Какими свойствами обладают соединения входящие в состав вулканических газов

Химия
9 класс

Строение и свойства атомов. Атомы серы, как и атомы кислорода и всех остальных элементов главной подгруппы VI группы Периодической системы Д. И. Менделеева, содержат на внешнем энергетическом уровне шесть электронов, из которых два электрона неспаренные. Однако по сравнению с атомами кислорода атомы серы имеют больший радиус, меньшее значение электроотрицательности, поэтому проявляют более выраженные восстановительные свойства, образуя соединения со степенями окисления +2, +4, +6.

По отношению к менее электроотрицательным элементам (водороду, металлам) сера проявляет окислительные свойства и приобретает степень окисления -2.

Сера — простое вещество. Для серы, как и для кислорода, характерна аллотропия. Известно много модификаций серы с циклическим или линейным строением молекул различного состава.

Наиболее устойчива модификация, известная под названием ромбической серы, состоящая из молекул S8 (рис. 116). Её кристаллы имеют вид октаэдров со срезанными углами. Они окрашены в лимонно-жёлтый цвет и полупрозрачны, температура плавления 112,8 °С. В эту модификацию при комнатной температуре превращаются все другие модификации.

Рис. 116.
Модель молекулы ромбической серы

Известно, например, что при кристаллизации из расплава сначала получается моноклинная сера (игольчатые кристаллы, температура плавления 119,3 °С), которая затем переходит в ромбическую (рис. 117). При нагревании кусочков серы в пробирке она плавится, превращаясь в жидкость жёлтого цвета. При температуре около 160 °С жидкая сера начинает темнеть и становится настолько густой и вязкой, что даже не выливается из пробирки, однако при дальнейшем нагревании превращается в легкоподвижную жидкость, но сохраняет прежний тёмно-коричневый цвет. Если её вылить в холодную воду, она застывает в виде прозрачной резинообразной массы. Это пластическая сера. Её можно получить и в виде нитей. Однако через несколько дней она также превращается в ромбическую серу.

Рис. 117.
Взаимопревращения аллотропных модификаций серы

Сера не растворяется в воде. Кристаллы серы в воде тонут, а вот порошок плавает на поверхности воды, так как мелкие кристаллики серы водой не смачиваются и поддерживаются на плаву мелкими пузырьками воздуха. Это процесс флотации. Сера малорастворима в этиловом спирте и диэтиловом эфире, хорошо растворяется в сероуглероде.

При обычных условиях сера реагирует со всеми щелочными и щёлочноземельными металлами, медью, ртутью, серебром, например:

Эта реакция лежит в основе удаления и обезвреживания разлитой ртути, например из разбитого термометра. Видимые капли ртути можно собрать на лист бумаги или на медную пластинку. Ртуть, которая попала в щели, нужно засыпать порошком серы. Такой процесс называют демеркуризацией.

При нагревании сера реагирует и с другими металлами (Zn, Al, Fe). Только золото не взаимодействует с ней ни при каких условиях.

Окислительные свойства сера проявляет и с водородом, с которым реагирует при нагревании:

Н2 + S = H2S.

Из неметаллов с серой не реагируют только азот и иод, а также благородные газы.

Сера горит синеватым пламенем, при этом образуется оксид серы (IV):

S + O2 = SO2.

Это соединение широко известно под названием сернистый газ.

Лабораторный опыт № 28
Горение серы на воздухе и в кислороде

Наберите в ложечку для сжигания веществ немного серы, подожгите её. Каков характер пламени горящей серы? Как изменится пламя, если ложечку с горящей серой внести в колбу с кислородом (с этой целью получите его из пероксида водорода, используя оксид марганца (IV))? Какой запах имеет образовавшийся продукт? Запишите уравнение реакции, рассмотрите окислительно-восстановительные процессы.

В природе сера встречается в трёх формах: самородная, сульфидная и сульфатная (рис. 118, табл. 8).

