Сера расположена в VIа группе Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
На внешнем энергетическом уровне серы содержится 6 электронов, которые имеют 3s 2 3p 4 . В соединениях с металлами и водородом сера проявляет отрицательную степень окисления элементов -2, в соединениях с кислородом и другими активными неметаллами – положительные +2, +4, +6. Сера – типичный неметалл, в зависимости от типа превращения может быть окислителем и восстановителем.

Нахождение серы в природе

Сера встречается в свободном (самородном) состоянии и связанном виде.

Важнейшие природные соединения серы:

FeS 2 - железный колчедан или пирит,

ZnS - цинковая обманка или сфалерит (вюрцит),

PbS - свинцовый блеск или галенит,

HgS - киноварь,

Sb 2 S 3 - антимонит.

Кроме того, сера присутствует в нефти, природном угле, природных газах, в природных водах (в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды). Жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.

Аллотропные модификации серы

Аллотропия — это способность одного и того же элемента существовать в разных молекулярных формах (молекулы содержат разное количество атомов одного и того же элемента, например, О 2 и О 3 , S 2 и S 8 , Р 2 и Р 4 и т.д).

Сера отличается способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны S 8 , образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера - хрупкое вещество жёлтого цвета.

Открытые цепи имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую).

1) ромбическая — S 8

t°пл. = 113°C; r = 2,07 г/см 3

Наиболее устойчивая модификация.

2) моноклинная — темно-желтые иглы

t°пл. = 119°C; r = 1,96 г/см 3

Устойчивая при температуре более 96°С; при обычных условиях превращается в ромбическую.

3) пластическая — коричневая резиноподобная (аморфная) масса

Неустойчива, при затвердевании превращается в ромбическую

Получение серы

1. Промышленный метод — выплавление из руды с помощью водяного пара.
2. Неполное окисление сероводорода (при недостатке кислорода):

2H 2 S + O 2 → 2S + 2H 2 O

1. Реакция Вакенродера:

2H 2 S + SO 2 → 3S + 2H 2 O

Химические свойства серы

Окислительные свойства серы
(S 0 + 2ē → S -2 )

1) Сера реагирует со щелочными без нагревания:

S + O 2 – t° → S +4 O 2

2S + 3O 2 – t °; pt → 2S +6 O 3

4) (кроме йода):

S + Cl 2 → S +2 Cl 2

S + 3F 2 → SF 6

Со сложными веществами:

5) c кислотами — окислителями:

S + 2H 2 SO 4 (конц) → 3S +4 O 2 + 2H 2 O

S + 6HNO 3 (конц) → H 2 S +6 O 4 + 6NO 2 + 2H 2 O

Реакции диспропорционирования:

6) 3S 0 + 6KOH → K 2 S +4 O 3 + 2K 2 S -2 + 3H 2 O

7) сера растворяется в концентрированном растворе сульфита натрия:

S 0 + Na 2 S +4 O 3 → Na 2 S 2 O 3 тиосульфат натрия

Сера и ее соединения относятся к наиболее важным классам пестицидов.
Сера - твердое вещество желтого цвета. Существуют кристаллические и аморфные разновидности. Сера не растворяется в воде, хорошо растворяется в сероуглероде, анилине, феноле, бензоле, бензине, плохо - в спирте, хлороформе. При повышенной температуре вступает в соединение с кислородом, металлами и многими неметаллами. Выпускается в форме 80-90% смачивающего порошка, 70-75% коллоидной серы, а также серы молотой.
Сера молотая не растворяется в воде и плохо ею смачивается.
Сера коллоидная хорошо смачивается водой, при встряхивании или взбалтывании создает стойкие мутные суспензии. Слабо и медленно испаряется.
Выпускается и транспортируется в металлических и деревянных бочках; а также в бумажных мешках, обработанных водонепроницаемым веществом. При хранении в неплотной таре коллоидная сера высыхает, превращаясь в комья, очень плохо потом смешивается с водой.
В животноводстве сера коллоидная применяется для борьбы с псороптозом крупного рогатого скота способом опрыскивания животных 3% водной суспензией с расходом 3-4 литра на животное, двухкратно, с интервалом 7-10 дней.
Сера малотоксична. Острые отравления при работе с ней исключаются. Однако при длительном вдыхании могут быть заболевания дыхательных путей.
Сера черенковая - расплавленная сера, превращенная в цилиндрическую форму. Горит. При сгорании 1,4 г получается 1 л сернистого ангидрида. Противопаразитарное действие серы обусловлено образованием сернистого ангидоида, сероводорода, кислорода, при наличии влаги, щелочей и органических соединений. В концентрациях 5-8% сера оказывает размягчающее, кератопластическое, противовоспалительное действие и слабое противочесоточное, а в высоких концентрациях, вследствие образования серной и сернистой кислот, развиваются раздражающее, подсушивающее и кератолитическое действие. Применяют серу черенковую для лечения животных, больных чесоткой, трихофитией, микроспорией, фурункулезом, себореей, экземой, дерматитами в форме 10-30% мази очищенной серы или 5-10 и 20% мази осажденной серы, а также в форме линиментов, дустов.
Для лечения чесотки применяют мазь серную (серы 6 частей, мыла зеленого - 8, калия карбоната - 1 и вазелина - 10 частей).
Сера очищенная - сера, свободная от всех примесей, выпускается в порошке в тщательно закрытой таре. Сера очищенная обладает противопаразитарным, антидотным действием при многих отравлениях. Применяется во всех случаях, что и сера черенковая.
Сера осажденная - очищенная от многих примесей. Горит. При сгорании образуется ангидрид сернистый, обладающий противопаразитарным и инсектицидным действием. Фармакодинамика и механизм действия те же, что и у черенковой серы. Выпускается в виде порошка, в хорошо закрытых банках.
Натрия сульфат - серосодержащее вещество, обладающее противопаразитарным действием. Механизм действия состоит в образовании сернистого ангидрида и серы при взаимодействии молекул натрия тиосульфата с молекулой кислот или кислых солей, в результате чего в паразитах резко изменяются окислительно-восстановительные процессы.
Выпускают в виде порошка, который необходимо хранить в хорошо укупоренной таре.
Демос - акарицидный препарат, в состав которого входят сера и вспомогательные компоненты. Это линимент светло-коричнево-го цвета со слабым специфическим запахом. Выпускают препарат во флаконах из стекла или пластмассы емкостью 10, 15 и 20 мл. Хранят демос при температуре 0-25°С в защищенном от света месте. Срок годности - 2 года со дня изготовления.
Демос активен в отношении саркоптоидных клещей - возбудителей псороптоза кроликов, отодектоза плотоядных, нотоэдроза кошек, а также в отношении возбудителя демодекоза собак.
Препарат малотоксичен для теплокровных животных, он не оказывает раздражающего и сенсибилизирующего действия.
При лечении животных, больных ушной чесоткой, предварительно тщательно очищают ушные раковины от корок струпьев тампоном, смоченным в камфорном спирте, затем вводят по 1,5-3,0 мл демоса в ушную раковину с помощью пипетки и слегка массируют ушную раковину у основания. При поражении других участков тела препарат втирают в пораженные места с помощью ватномарлевого тампона из расчета 0,1-0,3 см прилегающей здоровой кожи.
Животных с обширными участками поражения кожи обрабатывают в 2 приема, с интервалом в 1 день, нанося препарат сначала на одну половину, а затем на другую половину пораженной поверхности туловища.
Плизон (дифенилдисульфид), C12H10S2. Получают путем смешивания каменноугольного масла 22-42%, дифенилсульфида 6-10%, эмульгатора ОП-7 (канифоли) или ОП-10 (неонола) - 15-20% и воды до 100%. Дифенилдисульфид получают в качестве побочного продукта при производстве каменноугольных фенолов.
Плизон - однородная маслянистая жидкость темного цвета. Водная эмульсия этого препарата устойчива в течение 4 часов при комнатной температуре. Препарат малотоксичен, при накожном применении ЛД50 составляет 12500 мг/кг. 0,5% эмульсия плизона (терапевтическая концентрация) хорошо переносится овцами, не сопровождается изменением морфологической картины крови. Плизон 2% вызывает снижение активности холинэстеразы и щелочной фосфатазы в первые сутки после купки, без проявления клинических признаков токсикоза.
Плизон, по исследованиям О.Д. Янышевского с соавторами, выводится из внутренних органов и тканей овец, обработанных 0,5% эмульсией через 40 дней, из жира - через 65. У животных, обработанных 0,25% эмульсией плизона, дифенилдисульфид во внутренних органах и тканях отсутствовал через 20 дней. Сохраняется на шерсти овец до 5 месяцев в количестве 15,1 мг/кг. He выделяется с молоком подсосных овцематок.
Лепран - серосодержащий продукт переработки каменноугольной смолы бензотиофена. Жидкость темно-коричневого цвета с запахом каменноугольного масла. При смешивании с водой лепран образует стойкую светло-коричневую эмульсию. Препарат состоит из бензотиофена - 10-14%, каменноугольного масла 57-64, эмульгатора 25-30 и воды до 100%. Лепран малотоксичен, ЛД50 его при купке овец составляет 14250 мг/кг. Коэффициент кумуляции более 5,28, что свидетельствует о слабовыраженных кумулятивных свойствах, не обладает аллергизирующими и раздражающими кожу и слизистые оболочки свойствами. При лечебной обработке овец (однократная купка) 2% эмульсией лепрана (0,22% ДДВ), по исследованиям Б.А. Тимофеева, препарат не обладает мутагенными свойствами, не изменяет гематологических показателей фосфатазы, ветеринарно-санитарных показателей качества мяса овец. Спустя 50 дней после обработки бензотиофен в органах и тканях овец не обнаруживается, мясо пригодно к выпуску и реализации на пищевые цели. С молоком бензотиофен не выделяется, препарат можно использовать для обработки суягных и лактирующих овец.
В случаях отравления животных серосодержащими препаратами применяют внутрь активированный уголь, жженую магнезию, слабительное.

