Это химический элемент, расположенный в шестой группе, третьем периоде таблицы Менделеева. Это хрупкое вещество, пребывающее при нормальных условиях в твердом агрегатном состоянии. Сера окрашена в лимонно-желтый цвет. Таким же оттенком наделены многие соединения этого элемента.

Физические характеристики серы

Сера не растворяется в воде, обладает низкой электро- и теплопроводностью, проявляет свойства типичного неметалла. Вещество может пребывать в нескольких вариациях, в зависимости от строения кристаллической решетки, соединяющей атомы.

Первый вариант элемента - ромбическая сера , наиболее устойчивое вещество. Кипит при температуре 445 °C. Перед переходом в газообразное агрегатное состояние это вещество должно стать жидким. Плавится ромбическая сера при температуре 113 °C.

Второй вариант - моноклинная сера , представляющая собой кристаллы игольчатой формы темно-желтого цвета. Это вещество формируется в результате плавления ромбической серы и медленного ее охлаждения. Температура кипения моноклинной серы - 445 °С. Существует пластическая разновидность моноклинной серы, которую получают путем выливания почти кипящей ромбической серы в холодную воду. Это вещество обладает свойством тянуться наподобие резины.

Температура воспламенения серы зависит от типа материала и его происхождения. Например, сера техническая воспламеняется при температуре 190 °С. При других условиях температура вспышки серы составляет 248 °С и даже 256 °С - в зависимости от того, из какого материала была добыта сера и какую плотность имеет вещество. В любом случае температура горения серы достаточно низкая, по сравнению с другими химическими элементами. Сера относится к легковоспламеняющимся веществам.

Химические характеристики серы, ее взаимодействие с металлами

Сера обладает сравнительно низкой атомной массой (32 г/моль). Элемент может иметь разные степени окисления. Этим сера отличается от кислорода или водорода. Сера, в зависимости от условий, способна проявлять восстановительные или окислительные свойства.

Для реакции серы с металлами необходима высокая температура. При таких условиях будет протекать реакция присоединения: атомы металла объединятся с атомами серы, образуя сложные вещества - сульфиды. К примеру, если нагреть 2 моля калия, смешать их с 1 молем серы, образуется 1 моль сульфида калия. Уравнение реакции:

Молекулярная структура сульфида калия

Реакция серы с галогенами и другими простыми веществами

Сера, как и другие неметаллы, вступает в реакцию с галогенами. Сера реагирует с бромом, фтором, хлором, но не взаимодействует с иодом. Пример - фторирование серы. Если разогреть серу с галогеном, образуются две вариации фторида.

Молекулярная структура фторида серы

Первый вариант : взять 1 моль серы и три 3 моля фтора, образуется 1 моль фторида - SF₆. Уравнение реакции:

S + 3F₂ = SF₆

Второй вариант : взять 1 моль серы и 2 моля фтора, образуется 1 моль фторида с химической формулой SF₄. Уравнение реакции:

S + 2F₂ = SF₄

Реакция галогенов с серой зависит от пропорций, в которых смешаны компоненты. Таким же образом осуществляется бромирование серы либо хлорирование серы (в результате реакции также образуются два разных вещества).

Сера вступает в химическую реакцию с фосфором, водородом и углеродом. При взаимодействии серы с водородом образуется сероводород. В результате реакции сероводорода с металлами образуются их сульфиды, которые также получают прямым взаимодействием серы с тем же металлом.

Присоединение атомов водорода к атомам серы происходит исключительно в условиях очень высокой температуры. При реакции серы с фосфором образуется фосфид серы - P₂S₃. Чтобы получить 1 моль фосфида серы, нужно взять 2 моля фосфора и 3 моля «сульфура». При реакции серы с углеродом образуется сероуглерод CS₂. Чтобы получить 1 моль сероуглерода, нужно взять 1 моль углерода и 2 моля серы. Описанные реакции присоединения протекают при нагревании реагентов до высоких температур. С желтым порошком серы можно провести интересный опыт и расплавить его в черную вязкую массу.

Реакция серы с кислородом

Нельзя рассмотреть все реакции с серой и упустить ее взаимодействие с кислородом. Для понимания процесса можно провести лабораторный опыт: в ходе реакции разложения марганцовки колба наполнится кислородом. Затем поджигается сера в ложечке для сгорания и опускается в колбу с кислородом. Сера интенсивно сгорает на воздухе ярким сине-фиолетовым пламенем. Постепенно колбу заполнит белый туман.

Горение серы

Реакция между кислородом и серой принадлежит к числу окислительно-восстановительных, где сера - восстановитель, а кислород - окислитель. Скорость горения серы в чистом кислороде увеличивается за счет почти пятикратного увеличения концентрации кислорода.

