Физические и химические свойства серы

Биогенная трансформация серы и железа

                                                                                                         

 

 

                                                                                                     Исполнитель:

                                                                                                     обучающаяся 104 группы

                                                                                                     Попова Виктория

                                                                                                     Руководитель:

                                                                                                     преподаватель

                                                                                                     Кокорина В. И.

 

Чаши 2009 г.

Содержание

 

Введение

 

1. Актуальность темы. Сера.

 

1.1. Физические и химические свойства серы.

 

1.2. Историческая справка, нахождение в природе.

 

1.3. Получение, применение, биологическая роль.

 

1.4. Трансформация серы.

 

1.5. Учебно-исследовательский эксперимент:

 

              Качественная реакция на сульфат-ион.

                  

              Микробиологическое исследование накопительной культуры серобактерий.

 

2. Железо.

 

    2.1. Физические свойства железа.

 

    2.2. Трансформация железа.

 

2.3.Учебно-исследовательский эксперимент.

 

Заключение. Обсуждение экологических проблем.

 

Используемая литература.

 

Приложение.

 

                                           

 

Введение

 

Актуальность темы:

       В новое тысячелетие человечество вступило в условиях экологического кризиса. На нашей планете Земля протекает круговорот веществ. Основу биологического круговорота, обеспечивающего жизнь на Земле, составляют энергия Солнца и хлорофилл зелёных растений. Все остальные круговороты связаны с биологическим и способствуют ему.

       В биосфере всё время совершаются круговорот воды и всех элементов, входящих в состав живых организмов. Процесс этот длится десятки миллионов лет.

       «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». (Вернадский)

       В круговороте веществ планеты Земля живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

       Газовая функция осуществляется зелёными растениями, которые в процессе фотосинтеза выделяют кислород, а также растениями и животными, которые при дыхании выделяют углекислый газ, многими бактериями, восстанавливающими азот, сероводород и др.

       Концентрационная функция проявляется в захвате живым веществом химических элементов (водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, марганца, алюминия, фосфора, кремния, калия, кальция, серы, железа) и накоплении отдельными видами йода, радия и др.

Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении веществ с помощью организмов в почвах и гидросфере с образованием солей, оксидов и др., в восстановлении веществ (сероводород, серное железо и др.). В результате деятельности бактерий в земной коре образовались отложения известняков, бокситов, руды и др.

       Биохимическая функция связана: а) с питанием, дыханием и размножением и б) с разрушением и гниением отмерших организмов. В се эти функции проявляются в биогенной миграции атомов.

       Особое место занимает функция человеческой деятельности и созданный ею круговорот выделяемых и поглощаемых промышленностью химических элементов.

       Мы в своей работе остановились на биогенной трансформации серы и железа.

Цель исследования:

Практически выполнить лабораторные опыты, доказывающее роль микроорганизмов в химических превращениях как составной части круговорота веществ в природе.

 

Задачи:

1. Изучить литературу по данной теме.

2. Изучить качественные реакции на исследуемые соединения.

3. Осуществить опытно-экспериментальную работу по трансформации серы и железа.

4. Обсудить экологические проблемы.

 

Объект исследования:

Соединения серы и железа, автотрофные микроорганизмы.

 

Предмет исследования:

Настой сенной палочки (серобактерии), гетеротрофные микроорганизмы (железобактерии).

 

Гипотеза:

Бактериальные организмы, участвующие в трансформации серы и железа, способствуют образованию отложений известняков, бокситов, руды и др., но они оказывают отрицательное многоплановое влияние на окружающую среду, т. е. могут приносить как пользу, так и вред.

 

Методы исследования:

1. Изучение теоретических источников по теме исследования (учебники, учебные пособия, методические журналы по химии, биологии, научно-популярная литература,  интернет).

2. Проведение опытно-экспериментальных работ.

3. Обобщение результатов исследования.

 

Сроки эксперимента:

Октябрь-ноябрь-декабрь 2009 год.

 

Участники эксперимента:

Обучающаяся 104 группы Попова Виктория.

Руководитель работы преподаватель ЧГАТК Кокорина В. И.

 

База эксперимента:

Чашинский колледж, кабинет химии, биологии.