Рис. 118.
Сера в природе:
1 — самородная сера; 2 — пирит; 3 — цинковая обманка; 4 — гипс; 5 — глауберова соль

Таблица 8
Сера в природе

Сера — жизненно важный химический элемент. Она входит в состав белков — одних из основных химических компонентов клеток всех живых организмов. Особенно много серы в белках волос, рогов, шерсти. Кроме этого, сера является составной частью биологически активных веществ организма: витаминов и гормонов (например, инсулина).

Сера участвует в окислительно-восстановительных процессах организма. При недостатке серы в организме наблюдается хрупкость и ломкость костей и выпадение волос.

Серой богаты бобовые растения (горох, чечевица), овсяные хлопья, яйца.

Применение серы. Сера была известна людям с глубокой древности. Своё название она получила от санскритского слова сира, что значит «светло-жёлтый». Сера применялась в Древнем Египте уже за две тысячи лет до нашей эры для приготовления красок, беления тканей и изготовления косметических средств. В Древнем Риме серу применяли для лечения кожных болезней, а в Древней Греции её сжигали в целях дезинфекции вещей и воздуха в помещениях.

В Средние века у алхимиков сера была выражением одного из «основных начал природы» и обязательной составной частью «философского камня».

Если вы читали знаменитый роман А. Дюма «Граф Монте-Кристо», то сможете назвать области применения серы, известные с древнейших времён. Герой романа аббат Фариа притворился, что у него кожная болезнь, и ему для её лечения дали серу, которую предприимчивый аббат использовал для изготовления пороха.

Серу используют в производстве спичек и бумаги, резины и красок, взрывчатых веществ и лекарств, косметических препаратов. В сельском хозяйстве её применяют для борьбы с возбудителями грибных и бактериальных болезней, вредителями растений (рис. 119).

Рис. 119.
Применение серы:
1 — изготовление мазей; 2 — производство спичек; 3 — производство взрывчатых веществ; 4 — производство серной кислоты; 5 — целлюлозно-бумажная промышленность; 6 — в сельском хозяйстве для обеззараживания помещений; 7 — получение резины

Однако основной потребитель серы — химическая промышленность. Около половины добываемой в мире серы идёт на производство серной кислоты.

Новые слова и понятия

1. Строение атомов серы и степени окисления серы.
2. Аллотропия серы: ромбическая, моноклинная и пластическая сера.
3. Химические свойства серы: взаимодействие с металлами, кислородом, водородом. Демеркуризация.
4. Сера в природе: самородная, сульфидная и сульфатная сера.
5. Биологическое значение серы.
6. Применение серы.

Задания для самостоятельной работы

1. Вычислите объём сернистого газа (н. у.), который образуется при обжиге 485 кг цинковой обманки, содержащей в качестве примеси 20% оксида кремния (IV).
2. Составьте уравнение реакции взаимодействия серы с бертолетовой солью КСlO3, зная, что в результате её образуется хлорид калия и сернистый газ. (При уравнивании используйте метод электронного баланса.) Рассмотрите эту реакцию как окислительно-восстановительный процесс.
3. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения:

   

   Укажите среди этих реакций окислительно-восстановительные, определите окислители и восстановители.

4. Выдающийся естествоиспытатель древности Плиний Старший погиб в 70 г. н. э. при извержении вулкана. Его племянник в письме историку Тациту писал: «…Вдруг раздались раскаты грома, и от горного пламени покатились вниз чёрные серные пары. Все разбежались. Плиний… упал и задохся».

   Какими свойствами обладают соединения, входящие в состав вулканических газов?

5. Почему процесс обеззараживания помещений от пролитой ртути называют демеркуризацией?

С вулканическими газами в атмосферу попадают окислы серы, азота, углерода, а также хлор. Углекислый газ входит в атмосферный запас углерода, окислы азота и серы быстро вымываются дождями и попадают на почву в виде слабых растворов азотной, азотистой, серной и сернистой кислот. Вблизи действующего вулкана кислотность дождевой воды может стать опасно высокой и подавить рост и развитие растений, водных и почвенных животных. Но вдали от вулкана, а после прекращения извержения и вблизи него, эти кислоты постепенно нейтрализуются, соли азотной и азотистой кислот поглощаются растениями и их азот входит в состав белков и других азотсодержащих органических веществ. Растворимые соединения серы постепенно вымываются, а в небольших количествах сера также включается в состав белков растений, а потом и других компонентов экосистем.[ …]