Тепло при горении серы на воздухе не расходуется на нагревание балласта (азота), поэтому температура реагентов повышается сильнее, чем на воздухе. Из-за этого интенсивность горения тоже увеличивается. При горении сера соединяется с кислородом, образуя сернистый газ - оксид серы SO₂, который постепенно заполняет цилиндр. Уравнение реакции:

S + O₂ = SO₂ + Q.

Сернистый газ, соединяясь с парами воды, образует сернистую кислоту:

SO₂ + H₂O = H₂­SO₃

Сернистая кислота окисляется до серной кислоты:

2H₂­SO₃ + O₂ = 2H₂­SO₄

В результате описанных реакций в цилиндре образуется туман из капель серной и сернистой кислот.

Основные направления исследований в области ПГУ

К основным направлениям исследований в области ПГУ следует отнести:

Оценку запасов угля под разработку методом ПГУ;

Поиск путей повышения энергетического и химического к.п.д. процесса подземной газификации углей;

Разработку технологии и технико-экономической оценки комплексного использования газов ПГУ в энергетике и химической промышленности;

Получение газа заданного состава, удовлетворяющего требованиям переработки его на химическую продукцию, разработку методов очистки и обогащения газов для обеспечения более экономичного его использования в химической технологии;

Разработку методов управления и контроля состава газов ПГУ;

Технико-экономическое обоснование целесообразности переработки газов ПГУ на химическую продукцию с учетом роста дефицита и стоимости природного газа и нефти;

Разработку методов очистки и их обогащения, а также разработать методы утилизации тепла и выгазованной зоны и газов ПГУ.

Для решения названных проблем уже сейчас необходимо определить перспективные угольные месторождения под разработку, провести исследования по усовершенствованию технологии (выбор оптимальной сетки скважин, методов сбойки, интенсивности и состава дутья и т.д.), определить пригодность существующих схем технологической переработки газов ПГУ, осуществить выбор и конструирование оборудования для скважин и наземного перерабатывающего комплекса, в том числе подбор термо и коррозионностойких материалов и покрытий для скважин и наземных коммуникаций.

Стратегически газ ПГУ может использоваться как местный промышленный энергоисточник на базе работы комплексного предприятия ≪ПГУ- ТЭС≫.

Исключительно перспективен метод ПГУ для снабжения энергией Приморья, где целесообразно в районе ряда закрытых шахт строительство станций ПГУ.

Вопросы к разделу:

1. Технологическая схема станции подземной газификации угля.

2. Стадии процесса газификации угля.

Подземное сжигание серы - метод разработки месторождений само-

родной серы путем ее высокотемпературного окисления на месте залега-

Идея метода восходит к старинной практике выплавки серы из са-

мородных руд за счет тепла сжигания части серы в специальных пе-

чах - ≪калькаронах≫. Первая попытка получения серы при ее частичном

сжи гании под землей была предпринята в 1910 г. итальянским инженером

Д. Фиори, который предлагал сжигать серу на верхних этажах предвари-

тельно подготовленного вертикальными и горизонтальными выработка ми

рудного блока, с тем чтобы на нижних этажах блока собирать сте кающую

жидкую серу. На практике выяснилось, что полученная таким образом

сера содержит много золы и выход ее незначителен.. В 30-е годы XX века

предложения по осуществлению процесса частичного сжигания серы

на месте залегания через скважины с получением серы в виде жидкости

или паров выдвигались австрийским инженером Г. Шмацелем и итальян-

ским Р. Вердерамо. В 1958 г. итальянский инженер Д. Джорджи опубли-

ковал проект разработки ≪верхней горящей зоны≫ рудника Коццо-Дизи

(Сици лия). В проекте предусматривалось как использование сернистого

газа при производстве кислоты, так и выпуск жидкой серы. В 1962-66 гг.

американские инженеры Миллер, а также Уайт и Мосс предложили про-

изводить сжигание ее на месте залегания, подавая воздух для горения и

отводя образованный газообразный сернистый газ через скважины. Дан-

ные эксперименты были проведе ны в США. Метод подземного сжигания

серы с ориентацией на преимущест венное получение сернистого газа

для производства серной кислоты раз рабатывался в 1973-79 гг. МОНИЛ-

Гео ГИГХС. при менительно к необводненной части Гаурдакского серного

месторожде ния (Туркменистан). В 1976-1978 гг. проведены успешные

испытания технологии на опытной установке Гаурдакского серного заво-

да. Показано, что при воз душном дутье температура в очаге горения до-

стигает 1200 °С, при этом в газах сжигания содержится 5-15 % SO2, что

соответствует условиям про изводства серной кислоты. Коэффициент вы-

горания серы в зоне горения превышает в очаге горения 90 %, в среднем

по опытной установке 78,6 %.

Сущность метода заключается в создании в серном пласте управляе-

мого очага горения серы, параметры которого поддерживаются на уровне,

достаточном для получения кондиционного для производства серной кис-

лоты сернистого газа.