Сера широко распространена на Земле. Многочисленные залежи серы в свободном состоянии находятся в Мексике, Польше, на острове Сицилия, в США, СССР и Японии. Залежи серы в Польше - вторые в мире, они оцениваются в 110 млн. т и почти не уступают мексиканским. Месторождения в Польше были полностью оценены только в 1951 г., разработка началась в 1957 г. В 1970 г. добыто уже 2,6 млн. т, а затем годовая добыча достигла 5 млн. т.

Сера входит в состав различных минералов: ее можно обнаружить в морской воде в виде сульфитов. Растительные и животные организмы содержат связанную в белке серу; в угле, который образуется из растений, встречается сера, связанная в органических соединениях или в виде соединений с железом (серный колчедан FeS2). Бурый уголь может содержать до 6 % серы. Угольноперерабатывающая промышленность ГДР при очистке коксового, водяного и генераторного газа ежегодно получает 100 000 т серы.

Растворяем серу

Пары серы взаимодействуют с раскаленным углем с образованием дисульфида углерода CS2 (сероуглерода), огнеопасной жидкости с неприятным запахом. Он незаменим при производстве искусственного шелка и штапеля. Сера, которая, как известно, не растворяется в воде и в незначительных количествах растворяется в бензоле, спирте или эфире, прекрасно растворяется в сероуглероде.

Если медленно испарять на часовом стекле раствор небольшого количества серы в сероуглероде, то получим крупные кристаллы так называемой ромбической или (-серы. Но не будем забывать об огнеопасности и ядовитости сероуглерода, поэтому потушим все горелки и поставим часовое стекло под тягу или перед окном.

Гроссе Э., Вайсмантель X.

Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты.

Пары серы взаимодействуют с раскаленным углем с образованием дисульфида углерода CS 2 (сероуглерода), огнеопасной жидкости с неприятным запахом. Он незаменим при производстве искусственного шелка и штапеля. Сера, которая, как известно, не растворяется в воде и в незначительных количествах растворяется в бензоле, спирте или эфире, прекрасно растворяется в сероуглероде.
Если медленно испарять на часовом стекле раствор небольшого количества серы в сероуглероде, то получим крупные кристаллы так называемой ромбической или α-серы. Но не будем забывать об огнеопасности и ядовитости сероуглерода , поэтому потушим все горелки и поставим часовое стекло под тягу или перед окном.
Другая форма - моноклинная, или β- сера получится, если терпеливо выкристаллизовывать из толуола иглы длиной около 1 см (толуол также огнеопасен! ). Как известно, в природе сера часто встречается в соединениях с металлами в форме сульфидов металлов. Широко используемый в лабораториях сульфид железа FeS представляет собой голубовато-черную массу. Мы получим его, если смешаем 20 г чистого порошка железа с 11 г порошка серы (серного цвета) и нагреем на огнеупорной подложке. Будем перемешивать смесь, чтобы она равномерно прокалилась. После охлаждения получим твердый остаток.
Сульфид железа используют для получения сероводорода, который применяют в химическом анализе для осаждения металлов. Поместим в пробирку немного (с горошину) полученного сульфида железа и добавим разбавленной соляной кислоты. Вещества взаимодействуют с бурным выделением газа:

FeS + 2НСl = H 2 S + FeCl 2

Из пробирки доносится неприятный запах тухлых яиц - это улетучивается сероводород . Если его пропустить через воду, то он частично растворится. Образуется слабая кислота, раствор которой часто называют сероводородной водой.
При работе с сероводородом надо соблюдать чрезвычайную осторожность, так как газ почти так же ядовит, как синильная кислота HCN. Он вызывает паралич дыхательных путей и смерть, если концентрация сероводорода в воздухе составляет 1,2-2,8 мг/л. Поэтому опыты с сероводородом следует проводить только на открытом воздухе или под тягой. К счастью, человеческие органы обоняния чувствуют сероводород уже при концентрации его в воздухе 0,0000001 мг/л. Но при длительном вдыхании сероводорода наступает паралич обонятельного нерва, и тут уже нельзя надеяться на наше обоняние.
Химически сероводород обнаруживают с помощью влажной свинцовой реактивной бумаги. Чтобы получить ее, смочим фильтровальную бумагу разбавленным раствором ацетата или нитрата свинца, высушим ее и разрежем на полоски шириной 1 см. (Осторожно! Соли свинца ядовиты! )
Сероводород взаимодействует с ионами свинца, в результате образуется черный сульфид свинца:

Pb 2+ + S 2-- = PbS↓

Другие полоски приготовленной свинцовой реактивной бумаги используем для опытов с природным сероводородом - проверим наличие сероводорода в испорченных продуктах питания (мясе, яйцах) или исследуем воздух над выгребной ямой и в хлеву.
Мы рекомендуем получать сероводород для опытов сухим методом, так как в этом случае поток газа можно легко регулировать и перекрыть в нужное время. Для этой цели расплавим в фарфоровой чашке около 25 г парафина (остатки свечки) и смешаем с расплавом 15 г серного цвета. Затем уберем горелку и будем перемешивать массу до застывания. Если мы рано прекратим перемешивание, то частички серы неравномерно распределятся в застывающем парафине. Твердую массу размельчим и сохраним для дальнейших опытов.
Когда надо получить сероводород, несколько кусочков смеси парафина и серы нагреем в пробирке с газоотводной трубкой до температуры выше 170 °С. При повышении температуры выход газа усиливается, а если убрать горелку - прекращается. В процессе реакции водород парафина взаимодействует с серой, в результате чего образуется сероводород, а в пробирке остается углерод, например: Чтобы рассмотреть окраску выпадающих в осадок сульфидов металлов, пропустим сероводород через растворы различных солей металлов. Сульфиды марганца, цинка, кобальта, никеля и железа выпадут, если в растворе создать щелочную среду (например, добавив гидроксид аммония). В солянокислом растворе выпадают сульфиды свинца, меди, висмута, кадмия, сурьмы и олова. Внесем наши наблюдения в таблицу, которая нам пригодится для дальнейших опытов. Сделав предварительно пробу на гремучий газ, подожжем сероводород, выходящий из оттянутой на конце стеклянной трубки. Сероводород горит с появлением бледного пламени с голубым ореолом:

2H 2 S + 3O 2 = 2Н 2 О + 2SO 2

В результате сгорания возникает оксид серы(IV) - "сернистый газ". Его легко определить по резкому запаху и по покраснению влажной голубой лакмусовой бумажки.
При недостаточном доступе кислорода сероводород окисляется только до серы. Активный уголь каталитически ускоряет этот процесс. Этим способом часто пользуются при тонкой очистке промышленных газов, содержание серы в которых не должно превышать 25 г/м 3:

2H 2 S + O 2 = 2H 2 O + 2S

Нетрудно воспроизвести этот процесс. Схема установки изображена на рисунке. Главное заключается в том, чтобы пропустить через активный уголь воздух и сероводород в соотношении 1:3. На угле выделится желтая сера.
Активный уголь можно очистить от серы, промыв его в сероуглероде. В технике для этой щели применяют чаще всего раствор сульфида аммония (NH 4) 2 S.

ДВА МЕТОДА ДЛЯ ОДНОГО ПРОДУКТА

Сера сгорает с появлением бледно-голубого пламени. При этом образуется бесцветный газ с резким запахом - оксид серы(IV) SO 2 . Он ядовит и раздражает дыхательные пути, поэтому мы должны стараться не вдыхать его. Оксид серы(IV) - сернистый газ - чрезвычайно хорошо растворяется в воде, в результате этого образуется сернистая кислота (гидрат диоксида серы):

Н 2 O + SO 2 = SО 2 *H 2 O

Она убивает микробы и обладает отбеливающим действием. На пивоваренных и винодельческих заводах серой окуривают бочки. Сернистым газом отбеливают также корзины из ивовых прутьев, влажную шерсть, солому, хлопок и шелк. Пятна от черники, например, выводятся, если долгое время держать увлажненное загрязненное место в "парах" горящей серы.
Проверим отбеливающее действие сернистой кислоты. Для этого в цилиндр, где некоторое время горели кусочки серы, опустим различные окрашенные предметы (цветы, влажные кусочки ткани, влажную лакмусовую бумагу и т. д.), хорошо закроем цилиндр стеклянной пластинкой и некоторое время подождем.
Тот, кто когда-нибудь изучал атомное строение элементов, знает, что в атоме серы на внешней орбите имеется шесть так называемых валентных электронов. Поэтому сера максимально может быть в соединениях шестивалентной. Этой степени окисления соответствует оксид серы(VI) с формулой SO 3 . Он является ангидридом серной кислоты:

Н 2 О + SO 3 = H 2 SO 4

При сгорании серы в обычных условиях всегда получается оксид серы(IV). А если и образуется некоторое количество оксида серы(VI), то чаще всего он тотчас же разлагается под действием тепла на оксид серы(IV) и кислород:

2SO3 = SO2 + О2

При производстве серной кислоты главной проблемой является превращение SO 2 в SO 3 . Для этой цели сейчас используются два способа: камерный (или улучшенный - башенный) и контактный . Заполним оксидом серы (IV) SO 2 большой сосуд (круглодонную колбу на 500 мл), поместив в него на некоторое время горящие кусочки серы или подведя газ из аппарата, где он образуется. Оксид серы (IV) можно также относительно легко получить, капая концентрированную серную кислоту в концентрированный раствор сульфита натрия Na 2 SO 3 . При этом серная кислота, как более сильная, вытеснит слабую кислоту из ее солей.
Когда колба заполнится газом, закроем ее пробкой с тремя отверстиями. В одно, как показано на рисунке, вставим согнутую под прямым углом стеклянную трубку, соединенную с боковым отводом пробирки, в которой при взаимодействии кусочков меди и азотной кислоты образуется оксид азота(IV):

4HNO 3 + Сu = Cu(NO 3) 2 + 2H 2 O + 2NO 2

Концентрация кислоты должна составлять около 60% (масс.). Внимание! NO 2 - сильный яд! В другое отверстие введем соединенную с пробиркой стеклянную трубку, через которую позже пойдет водяной пар.
В третье отверстие вставим короткий кусок трубки с бунзеновским клапаном - коротким куском резинового шланга с прорезью. Сначала создадим сильный приток в колбу оксида азота.
Но реакция пока не идет. В колбе находится смесь коричневого NO 2 и бесцветного SO 2 .
Как только мы пропустим водяной пар, изменение окраски укажет на то, что реакция началась. Под действием водяного пара оксид азота(IV) окисляет оксид серы(IV) до оксида серы(VI), который тотчас же, взаимодействуя с водяным паром, превращается в серную кислоту:

2NO 2 + 2SO 2 = 2NO + 2SO 3

2NO + O 2 = 2NO 2

На дне колбы соберется бесцветный конденсат, а излишек газа и паров уйдет через бунзеновский клапан. Выльем бесцветную жидкость из колбы в пробирку, проверим кислую реакцию лакмусовой бумажкой и обнаружим сульфат-ионы SO 4 2-- полученной серной кислоты, добавив раствор хлорида бария. Толстый белый осадок сульфата бария укажет нам на успешное проведение опыта.
По этому принципу, но в гораздо большем масштабе, получают серную кислоту в технике. Раньше реакционные камеры были футерованы свинцом, так как он устойчив при воздействии паров серной кислоты. В современных башенных установках применяют реакторы на керамической основе. Но большее количество серной кислоты производят сейчас по контактному способу. При производстве серной кислоты применяют различное сырье. Чистая сера стала применяться в ГДР только недавно. В большинстве случаев на предприятиях получают оксид серы(IV) обжигом сульфидных руд. Во вращающейся трубчатой печи или в многоярусной печи пирит взаимодействует с кислородом воздуха по следующему уравнению:

4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

Образующийся оксид железа(III) удаляется из печи в виде окалины и перерабатывается далее на предприятиях по получению чугуна.
Растолчем в ступке несколько кусочков пирита и поместим их в трубку из тугоплавкого стекла, которую закроем пробкой с отверстием. Затем горелкой сильно нагреем трубку, одновременно пропуская через нее воздух с помощью резиновой груши. Для того чтобы осела летучая пыль из обжигового газа, отведем его в пустой стеклянный сосуд, а из него - во вторую тугоплавкую трубку, в которой находится катализатор, нагретый до 400-500 °С.
В технике чаще всего в качестве катализатора используют оксид ванадия(V) V 2 O 5 или ванадат натрия NaVO 3 , а мы для этой цели применим красный оксид железа(III) Fe 2 О 3 . Нанесем мелкоизмельченный оксид железа на стеклянную вату, которую распределим в трубке слоем длиной 5 см. Трубку с катализатором нагреем до начала красного каления. На катализаторе оксид серы(IV) взаимодействует с кислородом воздуха; в результате образуется оксид серы (VI)