В природных земных газах мы имеем четыре различные по происхождению группы: 1) вулканические газы, 2) биогенные газы, 3) газы подземных газовых и водяных струй, 4) газы из космических пространств.[ …]

НСО , pH) может быть связано с выходами вулканических газов (п Эльбрус).[ …]

А. Можно полагать, что водяной пар (например, пар вулканических газов) начал разлагаться под действием ультрафиолетовой радиации с К = 134 . . . 237 нм по реакции Н20 + к V -> ОН + Н. При этом атомы водорода Н могли ускользать из верхней горячей атмосферы — такой процесс изучен сейчас хорошо — со скоростью 107 . . . 108 атомов с 1 см2 в секунду. В дальнейшем при реакции ОН + ОН Н 20 + О образовывался свободный кислород.[ …]

В природе в свободном состоянии сероводород встречается в вулканических газах, нефтяном газе, в минеральных источниках. Он тяжелее воздуха и имеет тенденцию скапливаться на дне ям, колодцев и в нижних зонах производственных помещений. Вес 1 л газообразного сероводорода при нормальных условиях 1,539 г. Сероводород растворим в воде и в некоторых органических растворителях. Водный раствор сероводорода на свету мутнеет вследствие выделения серы.[ …]

Атмосфера Земли содержала также хлор, сероводород и другие газы, ядовитые для многих из живущих сейчас на Земле организмов. Состав атмосферы в то время в значительной степени определялся вулканическими газами; вулканическая деятельность была гораздо более активна, чем сейчас. Из-за отсутствия кислорода не существовало и слоя озона, экранирующего губительное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое, таким образом, достигало поверхности суши и воды. Это излучение убило бы любые живые организмы, но, как это ни странно, считается, что именно оно породило химическую эволюцию, приведшую к возникновению сложных органических молекул, таких, как аминокислоты, которые послужили блоками для построения примитивных живых систем.[ …]

Вулканы иной раз выбрасывают в атмосферу колоссальные количества дыма и вулканического пепла. Достаточно сказать, что при сильном извержении выбрасывается до 75 мли. кубометров мелких частиц. Эти частицы вместе с вулканическими газами могут подыматься в стратосферу на высоту свыше 20 км. Самые мелкие частицы могут не выпадать на землю на протяжении нескольких лет.[ …]

Большие количества молекулярного водорода поступают в атмосферу в составе вулканических газов и поствулканических эксгаляций. Тем не менее в атмосфере присутствует только лишь 0,2 Гт Н2, поскольку этот легкий газ постепенно рассеивается в околоземном пространстве. Значительные количества водорода, вероятно, образуются при микробиологическом разрушении мертвого органического вещества. Однако этот водород не поступает в атмосферу: он практически полностью перехватывается другими микроорганизмами, в частности, использующими его при восстановлении С02 и метанола с образованием метана.[ …]

На химический состав почв оказывают влияние метеоритная и космическая пыль, вулканические газы, а также минерализованные брызги, выдуваемые с поверхности морей и океанов.[ …]

В атмосфере содержится — 0,03% С02, или 2,3 -1012 т. Источником поступления углекислого газа в атмосферу являются вулканические газы, горячие ключи, дыхание человека, животных, растений и, наконец, сжигание человеком горючих ископаемых. Сжигание топлива вносит ежегодно в атмосферу не менее 1 -1010 т углекислоты. Примерно Ы011 т С02 непрерывно находится в обменном состоянии между атмосферой и океаном. Обмен углекислоты в поверхностных слоях океана происходит в течение 5—25 лет, в глубоких — в течение 200—1000 лег. Полный обмен С02 в атмосфере происходит за 300—500 лет.[ …]

Многие элементы поступают в биосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями.[ …]

Своеобразие состава нижних слоев современной атмосферы состоит в малом содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода. Он сильно отличается от состава вулканических газов, за счет которых атмосфера возникла в прошлом. Причина столь сильного изменения заключается в мощной преобразующей деятельности живых организмов биосферы.[ …]