           

 

 

                                       

 

 

Сера

Сера(лат. Sulfur), S, химический элемент с атомным номером 16, атомная масса 32,066. Химический символ серы S произносится «эс». Природная сера состоит из четырех стабильных нуклидов: ³²S (содержание 95,084% по массе), ³³S (0,74 %), ³⁴S (4,16%) и ³⁶S (0,016 %). Радиус атома серы 0,104 нм. Радиусы ионов: иона S^2– 0,170 нм (координационное число 6), иона S⁴⁺ 0,051 нм (координационное число 6) и иона S⁶⁺ 0,026 нм (координационное число 4). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома серы от S⁰ до S⁶⁺ равны, соответственно, 10,36, 23,35, 34,8, 47,3, 72,5 и 88,0 эВ. Сера расположена в VIA группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3-м периоде, и принадлежит к числу халькогенов. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s²3p⁴. Наиболее характерны степени окисления в соединениях –2, +4, +6 (валентности соответственно II, IV и VI). Значение электроотрицательности серы по Полингу 2,6. Сера относится к числу неметаллов.

       В свободном виде сера представляет собой желтые хрупкие кристаллы или желтый порошок.

       В природе постепенно происходит круговорот серы, подобный круговороту азота и углерода. Растения потребляют серу — ведь её атомы входят в состав белка. Растения берут серу из растворимых сульфатов, а гнилостные бактерии превращают серу белков в сероводород (отсюда — отвратительный запах гниения).

Но есть так называемые серобактерии, которым вообще не нужна органическая пища. Они питаются сероводородом, и в их организмах в результате реакции между H₂S, CO₂ и O₂ образуются углеводы и элементарная сера. Серобактерии нередко оказываются переполнены крупинками серы — почти всю их массу составляет сера с очень небольшой "добавкой" органических веществ.

 

 

Физические и химические свойства серы

Атомы серы обладают уникальной способностью образовывать устойчивые гомоцепи, т. е. цепи, состоящие только из атомов S (энергия связи S–S составляет около 260 кДж/моль). Гомоцепи серы имеют зигзагообразную форму, так как в их образовании принимают участие электроны, расположенные в соседних атомах на взаимно перпендикулярных р-орбиталях. Эти цепи могут достигать большой длины, или, наоборот, образовывать замкнутые кольца S₂₀, S₈, S₆, S₄.

Поэтому сера образует несколько десятков как кристаллических, так и аморфных модификаций, отличающихся как составом молекул и полимерных цепей, так и способом их упаковки в твердом состоянии.

При нормальном давлении и температурах до 98,38°C стабильна a-модификация серы (иначе эту модификацию называют ромбической), образующая лимонно-желтые кристаллы. Ее кристаллическая решетка орторомбическая, параметры элементарной ячейки a = 1,04646, b = 1,28660, c = 2,4486 нм. Плотность 2,07 кг/дм³. Выше 95,39°C стабильна b-модификация серы (так называемая моноклинная сера). При комнатной температуре параметры элементарной ячейки моноклинной b-S a = 1.090, b = 1.096, c = 1,102 нм, t = 83,27°. Плотность b-S 1,96 кг/дм³.

В структурах как a-, так и b-модификаций серы имеются неплоские восьмичленные циклические молекулы S₈. Такие молекулы немного похожи на короны.

Две эти модификации серы отличаются взаимной ориентацией молекул S₈ в кристаллической решетке.

Еще одну модификацию серы — так называемую ромбоэдрическую серу — можно получить выливанием раствора тиосульфата натрия Na₂S₂O₃ в концентрированную соляную кислоту при 0°C с последующей экстракцией серы толуолом. После испарения растворителя возникают ромбоэдрические кристаллы, содержащие молекулы S₆ в форме кресла.

Аморфную серу (плотность 1,92 г/см³) и резиноподобную пластическую серу получают при резком охлаждении расплавленной серы (выливая расплав в холодную воду). Эти модификации состоят из нерегулярных зигзагообразных цепей S_n. При длительном выдерживании при температурах 20-95°C все модификации серы превращаются в a-серу.