Процесс горения серы и обжига серных руд достаточно изучен. Одна-

ко в пластовых условиях этот про цесс осложнен и зависит от структуры

и текстуры серных руд, минералогического и химического состава вме-

щающих пород, от содержания серы в руде, мощности, пористости и про-

ницаемости пласта, от распределения пор и трещин пласта по размерам,

от обводненности пласта, от давления, темпа нагнетания и состава окис-

лителя и др.

Температура воспламенения серы в порах пласта является слож ной

функцией состава реагирующей смеси, характерного диаметра пор, давле-

ния, теплопроводности и наличия примесей в жидкой сере. В част ности,

было показано, что серные пары могут воспламеняться только в порах

размером в несколько миллиметров при температуре свыше темпе ратуры

кипения серы. Таким образом, горение серы происходит только в крупных

порах пласта, не проникая в глубь серных блоков. Образование движуще-

гося внутрипластового очага горения серы приводит к появле нию харак-

терного продольного распределения температуры в виде ≪теп ловой вол-

ны≫, в которой можно выделить зоны предварительного про грева, зону

расплавленной серы, зону горения и зону выгоревшей руды. По мощности

пласта выгорание происходит преимущест венно в верхней части, при этом

у подошвы пласта образуется ≪серная лужа≫. Процесс внутрипластового

сжигания серы происходит в несколь ко стадий. На первой стадии произ-

водится розжиг пласта с поддержани ем температуры очага горения до тех

пор, пока его собственное тепло выделение не превысит тепловые потери.

По мере прогрева пласта сер ные пары из мелкопористых блоков поступа-

ют в более крупные поры и трещины, где происходит их окисление, а часть

серы впереди фронта горения выплавляется из рудных блоков и стекает к

подошве пласта. Та ким образом, на второй стадии процесса очаг горения

продвигается только по наиболее крупным порам и трещинам. При этом

часть не окисленных серных паров

конденсируется в непрогретых зонах, кольматируя пласт. На третьей,

самой длительной стадии процесса происходит догорание серы в блоках

и у подошвы пласта. На каждой из стадий су ществует своя зависимость

между расходом дутья и концентрацией сер нистого газа, что дает возмож-

ность управлять процессом подземного сжигания серы, достигая конди-

ционного состава газов сжигания.

Технология подземного сжигания серы включает в себя следующие

операции:

1. Вскрытие пласта скважинами с обсадкой их металлическими ко-

лоннами труб до кровли пласта. Бурение по пласту производится колон-

ковым способом с отбором керна.

2. Проведение опытных нагнетаний воздуха в скважины с измерени-

ем его давления и расхода во времени для определения фильтрационных

характеристик пласта и его подсушивания. Для выявления возможных

мест утечек газа производится подача в пласт стойких дымов.

3. Розжиг пласта с использованием забойных газовых горелок или пу-

тем спуска в забой горящего кокса. Розжиг прекращается при появлении в

газах сжигания сернистого ангидрида с концентрацией более 3- %.

4. Управление составом газов сжигания путем изменения расхода

воздуха, точки подачи дутья и точки отвода газов.

5. Сбор газов сжигания.

6. Обеспыливание и осушку газов сжигания.

7. Каталитическое доокисление сернистого ангидрида до серного ан-

гидрида, например, в аппаратах двойного контактирования.

8. Получение серной кислоты в олеумном абсорбере.

9. Нейтрализация и утилизация кислых стоков и шламов.

Выполненные исследования показали: что экономич ес ки е п ок аз ат ел и

технологии ПСС могут быть при няты по аналогии с ПГУ в части газифи-

кации и по аналогии переработки сернистых газов цветной металлургии в

части производства серной ки слоты. Расчеты показывают, что по сравне-

нию с базовыми методами производства кислоты из серы и колчедана тех-

нология ПСС экономически выгодна при минимальной производитель-

ности пред приятия 100 тыс. т серной кислоты в год.

Экологические аспекты П СС связаны с гарантией нераспро странения

очага горения за контуры отрабатываемого участка и прорыва токсичных

продуктов сжигания на поверхность. Практика тушения по жаров на сер-

ных рудниках свидетельствует, что существует два основ ных принципа

успешного решения проблемы -прекращение притока воздуха и сниже-

ние температуры очага горения. При случайных пожарах вблизи откры-

той поверхности оба принципа осуществить удается с большим трудом.

При целенаправленной организации очага горения на большой глубине,

как показали опыты, проблема изоляции очага существенно облегчает-

ся. Перерывы в подаче окислителя приводят к значительной кольматации

периферийных зон сконденсированной серой и к самоизоляции участка

сжигания. Подача воды непосредственно в очаг нецелесообразна, так как

вследствие высо ких температур в пласте развивается высокое давление

пара, которое может привести к образованию разрыва пород пласта и

кровли. Наиболее рациональным является законтурное заводнение при

наличии системы соответствующих контрольных скважин.