Своеобразие состава современной атмосферы Земли выражается в ничтожном содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода. Состав атмосферы сильно отличается от вулканических газов, за счет которых она возникла в далеком прошлом. Эго свидетельствует о том, что в течение геологической истории Земли происходили мощные процессы, изменившие состав ее газовой оболочки. Эти процессы связывают с активностью живого населения биосферы. И в самом деле, расчеты показывают, что в добиологический период атмосфера Земли мало отличалась от близкой к ней по размерам и расстоянию от Солнца Венеры (табл. 1.4).[ …]

При извержении вулканов в атмосфере вместе с газообразными продуктами выбрасывается большое количество пепла. В состав вулканических газов входят HCl, HF, NH3, Cl2, S02, H2S, С02, Н20, твердые частицы состоят, в основном из Si02.[ …]

Естественные колебания содержания озона вызваны, как уже говорилось, циклическими изменениями активности Солнца и выбросами вулканических газов при извержениях. Произошедшее за последнее десятилетие снижение содержания озона на 5% связано почти целиком с загрязнением атмосферного воздуха выбросами промышленности и транспорта. Небольшой вклад в это внесло извержение вулкана Эль-Чичон в 1981 году, но снижение содержания озона с тех пор продолжается. За это время содержание хлора в атмосфере увеличилось в 6 раз, достигнув к 1985 г. 6 тысяч тонн, причем почти весь этот хлор имеет антропогенное происхождение. Дополнительный вклад в разрушение озона вносят и окислы азота, количество которых в атмосфере, также за счет преимущественно антропогенных выбросов, все еще возрастает.[ …]

Основными поражающими факторами при извержении вулканов являются УВВ, летящие осколки (камни, деревья, части конструкций), пепел, вулканические газы (углекислый, сернистый, водород, азот, метан, сероводород, иногда фтор, отравляющий источники воды), тепловое излучение, лава, движущаяся по склону со скоростью до 80 км/ч при температуре до 1000°С и сжигающая все на своем пути. Вторичные поражающие факторы — цунами, пожары, взрывы, завалы, наводнения, оползни. Наиболее частыми причинами гибели людей и животных в районах извержения вулканов являются травмы, ожоги (часто верхних дыхательных путей), асфиксия (кислородное голодание), поражение глаз. В течение значительного промежутка времени после извержения вулкана среди населения наблюдается повышение заболеваемости бронхиальной астмой, бронхитами, обострение ряда хронических заболеваний. В районах извержения вулканов устанавливается эпидемиологический надзор.[ …]

По мере возрастающей потери Н2 в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества Ы2 (из N113), С02 (из вулканических газов и из СН4) и паров воды (рис. 2.11).[ …]

На поверхности океана глубоководное извержение вулкана обычно никак не проявляется. Выделяющиеся из волнистых, подушечных, глыбовых расплавов вулканические газы полностью поглощаются водной толщей.[ …]

В природных водах содержится в различных концентрациях в результате разложения органических веществ, в минеральных водах, куда поступает из вулканических газов.[ …]

По мере все возраставшей утечки водорода в космическое пространство создавалась третичная атмосфера. В результате распада аммиака в больших количествах образовывался азот, составляющий основу современной атмосферы, а из метана и вулканических газов образовался диоксид углерода. Увеличивалось содержание паров воды.[ …]

Хлор, попадающий в воздух даже в небольших количествах, может оказать заметное влияние на концентрацию озона в верхних слоях атмосферы. Отметим, что озон создает экран, защищающий поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, опасного для всего живого на суше. В небольших количествах с вулканическими газами и пылью в атмосферу попадает множество других веществ, роль которых в биосферных процессах незначительна.[ …]

Хлор и другие галогены (фтор, бром) поступают в страто-сферу в основном в виде галогенорганических соединений. Хлористый водород и другие неорганические соединения хлора, присутствующие в заметном количестве в тропосфере, почти полностью вымываются облаками и осадками и в стратосферу попадают в незначимом количестве. Лишь во время крупных вулканических извержений в стратосферу может поступать значительное количество хлористого водорода, содержащегося в вулканических газах. Так, во время извержения вулкана Агунг в марте 1963 г. в стратосферу, согласно оценкам, попало около 1,2 Мт хлористого водорода. Основным природным источником хлора в стратосфере является хлористый метил (СНзС1), образующийся при разложении или сгорании биологических продуктов, преимущественно морского происхождения.[ …]

