Оглавление
Введение
1. Общая характеристика
2. Содержание серы в геосферах земли
3. Природные и техногенные источники поступления серы в окружающую среду
4. Круговорот серы в природных средах
5. Биологическая роль и формы существования серы в окружающей среде
6. Содержание серы в организме человека
7. Симптомы избыточного и недостаточного содержания серы в организме
8. Методы и способы определения серы и ее соединений
Заключение
Список источников и литературы
Приложения
Введение
Сера известна человечеству с древнейших времен. Встречаясь в природе в свободном состоянии, она обращала на себя внимание характерной желтой окраской, а также тем резким запахом, которым сопровождалось ее горение. Считалось также, что запах и голубое пламя, распространяющееся горящей серой, отгоняют демонов. Сернистый ангидрид - удушливый газ, образующийся при горении серы, еще в древности использовался для отбеливания тканей. При раскопках Помпеи нашли картину, на которой изображен противень с серой и приспособление для подвешивания над ним материи. Издавна употреблялась сера и ее соединения для приготовления косметических средств и для лечения кожных заболеваний. И очень давно ее начали использовать для военных целей. Так, в 670 году защитники Константинополя сожгли арабский флот с помощью “греческого огня”; это была смесь селитры, угля и серы. Те же вещества входили в состав черного пороха, применявшегося в Европе в средние века и до конца XIX в.
Серная кислота, одно из самых важных соединений серы, была открыта, по-видимому, к X в, начиная с XVIII века, ее производят в промышленных масштабах и вскоре она становится важнейшим химическим продуктом, необходимым и в металлургии, и в текстильной промышленности, и в других, самых различных отраслях. В связи с этим начались еще более интенсивные поиски месторождений серы, изучение химических свойств серы и ее соединений и совершенствование методов их извлечения из природного сырья.
Русское название элемента происходит от древне - индийского (санскритского) слова “сира” - светло-желтый. Приставка “тио”, часто применяемая к соединениям серы, происходит от греческого названия серы - “тейон” (божественный, небесный). Ведь сера издавна была символом горючести; огонь же считался достоянием богов, пока Прометей, как гласит миф, не принес его людям.
1. Общая характеристика
СЕРА, S (Sulfur)-- химический элемент VI группы периодической системы Менделеева, атомный номер 16, атомная масса 32,066. Природная сера состоит из 4 стабильных изотопов: 32S (95,018%), 33S (0,75%), 34S (4,215%) и 36S (0,017%); известно также 6 искусственных изотопов серы с массовыми числами от 29 до 38.
Первые упоминания о сере встречаются за 2 тысячи лет до н.э. При нормальных условиях сера -- твёрдое вещество жёлтого цвета, неметалл. Известно несколько кристаллических модификаций серы, наиболее устойчивы из которых -- ромбическая а-cepa (а=1,0437 нм, b=1,2845 нм, с=2,4369 нм) лимонно-жёлтого цвета, устойчивая до 95,39°С, и моноклинная b-cepa (а=1,090 нм, b=1,096 нм, с=1,102 нм, b=86°16') медово-жёлтого цвета, устойчивая при 95,39-115,21°С. При более высокой температуре сера переходит в жидкое состояние, а при резком охлаждении жидкой серы образуется аморфная, пластической форма сера.
Плотность серы 2070 кг/м3 (а-модификация) и 1960 кг/м3 (b-модификация); t плавления 112,8 (для грязной Серы; а-S не плавится, а переходит в b-S) иt плавления=119,5°С для b-S, t кипения 444,6°С; теплопроводность 0,208 Вт/(м*град), теплоёмкость а-S 22,69 Дж/(моль*К); удельное электрическое сопротивление 1,9*1019 (Ом*м) при 20°С; температурный коэффициент линейного расширения для а-модификации 74,0*10-6 и 80,0*10-6 К-1 и b-модификации. Во всех жидких и твёрдых состояниях сера диамагнитна. Термодинамические и другие свойства серы резко изменяются при 160°С, что связано с изменением молекулярного состава жидкой серы. Вязкость серы с повышением температуры сильно возрастает (от 0,0065 Па*с при 155°С до 93,3 Па*с при 187°С), а потом падает (до 0,083 Па*с при 444,6°С).