П ер сп ек ти выП ССиз ад ач и д ал ьн ей ши х и сс ле до ва ни й. Пер-

спективны для ПСС, как показано выше, высокопроницаемые богатые

серные залежи, но их доля в общих ресурсах самородной серы невелика.

Поэтому представляется наиболее целесообразным развитие модифика-

ций метода применительно к малопроницаемым серным рудам и другим

нитам. В частности, показано, что может быть успешно реализован вари-

ант, предусматривающий первоначальное ведение процесса в двух близко

расположенных изолированных скважи нах. После соединения зон плав-

ления вокруг этих скважин образуется сбоечный канал, интенсивность

процесса увеличивается и постепенно в него вовлекаются скважины на

большем расстоянии.

В области получения товарной продукции перспективен поиск техно-

логических схем сернокислотного производства при низкой кон центрации

сернистого газа, схем с восстановлением элементарной серы, например с

использованием образующегося в бескислородных зонах се роводорода.

В целом, метод ПСС является весьма перспективным в качестве воз-

можной альтернативы существующим технологиям производства се ры и

серной кислоты и для восполнения возможного дефицита в этих видах

продукции.

Литература

1. Гридин О.М. Подземное сжигание серы. Дисс. на соиск. ученой степ.

канд. техн. наук М.,ГИГХС,1979.

2. Методические вопросы исследовании в геотехнологии. (Вып.З). Под

ред. В.Ж. Арен-са, ГИГХС, Люберцы, 1979.

3. Гридин О.М., Курицына Л.И., Гвоздев Н.В. Лабораторные исследова-

ния метода под земного сжигания серы. //Бесшахтная добыча горно-хими-

ческого сырья. Тр. ГИГХС, вып. 33, Люберцы, 1975.

4. Аренс В.Ж. , Гридин О.М., Курицына Л.И., Хчеян Г.Х. Основные

закономерности процесса внутрипластового горения серы. Ж. Физи-

ко-технические проблемы разра ботки полезных ископаемых, СО АН

СССР,№3,1980.

5. Шварцштейн Я.В, Кузьмин Г.А. Получение сернистого газа из эле-

ментарной серы., М, Химия, 1972.

6. Miller Wendell S. Burning process for recovering sulfur from the earth.

Pat. USA N 3131919,05.04.1962.

7. White Philip D., Moss John T. In-situ oxidation reaction within a sulfur

formation, contain ing sulfur. Pat. USAN 3410604, 01.12.1966.

8. Цейтлин А.Н. О закономерностях горения серы. Тр. НИОХИМ, т.

12, Л., Госхимиздат, 1959.

9. Г’угель Б.М. Верхние пределы воспламенения серы в кислороде и в

смесях с инертны ми газами. ЖФХ, т. 14, вып. 1, АН СССР, М., 1941.__

Зависимость степени диссоциации паров серы от температуры.  

Горение серы представляет собой сложный процесс в связи с тем, что сера имеет молекулы с разным числом атомов в различных аллотропных состояниях и большой зависимостью ее физико-химических свойств от температуры. Механизм реакции и выход продуктов изменяется как от температуры, так и от давления кислорода.  

Пример зависимости точки росы от содержания С02 в продуктах горения.

Горение серы в 80 з возможно по различным причинам. Твердо установленной теории этого процесса пока не имеется. Предполагается, что частично это происходит в самой топке при высокой температуре и при достаточном избытке воздуха. Исследования в этом направлении (рис. 66) показывают, что при малых избытках воздуха (порядка сст 1 05 и ниже) образование 80 з в газах резко снижается.  

Горение серы в кислороде протекает при 280 С, а на воздухе - при 360 С.  

Горение серы происходит во всем объеме печи. При этом газы получаются более концентрированными и переработка их осуществляется в аппаратах меньших габаритов, а очистка газов почти исключается. Двуокись серы, получаемая при сжигании серы, кроме производства серной кислоты, применяется в ряде отраслей промышленности для очистки погонов нефти как холодильный агент, в производстве сахара и др. SCb перевозится в стальных баллонах и цистернах в жидком состоянии. Ожижение SO2 производится сжатием предварительно осушенного и охлажденного газа.  

Горение серы происходит во всем объеме печи и заканчивается в камерах, образованных перегородками 4, куда подается дополнительное количество воздуха. Из этих камер выводится горячий печной газ, содержащий сернистый ангидрид.  

Горение серы очень легко налбюдать в механических печах. На верхних этажах печей, где в горящем материале много FeS2, все пламя окрашено в синий цвет - это характерное пламя горения серы.  

Процесс горения серы описывается уравнением.  