Земля в своем движении в межпланетном пространстве аа год пересекает объем космического пространства около 3-1016 м3. Исходя из плотностй вещества космического пространства можно оценить его количество, захватываемое атмосферой Земли. По Петерсону [17], это составляет 107т за год (данная оценка, возможно, завышена на порядок). Огромные массы аэрозоля и газов выносятся в атмосферу в процессе вулканической деятельности. Особенно важны с точки зрения оптики атмосферы крупные извержения, когда мощные ,массы пепла и газов выбрасываются не только в тропосферу, но и в стратосферу, чему -способствуют мощные конвективные потоки во время извержений. После извержения вулкана Кракатоа в 1883 г. в течение нескольких лет наблюдались необыкновенно красочные зори, создаваемые -аэрозольным слоем в стратосфере. По данным [12], на высокогорной обсерватории в Мауна-Лоа после извержения вулкана Агунг на острове Бали уменьшение солнечной радиации -достигло 1,5%, а на южном полюсе — даже 5,3%. Для восстановления средних величин инсоляции после извержения потребовалось 7 лет. Длительность восстановления нормального светового и цветового режима в атмосфере дает дополнительное подтверждение важности фотохимического процесса образования субмикронной фракции аэрозоля из вулканических газов, так как крупные твердые частицы выводятся из атмосферы значительно быстрее.[ …]

Хотя воздаст Земли оценен сейчас довольно точно — около 4,5-109 лет, о первичной атмосфере Земли нам известно очень мало. Если Земля возникла из космического протопланетного облака, в составе которого вначале содержался в большой пропорции водород, то несомненно этот водород был очень рано потерян Землей. Геологи полагают, что известная нам атмосфера Земли вторичная, образовавшаяся из вулканических газов или выделенная из геологических пород. В этих газах не было свободного кислорода (как почти нет его в атмосферах других планет). Такая вулканическая атмосфера Земли содержала около 109 лет назад, вероятно, лишь Н2, Н20, N[ …]

Затем SO быстро окисляется до S02 различными соединениями (Р122) — (Р124). Наряду с серооксидом углерода в небольшом количестве сера может попадать в стратосферу в виде сероводорода (H2S) и органических соединений серы — меркаптанов, имеющих структуру H—S—R или Ri—S—R2. Как сероводород, так и меркаптаны образуются при разложении органических соединений т. е. являются биогенными продуктами. Кроме того, сероводород наряду с диоксидом серы может содержаться в вулканических газах.[ …]

Распределение частиц фонового стратосферного аэрозоля по размерам и концентрация частиц могут изменяться в широких пределах. Наиболее характерно одномодовое распределение с модальным радиусом, близким к 0,1 мкм. В отдельных случаях наблюдаются и бимодальные распределения, образующиеся, по-видимому, при перемешивании частиц с различной историей роста. Концентрация частиц фонового стратосферного аэрозоля проявляет широтный ход — концентрация частиц наибольшая в экваториальной области и уменьшается к полюсам. При низкой вулканической активности концентрация частиц радиусом более 0,15 мкм составляет 1—2 см-3, а частиц радиусом более 0,03 мкм (ядер Айткена)—около 10—12 см-3. Вулканические извержения через некоторое время резко увеличивают весовую и счетную концентрации частиц фонового стратосферного аэрозоля. Так, примерно через шесть месяцев после извержения вулкана Сан-Фуэго концентрация частиц увеличилась почти на порядок и достигла 8—10 см-3. Задержка между моментом вулканического извержения и временем достижения максимальной концентрации аэрозольных частиц обусловлена медленным процессом окисления диоксида серы, содержащегося в вулканических газах, до серной кислоты (см. п. 3.8). После достижения максимума концентрация частиц фонового стратосферного аэрозоля постепенно уменьшается и через 2—3 года снижается до уровня, существовавшего до извержения вулкана.[ …]