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

Который мы различим по его способности образовывать туман во влажном воздухе. Соберем SO 3 в пустой колбе и, сильно встряхивая, смешаем с небольшим количеством воды. Получим серную кислоту - ее наличие докажем, как и в предыдущем способе.
Можно также поместить разделенные стеклянной ватой пирит и катализатор в одну из стеклянных трубок. Можно работать и в пробирке с боковым отводом. Положим на дно пробирки пирит, на него слой стеклянной ваты, а затем стеклянную вату с катализатором. Воздух введем сверху через трубку, которая должна подходить вплотную к катализатору. На боковом отводе укрепим согнутую под углом трубку, которая ведет в пробирку.
Если нет пирита, то в пробирке с боковым отводом получим оксид серы(IV) из сульфита или гидросульфита натрия и серной кислоты, и затем пропустим над катализатором полученный газ вместе с потоком воздуха или кислорода. В качестве катализатора можно применить также оксид хрома(III), который следует прокалить в железном тигле и тонко растолочь в ступке. Для этой же цели можно пропитать раствором сульфата железа(II) глиняный черепок и затем сильно прокалить его. На глине при этом образуется тонкий порошок оксида железа(III). Если сульфидов металлов мало (как, например, в ГДР), то исходными продуктами для получения серной кислоты могут служить ангидрит CaSO 4 и гипс СаSO 4 *2Н 2 О. Метод получения оксида серы (IV) из этих продуктов был разработан Мюллером и Кюне еще 60 лет назад.
Способы получения серной кислоты из ангидрита будут иметь значение и в будущем, так как серная кислота является самым распространенным химическим продуктом. Установки для получения серной кислоты из гипса, производимые в ГДР, известны и ценятся на мировом рынке.
Сульфаты можно разложить, применяя высокую (до 2000 °С) температуру. Мюллер установил, что температуру разложения сульфата кальция можно снизить до 1200 °С, если добавить тонкоизмельченный кокс. Сначала, при 900 °С, кокс восстанавливает сульфат кальция до сульфида, а тот в свою очередь при температуре 1200 °С взаимодействует с неразложившимся сульфатом; при этом образуется оксид серы(IV) и негашеная известь:

CaSO 4 + 3С = CaS + 2СО 2

CaS+ 3CaSO 4 = 4CaO + 4SO 2

Разложить сульфат кальция в лабораторных условиях удастся только при применении соответствующей высокой температуры . Будем работать с аппаратурой, подобной той, какая была использована при обжиге пирита, только трубку для сгорания возьмем фарфоровую или железную. Закроем трубку пробками, обернутыми для теплоизоляции асбестовой тканью. В отверстие в первой пробке вставим капилляр, а во второй - простую стеклянную трубку, которую соединим с промывной склянкой, наполненной наполовину водой или раствором фуксина.
Реакционную смесь приготовим следующим образом. Растолчем и ступке 10 г гипса, 5 г каолина (продается в аптеке под названием "Bolus alba") и 1,5 г активного порошкообразного угля. Смесь высушим, нагревая некоторое время при 200 °С в фарфоровой чашке.
После охлаждения (лучше всего в эксикаторе) внесем смесь в середину трубки для сжигания. При этом обратим внимание на то, чтобы она не заполнила все поперечное сечение трубки. Затем сильно нагреем трубку с помощью двух горелок (одна снизу, вторая наклонно сверху) и, когда трубка накалится, пропустим через всю систему не слишком сильный поток воздуха. Уже через 10 минут, благодаря образованию "сернистой кислоты", раствор фуксина в промывной склянке обесцветится. Выключим водоструйный насос и прекратим нагревание.
Получить высокую температуру мы можем также, если обмотаем как можно плотнее фарфоровую трубку нагревательной спиралью на 750-1000 Вт (см. рисунок). Концы спирали соединим с толстой медной проволокой, которую также многократно обмотаем вокруг трубки, а затем изолируем с помощью фарфоровых бусинок и подведем к штекеру. (Осторожно при работе с напряжением 220 В! ) Естественно, в качестве источника нагрева может пригодиться также стеклодувная горелка или паяльная лампа.
В технике работают со смесью ангидрита, кокса, глины, песка и колчеданного огарка Fe2O3. Червячный транспортер подает смесь в 70-метровую вращающуюся трубчатую печь, где сжигают пылевидный уголь. Температура в концевой части печи, в месте горения, составляет примерно 1400 °С. При этой температуре образующаяся в ходе реакции негашеная известь сплавляется с глиной, песком и колчеданным огарком, в результате получается цементный клинкер. Остывший клинкер размалывают и смешивают с несколькими процентами гипса. Получившийся в результате высококачественный портландцемент поступает в продажу. При тщательном проведении и контроле процесса из 100 т ангидрита (плюс глина, песок, кокс и колчеданный огарок) можно получить около 72 т серной кислоты и 62 т цементного клинкера.
Серную кислоту можно получать также из кизерита (сульфата магния MgSO 4 *H 2 O), который в значительных количествах поставляют соляные копи ГДР.
Для опыта воспользуемся такой же установкой, как и для разложения гипса, но трубку на этот раз возьмем из тугоплавкого стекла. Реакционную смесь получим, прокалив в фарфоровой чаше 5 г сульфата магния, а в железном тигле с крышкой - 0,5 г активного угля, и затем смешав их и растерев в ступке до пылеобразного состояния. Перенесем смесь в фарфоровую лодочку и поместим ее в реакционную трубку.
Белая масса, которая получится в конце опыта в фарфоровой лодочке, состоит из оксида магния. В технике его перерабатывают в цемент Сореля, являющийся основой для производства ксилолита. Получение таких важных для строительной промышленности производных продуктов, как цементный клинкер и ксилолит, делает производство серной кислоты из местного сырья особенно экономичным. Переработка промежуточных и побочных продуктов в ценное сырье или конечные продукты является важным принципом химической промышленности. Смешаем равные части оксида магния и опилок с раствором хлорида магния и слой образовавшейся кашицы толщиной около 1 см нанесем на подложку. Через 24-48 ч масса затвердеет, как камень. Она не горит, ее можно сверлить, пилить и прибивать гвоздями. При строительстве домов ксилолит применяют как материал для полов. Древесное волокно, затвердевшее без заполнения промежутков с цементом Сореля (магнезиальным цементом), спрессованное и склеенное в плиты, используется в качестве легкого, тепло- и звуконепроницаемого строительного материала.