За горением серы наблюдают через смотровое стекло в стенке печи. Температуру расплавленной серы следует поддерживать в пределах 145 - 155 С. Если продолжать повышать температуру, вязкость серы постепенно увеличивается и при 190 С она превращается в густую темно-коричневую массу, что крайне затрудняет ее перекачивание и разбрызгивание.  

При горении серы на один атом серы приходится одна молекула кислорода.  

Схема комбинированной контактно-башенной системы с использованием в качестве сырья для получения башенной кислоты природной.

При горении серы в печи получают обжиговый сернистый газ с содержанием около 14 % S02 и температурой на выходе из печи около 1000 С. С этой температурой газ поступает в котел-утилизатор 7, где путем снижения его температуры до 450 С получают пар. В контактный аппарат 8 необходимо направлять сернистый газ с содержанием около 8 % SO2, поэтому после котла-утилизатора часть газа или весь обжиговый газ разбавляют до 8 % SO2 подогретым в теплообменнике 9 воздухом. В контактном аппарате окисляется 50 - 70 % сернистого ангидрида до серного ангидрида.  

Сера представляет собой химический элемент, который находится в шестой группе и третьем периоде таблицы Менделеева. В этой статье мы подробно рассмотрим ее химические и получение, использование и так далее. В физическую характеристику входят такие признаки, как цвет, уровень электропроводности, температура кипения серы и т. д. Химическая же описывает ее взаимодействие с другими веществами.

Сера с точки зрения физики

Это хрупкое вещество. При нормальных условиях оно пребывает в твердом агрегатном состоянии. Сера обладает лимонно-желтой окраской.

И в большинстве своем все ее соединения имеют желтые оттенки. В воде не растворяется. Обладает низкой тепло- и электропроводностью. Данные признаки характеризуют ее как типичный неметалл. Несмотря на то что химический состав серы совсем не сложен, данное вещество может иметь несколько вариаций. Все зависит от строения кристаллической решетки, с помощью которой соединяются атомы, молекул же они не образовывают.

Итак, первый вариант - ромбическая сера. Она является наиболее устойчивой. Температура кипения серы такого типа составляет четыреста сорок пять градусов по шкале Цельсия. Но для того чтобы данное вещество перешло в газообразное агрегатное состояние, ему сначала необходимо пройти жидкое. Итак, плавление серы происходит при температуре, которая составляет сто тринадцать градусов Цельсия.

Второй вариант - моноклинная сера. Она представляет собой кристаллы игольчатой формы с темно-желтой окраской. Плавление серы первого типа, а затем ее медленное охлаждение приводит к формированию данного вида. Эта разновидность обладает почти теми же физическими характеристиками. К примеру, температура кипения серы такого типа - все те же четыреста сорок пять градусов. Кроме того, есть такая разновидность данного вещества, как пластическая. Ее получают посредством выливания в холодную воду нагретой почти до кипения ромбической. Температура кипения серы данного вида такая же. Но вещество обладает свойством тянуться, как резина.

Еще одна составляющая физической характеристики, о которой хотелось бы сказать, - температура воспламенения серы.

Данный показатель может разниться в зависимости от типа материала и его происхождения. К примеру, температура воспламенения серы технической составляет сто девяносто градусов. Это довольно низкий показатель. В других случаях температура вспышки серы может составлять двести сорок восемь градусов и даже двести пятьдесят шесть. Все зависит от того, из какого материала была она добыта, какую имеет плотность. Но можно сделать вывод, что температура горения серы достаточно низкая, по сравнению с другими химическими элементами, это легковоспламеняющееся вещество. Кроме того, иногда сера может объединяться в молекулы, состоящие из восьми, шести, четырех либо двух атомов. Теперь, рассмотрев серу с точки зрения физики, перейдем к следующему разделу.

Химическая характеристика серы

Данный элемент обладает сравнительно низкой атомной массой, она равняется тридцати двум граммам на моль. Характеристика элемента сера включает в себя такую особенность данного вещества, как способность обладать разной степенью окисления. Этим она отличается от, скажем, водорода или кислорода. Рассматривая вопрос о том, какова химическая характеристика элемента сера, невозможно не упомянуть, что он, в зависимости от условий, проявляет как восстановительные, так и окислительные свойства. Итак, по порядку рассмотрим взаимодействие данного вещества с различными химическими соединениями.

Сера и простые вещества

Простыми являются вещества, которые имеют в своем составе только один химический элемент. Его атомы могут объединяться в молекулы, как, например, в случае с кислородом, а могут и не соединяться, как это бывает у металлов. Так, сера может вступать в реакции с металлами, другими неметаллами и галогенами.

