем плоскогорьях Сицилии, оказалось неприемлемым для других стран.
В отличие от сицилийских месторождений американская сера лежит очень глубоко под землей. Добывать ее с помощью шахт было невозможно из-за большой рыхлости почв.
Американский инженер Фраш предложил оригинальное решение. Через систему вложенных друг в друга труб под землю нагнетали перегретые пары воды, которые расплавляли серу и выталкивали ее на поверхность. Так в прошлом веке на небольшом полуострове Флорида забил фонтан чистой расплавленной серы.
В отличие от американских месторождений каракумская сера содержит значительные примеси кварцевого песка; поэтому все известные способы были в данном случае неприемлемыми. Советский инженер Волков нашел выход из положения. Он соорудил простой аппарат, чем-то напоминающий обычный самовар. Этот сосуд заполняли размельченной рудой, которую смешивали с водой и начинали кипятить. Расплавленная сера собиралась внизу и выливалась из «самовара» ровной и чистой струей. В заводских условиях этот способ был усовершенствован. «Самовар» заменили герметически закрывающимся котлом-автоклавом.
Такими способами получается почти стопроцентно чистая сера с ничтожной примесью золы и совсем микроскопическими следами мышьяка и селена. Но первичный продукт — комовая сера, «почти чистая» — еще нуждается в очистке. Для этого используют метод перегонки. В особых камерах серу расплавляют. Твердые частицы опускаются на дно камеры, а жидкая сера поступает в особые чугунные реторты, в которых доводится до кипения. В зависимости от того, как происходила конденсация серы из паров, получается или так называемый серный цвет, или черенковая сера.
Такая рафинированная сера находит широкое применение в жизни человека.
…С трудом добывали огонь первобытные люди. По картинкам в учебниках истории мы представляем себе закутанного в шкуры человека, который высекает искры, ударяя кремнем по камню.
С этим камнем были хорошо знакомы и древние греки. За ярко-желтый цвет, а может быть, за способность под ударом кремня испускать сноп искр они называли его пиритом, что означает огонь.