В соединениях сера существует в различных степенях окисления (-2, +2, +4, +6), наиболее характерные степени окисления -2 и +6. В обычных условиях во влажной атмосфере сера медленно окисляется с образованием следовых количеств SО2. При нагревании образует соединения почти со всеми элементами, с металлами даёт сульфиды. При горении образует диоксид серы и частично триоксид серы. С водородом взаимодействует при 150-154°С, образуя H2S. Сера не даёт соединений с йодом, золотом, платиной и инертными газами. Растворима во многих органических соединениях; наиболее эффективные растворители: сероуглерод, анилин, пиридин, бензол и др. Соединения серы токсичны.
2. Содержание серы в геосферах земли
Среднее содержание серы в земной коре 4,7*10-2 % (по массе), при этом основное её количество сосредоточено в осадочных горных породах (0,3% по массе); содержание серы в ультраосновных горных породах 10-2 %, в основных -- 3*10-2 %, в средних -- 2*10-2 % и в кислых -- 4*10-2 % (по массе). Значительное количество серы находится в Мировом океане в виде сероводорода и сульфата (9*10-2 %). Встречается в природе в свободном состоянии (самородная сера) и в составе многочисленных минералов, из которых наибольшее значение имеют сульфиды (пирит FeS2, галенит PbS, сфалерит ZnS, пирротин Fe1-xS и др.) и сульфаты (гипс CaSО4*2H2О, ангидрит CaSО4, барит BaSО4 и др.). Довольно часто сера присутствует в твёрдых и жидких горючих ископаемых и природных газах, существенно ухудшая их качество.
3. Природные и техногенные источники поступления серы в окружающую среду
Соединения серы попадают в окружающую среду как естественным путем, так и в результате антропогенной деятельности. При этом в роли естественного источника выступает поверхность суши и океана:
Существует три основных источника естественной эмиссии серы.
1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения. Из указанных веществ сначала в атмосфере был обнаружен сероводород, а затем с развитием измерительных приборов и способов отбора проб воздуха удалось выделить ряд органических газообразных соединений серы. Наиболее важными источниками этих газов являются болота, зоны приливов и отливов у береговой линии морей, устья рек и некоторые почвы, содержащие большое количество органических веществ.
Поверхность моря также может содержать значительные количества сероводорода. В его возникновении принимают участие морские водоросли. Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает30 - 40 млн. т. в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.
2. Вулканическая деятельность. При извержении вулканов в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой тропосферу, а при отдельных, большой силы извержениях наблюдается увеличение концентрации соединений серы и в более высоких слоях - в стратосфере. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений. Для тропосферы это количество незначительно по сравнению с биологическими выделениями, для стратосферы же извержения вулканов являются самым важным источником появления серы.
сера источник круговорот
3. Поверхность океанов. После испарения капель воды, поступающих в атмосферу с поверхности океанов, остается морская соль, содержащая наряду с ионами натрия и хлора соединения серы - сульфаты.
Вместе с частицами морской соли ежегодно в атмосферупопадает50 - 200 млн. т. серы, что гораздо больше, чем эмиссия серы биологическим путем. В то же время частицы соли из-за своих больших размеров быстро выпадают из атмосферы и, таким образом, только ничтожная часть серы попадает в верхние слои или распыляется над сушей. Следует также учесть, что из сульфатов морского происхождения не может образоваться серная кислота, поэтому с точки зрения образования кислотных дождей они не имеют существенного значения. Их влияние сказывается лишь на регулировании образования облаков и осадков.
В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70%антропогенныхвыбросов.
При сгорании нефтепродуктов SO2 образуется гораздо меньше, чем при сгорании угля. Кроме того, источником поступления в атмосферу SO2 является металлургическая промышленность (переработка сульфидных руд меди, свинца и цинка), а также предприятия по производству серной кислоты, целлюлозно-бумажная промышленность, предприятия по переработке нефти и др.