Взаимодействие с металлами

Для осуществления подобного рода процесса необходима высокая температура. При таких условиях происходит реакция присоединения. То есть атомы металла объединяются с атомами серы, образуя при этом сложные вещества сульфиды. Например, если нагреть два моль калия, смешав их с одним моль серы, получим один моль сульфида данного металла. Уравнение можно записать в следующем виде: 2К + S = K 2 S.

Реакция с кислородом

Это сжигание серы. Вследствие данного процесса образуется ее оксид. Последний может быть двух видов. Поэтому сжигание серы может происходить в два этапа. Первый - это когда из одного моль серы и одного моль кислорода образуется один моль диоксида сульфура. Записать уравнение данной химической реакции можно следующим образом: S + О 2 = SO 2 . Второй этап - присоединение к диоксиду еще одного атома оксигена. Происходит это, если добавить к двум моль один моль кислорода в условиях высокой температуры. В результате получим два моль триоксида сульфура. Уравнение данного химического взаимодействия выглядит таким образом: 2SO 2 + О 2 = 2SO 3 . В результате такой реакции образуется серная кислота. Так, осуществив два описанных процесса, можно пропустить полученный триоксид через струю водяного пара. И получим Уравнение подобной реакции записывается следующим образом: SO 3 + Н 2 О = H 2 SO 4 .

Взаимодействие с галогенами

Химические как и других неметаллов, позволяют ей реагировать с данной группой веществ. К ней относятся такие соединения, как фтор, бром, хлор, йод. Сера реагирует с любым из них, за исключением последнего. В качестве примера можно привести процесс фторирования рассматриваемого нами элемента таблицы Менделеева. С помощью разогревания упомянутого неметалла с галогеном можно получить две вариации фторида. Первый случай: если взять один моль сульфура и три моль фтора, получим один моль фторида, формула которого SF 6 . Уравнение выглядит так: S + 3F 2 = SF 6 . Кроме того, есть второй вариант: если взять один моль серы и два моль фтора, получим один моль фторида с химической формулой SF 4 . Уравнение записывается в следующем виде: S + 2F 2 = SF 4 . Как видите, все зависит от пропорций, в которых смешать компоненты. Точно таким же образом можно провести процесс хлорирования серы (также может образоваться два разных вещества) либо бромирования.

Взаимодействие с другими простыми веществами

На этом характеристика элемента сера не заканчивается. Вещество также может вступать в химическую реакцию с гидрогеном, фосфором и карбоном. Вследствие взаимодействия с водородом образуется сульфидная кислота. В результате её реакции с металлами можно получить их сульфиды, которые, в свою очередь, также получают прямым путем взаимодействия серы с тем же металлом. Присоединение атомов гидрогена к атомам сульфура происходит только в условиях очень высокой температуры. При реакции серы с фосфором образуется ее фосфид. Он имеет такую формулу: P 2 S 3. Для того чтобы получить один моль данного вещества, нужно взять два моль фосфора и три моль сульфура. При взаимодействии серы с углеродом образуется карбид рассматриваемого неметалла. Его химическая формула выглядит так: CS 2 . Для того чтобы получить один моль данного вещества, нужно взять один моль углерода и два моль серы. Все описанные выше реакции присоединения происходят только при условии нагревания реагентов до высоких температур. Мы рассмотрели взаимодействие серы с простыми веществами, теперь перейдем к следующему пункту.

Сера и сложные соединения

Сложными называются те вещества, молекулы которых состоят из двух (или более) разных элементов. Химические свойства серы позволяют ей реагировать с такими соединениями, как щелочи, а также концентрированная сульфатная кислота. Реакции ее с данными веществами довольно своеобразны. Сначала рассмотрим, что происходит при смешивании рассматриваемого неметалла со щелочью. Например, если взять шесть моль и добавить к ним три моль серы, получим два моль сульфида калия, один моль сульфита данного металла и три моль воды. Такого рода реакцию можно выразить следующим уравнением: 6КОН + 3S = 2K 2 S + K2SO 3 + 3Н 2 О. По такому же принципу происходит взаимодействие, если добавить Далее рассмотрим поведение серы при добавлении к ней концентрированного раствора сульфатной кислоты. Если взять один моль первого и два моль второго вещества, получим следующие продукты: триоксид серы в количестве три моль, а также воду - два моль. Данная химическая реакция может осуществиться только при нагревании реагентов до высокой температуры.

Получение рассматриваемого неметалла

Существует несколько основных способов, с помощью которых можно добыть серу из разнообразных веществ. Первый метод - выделение ее из пирита. Химическая формула последнего - FeS 2 . При нагревании данного вещества до высокой температуры без доступа к нему кислорода можно получить другой сульфид железа - FeS - и серу. Уравнение реакции записывается в следующем виде: FeS 2 = FeS + S. Второй способ получения серы, который часто используется в промышленности, - это сжигание сульфида серы при условии небольшого количества кислорода. В таком случае можно получить рассматриваемый неметалл и воду. Для проведения реакции нужно взять компоненты в молярном соотношении два к одному. В результате получим конечные продукты в пропорциях два к двум. Уравнение данной химической реакции можно записать следующим образом: 2H 2 S + О 2 = 2S + 2Н 2 О. Кроме того, серу можно получить в ходе разнообразных металлургических процессов, к примеру, при производстве таких металлов, как никель, медь и другие.