Температура плавления ромбической a-серы 112,8°С, а моноклинной b-серы 119,3°С. И в том, и в другом случае образуется легкоподвижная желтая жидкость, которая при температуре около 160°С темнеет; ее вязкость повышается, и при температуре выше 200°С расплавленная сера становится темно-коричневой и вязкой, как смола. Это объясняется тем, что сначала в расплаве разрушаются кольцевые молекулы S₈. Возникающие фрагменты объединяются друг с другом с образованием длинных цепей S из нескольких сотен тысяч атомов. Дальнейшее нагревание расплавленной серы (выше температуры 250°C) ведет к частичному разрыву цепей, и жидкость снова становится более подвижной. Около 190°C ее вязкость примерно в 9000 раз больше, чем при 160°C.

При температуре 444,6°C расплавленная сера закипает. В зависимости от температуры в ее парах можно обнаружить молекулы S₈, S₆, S₄ и S₂. Изменение состава молекул вызывает изменение окраски паров серы от оранжево-желтого до соломенно-желтого цвета. При температуре выше 1500°C молекулы S₂ диссоциируют на атомы.

Молекулы S₂ парамагнитны и построены аналогично молекуле O₂. Во всех других состояниях сера диамагнитна.

В воде сера практически нерастворима. Некоторые ее модификации растворяются в органических жидкостях (толуоле, бензоле) и особенно хорошо — в сероуглероде CS₂ и жидком аммиаке NH₃.

Сера — достаточно активный неметалл. Даже при умеренном нагревании она окисляет многие простые вещества, но и сама довольно легко окисляется кислородом и галогенами.

S + O₂ = SO₂; S + 3F₂ = SF₆,

2S + Cl₂ = S₂Cl₂ (c примесью SCl₂)

С водородом при нагревании сера образует сероводород H₂S и в небольшом количестве сульфаны (соединения состава H₂S_n):

H₂ + S <> H₂S.

Примеры реакций серы с металлами:

2Na + S = Na₂S, Ca + S = CaS, Fe + S = FeS

Образующиеся в этих реакциях сульфиды характеризуются не постоянным, а, как правило, переменным составом. Так, состав сульфида кальция может непрерывно изменяться в границах от CaS до CaS₅. Полисульфиды типа СаS_n или Na₂S_n при взаимодействии, например, с соляной кислотой образуют сульфаны H₂S_n, причем значение n может составлять от 1 до приблизительно 10.

Концентрированная серная кислота при нагревании окисляет серу до SO₂:

S + 2H₂SO₄ = 2H₂O + 3SO₂.

Царская водка (смесь азотной и соляной кислот) окисляет серу до серной кислоты.

Разбавленная азотная кислота, соляная кислота без окислителей и серная кислота на холоде с серой во взаимодействие не вступают. При нагревании в кипящей воде или растворах щелочей сера диспропорционирует:

3S + 6NaOH <> 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O;

Сера может присоединяться к сульфидам

Na₂S + (n–1)S = Na₂S_n

и к сульфитам:

Na₂SO₃ + S = Na₂S₂O₃

В результате протекания данной реакции из сульфита натрия Na₂SO₃ образуется тиосульфат натрия Na₂S₂O₃.

При нагревании сера реагирует почти со всеми элементами, кроме инертных газов, иода, азота, платины и золота.

Известно несколько оксидов серы. Кроме устойчивых диоксида серы SO₂ [другие названия: сернистый газ, сернистый ангидрид, оксид серы (IV)] и триоксида серы SO₃ [другие названия: серный газ, серный ангидрид, оксид серы (VI)], получены неустойчивые оксиды S₂O (при пропускании тока SO₂ через тлеющий разряд) и S₈O (при взаимодействии H₂S с SOCl₂). Пероксиды SO₄ и S₂O₇ образуются при пропускании SO₂ в смеси с кислородом через тлеющий разряд или за счет окисления SO₂ озоном.

Кислотному диоксиду серы SO₂ соответствует неустойчивая кислота средней силы H₂SO₃ (сернистая кислота):

Н₂О + SO₂ <> H₂SO₃,

а кислотному триоксиду серы SO₃ — сильная двухосновная серная кислота H₂SO₄:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

И сернистой кислоте H₂SO₃, и серной H₂SO₄ соответствуют по два ряда солей: кислые [соответственно гидросульфиты NaHSO₃, Ca(HSO₃)₂ и др. и гидросульфаты КНSO₄, NaНSO₄ и другие] и средние [сульфиты Na₂SO₃, K₂SO₃ и сульфаты CaSO₄, Fe₂ (SO₄)₃].

Сера входит в состав многих органических соединений.