ЦЕННЫЕ СИЛИКАТЫ

После того как мы рассмотрели природные хлориды и сульфаты в качестве основного сырья для химического производства, необходимо сказать немного о силикатах.
Кремний - второй по распространенности (после кислорода) элемент в литосфере нашей планеты (почти 28%). Он встречается преимущественно в виде кремнекислых солей различных металлов, а также в форме чистого оксида (кварц SiO 2). Анионы силикатов могут иметь аналогично сульфатам простую формулу однако, чаще всего встречаются сложные структуры, например, , (SiO 3) n , (Si 2 O 5) n или (SiO 2) n . Так, у полевого шпата альбита формула NaAl, а слоистый силикат каолин отвечает составу Al 4 (OH) 8 .
К сожалению, химические опыты с силикатами проводить нелегко, так как получение или превращение силикатов происходит чаще всего при температурах выше 1400 °С.
Силикаты зачастую представляют собой не кристаллическую, а стекловидную или спеченную керамическую массу. При этом группы молекул могут образовывать кольца или так называемые сетчатые структуры. Эти вещества при растворении не разрушаются. Практически их можно разрушить только фтороводородной (плавиковой) кислотой, что создает большие трудности в аналитической химии силикатов. С другой стороны, силикатные материалы имеют огромное значение как строительное сырье, и производство цемента, стекол и керамики быстро увеличивается в соответствии со все возрастающим спросом на строительные материалы. В последнее время созданы новые виды материалов, например, пенобетоны и пеностекла. Имеющееся в продаже жидкое стекло представляет собой сиропообразный раствор силиката натрия. (Na 2 Si 2 O 3) n или калия (К 2 Si 2 O 3) n . В смеси с различными добавками, такими как глинозем, гипс или опилки его можно использовать для изготовления замазок. Оно находит широкое применение при получении огнеупорной краски и огнеупорных покрытий.
В пробирку с разбавленным наполовину жидким стеклом будем добавлять по капле соляную кислоту. Мы заметим появление густого белого осадка кремневой кислоты (Н 2 SiO 3) n или ее ангидрида. По мере увеличения осадка частицы кремневой кислоты образуют структуру, в которой связывается вся оставшаяся вода. Наконец, при некоторой степени разбавления получается эластичный твердый гель кремневой кислоты.
В следующих опытах рассмотрим свойства силикагеля с различным содержанием воды. В маленькие пластмассовые чашечки (например, в крышки от баночек из-под лекарств), наполненные жидким стеклом с различной степенью разбавления, добавим по каплям соляную кислоту и размешаем полученную массу. Мы предлагаем читателю самому выбрать степень разведения исходного вещества в области от 1: 100 до неразведенного жидкого стекла. Через некоторое время образуются более или менее вязкие составы, которые затем превратятся в эластичные студенистые или твердые массы геля кремневой кислоты. Здесь речь идет о тонком коллоидно-дисперсном распределении кремневой кислоты, которая полностью включила в свою структуру имеющуюся воду.
Свежий гель кремневой кислоты, в котором на молекулу SiO 2 приходится 300 молекул Н 2 О, очень подвижен. Если же на молекулу SiO 2 приходится 30-40 молекул Н 2 О, то гель твердый, и его можно резать ножом. После сушки при слабом нагревании в нем останется шесть молекул H 2 O на молекулу SiO 2 , и гель можно размолоть до тонкодисперсного состояния.
Разотрем такую пробу в ступке или размелем в старой кофемолке. Затем высушим порошок в фарфоровой чашке или тигле, нагревая на бунзеновской горелке. При этом образуется кремневый ксерогель (от греческого xeros - сушить). Это более или менее пористое вещество, имеющее очень большую удельную поверхность (до 800 м 2 /г), обладает сильной адсорбирующей способностью. Благодаря этому свойству сухой гель применяют для поглощения водяных паров из атмосферы. Его используют для осушения замкнутых объемов, например внутри упаковок ценных машин и аппаратов.
В лабораториях патроны с силикагелем закладывают в кожуха аналитических весов; им заполняют башни для сушки газа. Чаще всего применяют так называемый голубой гель - с добавкой безводного хлорида кобальта(II) (См. раздел "Обнаруживаем кристаллизационную воду"). При потере способности к поглощению воды голубой гель окрашивается в розовый цвет. Мы можем сами получить голубой гель, если смешаем ксерогель с небольшим количеством тонкоизмельченного и хорошо высушенного хлорида кобальта(II).