Использование в промышленности

Самое широкое свое применение рассматриваемый нами неметалл нашел в химической отрасли. Как уже упоминалось выше, здесь он используется для получения из него сульфатной кислоты. Кроме того, сера применяется как компонент для изготовления спичек, благодаря тому, что является легковоспламеняющимся материалом. Незаменима она и при производстве взрывчатых веществ, пороха, бенгальских огней и др. Кроме того, серу используют в качестве одного из ингредиентов средств для борьбы с вредителями. В медицине ее применяют в качестве компонента при изготовлении лекарств от кожных заболеваний. Также рассматриваемое вещество используется при производстве разнообразных красителей. Кроме того, ее применяют при изготовлении люминофоров.

Электронное строение серы

Как известно, все атомы состоят из ядра, в котором находятся протоны - позитивно заряженные частицы - и нейтроны, т. е. частицы, имеющие нулевой заряд. Вокруг ядра вращаются электроны, заряд которых негативный. Чтобы атом был нейтральным, в его структуре должно быть одинаковое количество протонов и электронов. Если же последних больше, это уже отрицательный ион - анион. Если же наоборот - количество протонов больше, чем электронов - это положительный ион, или катион. Анион серы может выступать в качестве кислотного остатка. Он входит в состав молекул таких веществ, как сульфидная кислота (сероводород) и сульфиды металлов. Анион образуется в ходе электролитической диссоциации, которая происходит при растворении вещества в воде. При этом молекула распадается на катион, который может быть представлен в виде иона металла либо водорода, а также катион - ион кислотного остатка либо гидроксильной группы (ОН-).

Так как порядковый номер серы в таблице Менделеева - шестнадцать, то можно сделать вывод, что в ее ядре находится именно такое количество протонов. Исходя из этого, можно сказать, что и электронов, вращающихся вокруг, тоже шестнадцать. Количество же нейтронов можно узнать, отняв от молярной массы порядковый номер химического элемента: 32 - 16 = 16. Каждый электрон вращается не хаотично, а по определенной орбите. Так как сера - химический элемент, который относится к третьему периоду таблицы Менделеева, то и орбит вокруг ядра три. На первой из них расположено два электрона, на второй - восемь, на третьей - шесть. Электронная формула атома серы записывается следующим образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.

Распространенность в природе

В основном рассматриваемый химический элемент встречается в составе минералов, которые являются сульфидами разнообразных металлов. В первую очередь это пирит - соль железа; также это свинцовый, серебряный, медный блеск, цинковая обманка, киноварь - сульфид ртути. Кроме того, сера может входить и в состав минералов, структура которых представлена тремя и более химическими элементами.

Например, халькопирит, мирабилит, кизерит, гипс. Можно рассмотреть каждый из них более подробно. Пирит - это сульфид феррума, или FeS 2 . Он обладает светло-желтой окраской с золотистым блеском. Данный минерал можно часто встретить как примесь в лазурите, который широко используется для изготовления украшений. Это связано с тем, что данные два минерала зачастую имеют общее месторождение. Медный блеск - халькоцит, или халькозин - представляет собой синевато-серое вещество, похожее на металл. и серебряный блеск (аргентит) имеют схожие свойства: они оба внешне напоминают металлы, имеют серую окраску. Киноварь - это коричневато-красный тусклый минерал с серыми вкраплениями. Халькопирит, химическая формула которого CuFeS 2 , - золотисто-желтый, его еще называют золотой обманкой. Цинковая обманка (сфалерит) может иметь окраску от янтарной до огненно-оранжевой. Мирабилит - Na 2 SO 4 x10H 2 O - прозрачные либо белые кристаллы. Его еще называют применяют в медицине. Химическая формула кизерита - MgSO 4 xH 2 O. Он выглядит как белый либо бесцветный порошок. Химическая формула гипса - CaSO 4 x2H 2 O. Кроме того, данный химический элемент входит в состав клеток живых организмов и является важным микроэлементом.

При получении обжигового газа путем сжигания серы отпадает необходимость очистки от примесей. Стадия подготовки будет включать лишь осушку газа и утилизацию кислоты. При сжигании серы протекает необратимая экзотермическая реакция:

S + O 2 = SO 2 (1)

с выделением очень большого количества теплоты: изменение Н= -362,4 кДж/моль, или в пересчете на единицу массы 362,4/32=11,325 кДж/т = 11325 кДж/кг S.