Благодаря механизмам обратной связи, обеспечивающим саморегуляцию (эти механизмы очень упрощенно показаны стрелками на рис. 4.2), круговорот азота относительно совершенен, если рассматривать его в масштабе крупных площадей или всей биосферы. Часть азота из густозаселенных областей суши, пресных вод и мелководных морей уходит в глубоководные океанические отложения и таким образом выключается из круговорота, по крайней мере на время (возможно, на несколько миллионов лет). Эта потеря компенсируется поступлением азота в воздух с вулканическими газами (а также из наших «индустриальных вулканов»). Стало быть, вулканические явления нельзя считать целиком вредными; какая-то польза от них все же есть. Если бы оказалось технически возможным блокировать все вулканы на Земле, то при этом от голода вполне могло бы погибнуть больше людей, чем страдаем сейчас от извержений.[ …]

В составе излучений Солнца жесткие УФ-лучи составляют значительную по мощности часть. До появления в атмосфере озона поверхность Земли находилась под постоянным воздействием жесткого УФ-излучения. Оно не проникает в толщу воды, но на сушу жизнь могла выйти только тогда, когда озоновый экран планеты стал достаточно мощным. Это произошло в силурийском периоде палеозойской эры, более 400 миллионов лет назад. С тех пор как содержание кислорода в атмосфере, так, следовательно, и мощность озонового экрана не были постоянными. Эволюция земной коры шла неравномерно, в периоды повышенной вулканической активности массы выбрасываемых с магмой восстановленных пород, окисляясь на воздухе, частично связывали кислород. Даже незначительное количество хлора, содержащегося в вулканических газах, активно разрушая озон, способствовало снижению его содержания в атмосфере. В этих условиях Земля подвергалась, по-видимому, усиленному УФ-облучению, что, с одной стороны, способствовало гибели части видов наземных растенйй и животных, с другой — повышало частоту мутаций, способствуя интенсификации процессов эволюции.[ …]

Круговые движения воды не ограничиваются поверхностью Земли. Значительное количество воды присутствует в горных породах в виде пленочных и поровых вод, еще больше входит ее в состав минералов, образующихся в зоне гипергенеза. Все глинистые минералы, оксиды железа и другие распространенные в этой зоне соединения содержат в своем составе воду. Подсчитано, что в 16-километровом слое земной коры содержится примерно 200 млн км воды. Поступая в глубинные зоны земной коры, связанные формы воды постепенно освобождаются и включаются в метаморфические, магматические и гидротермические процессы. С вулканическими газами и горячими источниками глубинные воды поступают на поверхность.[ …]

Количественно мы учесть ее пока не можем; она совсем мало изучена. Взятая в целом, однако, она не может быть оставляема без внимания и является биогенной. В ней же резко проявляется биогенная угольная кислота второго рода, которая создается в метаморфических оболочках разложением биогенных минералов, благодаря высокой температуре этих оболочек: с одной стороны, каменных углей и битумов, нефтей, а с другой .биогенных известняков, которые выявляются нам как огромный и непрерывно идущий ток метаморфического происхождения биогенной по существу угольной кислоты в подземных водах и в газовых струях. Того же типа угольная кислота выделяется во всех вулканических процессах благодаря разложению биогенных горных пород, разлагаемых лавой и горячими вулканическими газами — битумов, известняков, каменных углей, нефтей и т. н.[ …]

Образовавшееся за время существования нашей планеты из воды (по описанной схеме) количество кислорода оценивается в 1015т, что соответствует его количеству в современной атмосфере. Но для приведения химического состава Земли к современному состоянию потребовалось значительно большее количество кислорода, потраченного на окисление метана и аммиака первичной атмосферы, а также на окисление всех пород земной коры. Без участия растений это было бы невозможно. Кислорода они производят порядка 3 • 106 кг/с или 1011 т/г. Однако последние миллионы лет его содержание больше не увеличивается — весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание животных, окисление вулканических газов, горение и гниение мертвых растений. В настоящее время значительное количество кислорода потребляется промышленностью и транспортом.[ …]