Способность к поглощению воды проверим, поместив немного высушенного геля на часовом стекле во влажный воздух, например на кухне или на открытом воздухе. Станем взвешивать эту пробу сначала через короткие (10 минут) и затем через длительные интервалы времени. Если на листе миллиметровой бумаги построить графическую зависимость прироста массы от времени, то полученная кривая будет заканчиваться площадкой, соответствующей величине насыщения и указывающей на максимальную степень поглощения воды. Правда, при этом известную роль играет относительная влажность воздуха. Бетон сейчас, несомненно, является важнейшим строительным материалом. Покрытия автострад, плиты, столбы, балки, конструкции современных жилых домов и промышленных построек выполнены большей частью из бетона. Бетонные смеси различаются плотностью, прочностью и теплоизоляционными свойствами. Объединяет их то, что они все состоят из цемента и через некоторое время после смешивания с водой затвердевают, поглощая влагу. В этом заключается важнейшее отличие бетона от классического известкового раствора, затвердевание которого происходит под влиянием угольной кислоты с выделением воды.
Высококачественный портландцемент получают, обжигая смесь известняка, глины или мергеля и железистых отходов, например доменных шлаков. Этот процесс протекает при температуре около 1450 °С в огромной (длиннее 100 м) вращающейся трубчатой печи. Важными компонентами портландцемента являются ди- и трехкальциевый силикат, трехкальциевый алюминат и четырехкальциевый алюмоферрит. При затвердевании в результате реакции с водой образуются гидраты силикатов, которые аналогично силикатному гелю, описанному в предыдущем разделе, обволакивают наполнитель и способствуют образованию твердого как камень вещества. После того, как мы провели уже ряд описанных в предыдущем разделе опытов с гелями, которые имеют различные прочностные свойства, зависящие от способа их получения, в особенности от добавки воды, можем проделать несколько простых опытов по затвердеванию бетона.
Сначала сделаем простую форму для получения цементных брусков. Для этого разделим плоскую сигарную коробку с помощью реек таким образом, чтобы получились одинаковые формы 1 - 2 см в сечении, а длина их будет равна длине коробки.
В отдельные зоны поместим следующие смеси: 1 часть портландцемента и 1, 3, 5 или 8 частей чистого песка; 1 часть портландцемента, 2 части песка и 2 части кирпичной крошки (измельчим кирпич); 1 часть портландцемента, 3 части песка и 2 кусочка стальной проволоки (старые вязальные спицы), которые нужно положить по возможности параллельно по обе стороны формы и постараться ввести их в бетон.
Перед заполнением форм добавим в смесь немного воды, чтобы получилась влажная, но рассыпчатая масса (как влажная земля). Этими смесями заполним формы и тщательно утрамбуем их деревянной палочкой. В течение следующих двух дней будем смачивать цемент водой из пульверизатора или лейки с мелкими отверстиями. Через два дня, постучав по форме, вытащим из нее застывшие пробы, положим их концы на края двух стульев, причем для большей точности подложим под бруски на равном расстоянии трехгранные напильники или другие имеющие грани металлические предметы. К середине бруска на прочной проволоке будем подвешивать груз, увеличивая его до тех пор, пока не появится излом. В другом опыте проверим прочность образцов при сжатии, ударяя по ним молотком или тонким зубилом.
Наконец мы можем при получении образцов варьировать добавку воды и степень увлажнения во время отверждения. При испытании окажется, что бетон, полученный из исходной смеси высокой влажности или не увлажнявшийся при отверждении, значительно уступает в прочности. Тепло- и звукоизоляционный газо- или пенобетон получают, добавляя в вязкую бетонную массу порошок карбида алюминия или кальция. Если одновременно добавить поверхностно-активное вещество, например какое-нибудь моющее средство, то получающиеся пузырьки газа будут образовывать особенно тонкую пену.
Наряду с пенобетоном применение пеностекла и строительных частей из легких металлов и пластмасс открывает новые возможности, которые уже с успехом реализованы на опытных строительных объектах.