Расплавленная жидкая сера, подаваемая на сжигание, испаряется (кипит) при температуре 444,6 *С; теплота испарения составляет 288 кДж/кг. Как видно из приведенных данных, теплоты реакции горения серы вполне достаточно для испарения исходного сырья, поэтому взаимодействие серы и кислорода происходит в газовой фазе (гомогенная реакция).

Сжигание серы в промышленности проводят следующим образом. Серу предварительно расплавляют (для этого можно использовать водяной пар, полученный при утилизации теплоты основной реакции горения серы). Так как температура плавления серы сравнительно низка, то путем отстаивания и последующей фильтрации от серы легко отделить механические примеси, не перешедшие в жидкую фазу, и получить исходное сырье достаточной степени чистоты. Для сжигания расплавленной серы используют два типа печей – форсуночные и циклонные. В них необходимо предусмотреть распыление жидкой серы для ее быстрого испарения и обеспечения надежного контакта с воздухом во всех частях аппарата.

Из печи обжиговый газ поступает в котел-утилизатор и далее в последующие аппараты.

Концентрация диоксида серы в обжиговом газе зависит от соотношения серы и воздуха, подаваемых на сжигание. Если воздух берут в стехиометрическом количестве, т.е. на каждый моль серы 1 моль кислорода, то при полном сгорании серы концентрация будет равна объемной доле кислорода в воздухе С so 2. max =21%. Однако обычно воздух берут в избытке, так как в противном случае в печи будет слишком высокая температура.

При адиабатическом сжигании серы температура обжига для реакционной смеси стехиометрического состава составит ~ 1500*С. В практических условиях возможности повышения температуры в печи ограничены тем, что выше 1300*С быстро разрушается футеровка печи и газоходов. Обычно при сжигании серы получают обжиговый газ, содержащий 13 – 14% SO 2 .

2. Контактное окисление so2 в so3

Контактное окисление диоксида серы является типичным примером гетерогенного окислительного экзотермического катализа.

Это один из наиболее изученных каталитических синтезов. В СССР наиболее основательные работы по изучению окисления SO 2 в SO 3 и разработке катализаторов были проведены Г.К. Боресковым. Реакция окисления диоксида серы

SO 2 + 0,5 O 2 = SO 3 (2)

характеризуется очень высоким значением энергии активации и поэтому практическое ее осуществление возможно лишь в присутствии катализатора.

В промышленности основным катализатором окисления SO 2 является катализатор на основе оксида ванадия V 2 O 5 (ванадиевая контактная масса). Кталитическая активность в этой реакции проявляют и другие соединения, прежде всего платина. Однако, платиновые катализаторы чрезвычайно чувствительны даже к следам мышьяка, селена, хлора и других примесей и поэтому постепенно были вытеснены ванадиевым катализатором.

Скорость реакции повышается с ростом концентрации кислорода, поэтому процесс в промышленности проводят при его избытке.

Так как реакция окисления SO 2 относится к типу экзотермических, температурный режим ее проведения должен приближаться к линии оптимальных температур. На выбор температурного режима дополнительно накладываются два ограничения, связанные со свойствами катализатора. Нижним температурным пределом является температура зажигания ванадиевых катализаторов, составляющая в зависимости от конкретного вида катализатора и состава газа 400 – 440*С. верхний температурный предел составляет 600 – 650*С и определяется тем, что выше этих температур происходит перестройка структуры катализатора, и он теряет свою активность.

В диапазоне 400 – 600*С процесс стремятся провести так, чтобы по мере увеличения степени превращения температура уменьшалась.

Чаще всего в промышленности используют полочные контактные аппараты с наружным теплообменом. Схема теплообмена предполагает максимальное использование теплоты реакции для подогрева исходного газа и одновременное охлаждение газа между полками.

Одна из важнейших задач, стоящих перед сернокислотной промышленностью, - увеличение степени превращения диоксида серы и снижение его выбросов в атмосферу. Эта задача может быть решена несколькими методами.

Один из наиболее рациональных методов решения этой задачи, повсеместно применяемой в сернокислотной промышленности, - метод двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА). Для смещения равновесия вправо и увеличения выхода процесса, а также для увеличения скорости процесса процесс проводят по этому методу. Его сущность состоит в том, что реакционную смесь, в которой степень превращения SO 2 составляет 90 – 95%, охлаждают и направляют в промежуточный абсорбер для выделения SO 3 . В оставшемся реакционном газе соотношение O 2:SO 2 существенно повышается, что приводит к смещению равновесия реакции вправо. Вновь нагретый реакционный газ снова подают в контактный аппарат, где на одном-двух слоях катализатора достигают 95% степени превращения оставшегося SO 2 .суммарная степень превращения SO 2 составляет в таком процессе 99,5% - 99,8 %.