Содержание серы (несколько процентов) в угле достаточно велико (особенно в буром угле). В процессе горения сера превращается в сернистый газ, а часть серы остается в золе в твердом состоянии. Содержание диоксида серы в атмосфере фоновых районов европейской части России в холодное время года изменяется от 0,0046 мг/м3 на северо-западе до 0,007 мг/м3 в юго-восточной части региона. В теплое время года концентрация диоксиды серы в 2 - 8 раз ниже. Повышение уровня концентрации зимой обусловлено ухудшением метеорологических условий рассеяния примесей, увеличением количества промышленных выбросов, замедлением химических процессов трансформации веществ при низкой температуре воздуха. По данным Росгидромета на территории России (за исключением Северо-Кавказского региона, Республики Калмыкия и Астраханской области) выпадает 4,22 млн.т серы в год. В частности годовое выпадение серы в северном экономическом регионе представлено в таблице:
В поверхностные воды сульфаты попадают главным образом за счет химического выветривания и растворения серосодержащих минералов, в основном гипса, а также окисления сульфидов серы. Значительное количество сульфатов поступает в водные объекты в процессе отмирания организмов и окисления сульфидов растительного и животного происхождения, а также с промышленными и бытовыми сточными водами.
4. Круговорот серы в природных средах
Сера относится к жизненно важным элементам - она необходима для построения белков и аминокислот. В природе сера существует в виде газообразных соединений, таких как сероводород, сернистый ангидрид, в свободном состоянии - самородная сера, а также в виде минералов - сульфидов и сульфатов.
Преобладающая часть круговорота серы происходит в почве и воде благодаря жизнедеятельности различных микроорганизмов, которые превращают одни формы серы в другие. Хорошо растворимые в воде сульфаты являются основным источником серы для растений и животных. Поглощая сульфаты, растения восстанавливают их и создают серосодержащие аминокислоты, которые играют важную роль при создании структуры сульфопротеинов (серосодержащих белков).
Органические отходы биоценозов разлагаются гетеротрофными бактериями, при этом органическая сера восстанавливается до сероводорода . Затем хемосинтезирующие бактерии вновь окисляют сероводород до сульфатов, доступных продуцентам.
Заключительная фаза круговорота серы полностью осадочная: в почве и глубоководных осадках в анаэробных условиях в присутствии железа сера образует практически нерастворимые в воде сульфиды железа.
Деятельность человека, в особенности выбросы в атмосферу сульфатов, образующихся в результате сжигания мазута и угля с высоким содержанием серы для получения электроэнергии, приводит к перенасыщению атмосферного воздуха окислами серы, которые обычно присутствуют в нем в незначительном количестве. В атмосфере окислы серы реагируют с водяным паром, образуя в конечном итоге серную кислоту. В результате загрязняется атмосферный воздух, на землю выпадают осадки в виде «кислотных дождей», тем самым нарушается природный круговорот серы.
5. Биологическая роль и формы существования серы в окружающей среде
Биологическая роль серы исключительно велика. Она входит в состав серосодержащих аминокислот - цистеина, цистина, незаменимой аминокислоты метионина, биологически активных веществ (гистамина, биотина, липоевой кислоты и др.) В активные центры молекул ряда ферментов входят SH - группы, участвующие во многих ферментативных реакциях, в том числе в создании и стабилизации трехмерной структуры белков, а в некоторых случаях - непосредственно как каталитические центры ферментов.
Сера обеспечивает в клетке такой тонкий и сложный процесс, как передача энергии: переносит электроны, принимая на свободную орбиталь один из неспаренных электронов кислорода. Этим объясняется высокая потребность организма в данном элементе.
Сера участвует в фиксации и транспорте метильных групп. Она является также частью различных коэнзимов, включая коэнзим А. Большая часть серы поступает в организм в составе аминокислот, а выводится в основном с мочой в виде SO2-4. К числу наиболее опасных соединений серы ,как загрязнителей природной среды, относятся сероводород и диоксид серы. Сероводород выбрасывают в атмосферу предприятия нефтеперерабатывающей, коксохимической, азотно-туковой промышленности.
В больших концентрациях сероводород действует как сильный яд нервно-паралитического действия. При его концентрации 1000 мг/м3 и выше у человека появляются судороги, может остановиться дыхание или наступить паралич сердца. Сероводород блокирует дыхательные ферменты в результате его взаимодействия с железом. Раздражающе действует на слизистую органов дыхания и глаз. Сероводород крайне ядовит: уже при концентрации 0,1% влияет на центральную нервную систему, сердечно-сосудистую систему, вызывает поражение печени, желудочно-кишечного тракта, эндокринного аппарата. При хроническом воздействии малых концентраций - изменение световой чувствительности глаз и электрической активности мозга, может вызывать изменения в морфологическом составе крови, ухудшение состояния сердечно-сосудистой и нервной систем человека.