Сера – Селен – Теллур S – Se – Te
План изучения элементов: • • Введение История открытия Методы получения Физические свойства Химические свойства Применение Перспектива развития
Введение Се ра — химический элемент главной подгруппы VI группы, 3 го периода периодической системы химических элементов Д. И. Меделеева, с атомным номером 16. Проявляет неметаллические свойства. Обозначается символом S (лат. sulphur). Селе н — химический элемент главной подгруппы VI группы, 4 го периода периодической системы химических элементов Д. И. Меделеева, имеет атомный номер 34, обозначается символом Se (лат. Selenium), аналогично сере проявляет неметаллические свойства. Теллу р — химический элемент главной подгруппы VI группы, 5 го периода периодической системы химических элементов Д. И. Меделеева, имеет атомный номер 52, обозначается символом Te (лат. Tellurium), относится к семейству металлоидов (амфотерных металлов).
История открытия Сера в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с древности. С запахом горящей серы, удушающим действием сернистого газа и отвратительным запахом сероводорода человек познакомился ещё в доисторические времена. Именно из за этих свойств сера использовалась жрецами при религиозных обрядах. Сера с очень давних времён стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей. Около VIII в. китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях подобным пороху. Долгое время серу считали металлом. Элементарную природу серы установил Лавуазье 1 ноября 1772 года в своих опытах по сжиганию. Таким образом, точное время открытия серы не установлено, но известно, что открыта она была очень и очень давно. Название «сера» восходит к лат. sera – «воск» или лат. serum – «сыворотка» . Лат. sulphur предположительно восходит к индоевропейскому корню “swelp” — «гореть»
Совсем иным было открытие селена и теллура: Теллур впервые был найден в 1782 году в золотоносных рудах Трансильвании горным инспектором Францем Йозефом Мюллером (впоследствии барон фон Райхенштейн), на территории Австро Венгрии. В 1798 году Мартин Генрих Клапрот выделил теллур из руды и определил его важнейшие свойства. Селен – открыт Йёнсом Якобом Берце лиусом в 1817 году. Остались слова самого Берцелиуса о его открытии: «Я исследовал метод, который применяют для производства серной кислоты и обнаружил в серной кислоте светло коричневый осадок. Этот осадок, нагретый с помощью паяльной трубки, издавал слабый редечный запах. Согласно Клапроту, такой запах служит указанием на присутствие теллура. Я исследовал осадок и попытался отделить теллур. Однако, я не смог открыть в осадке никакого теллура. Тогда я подверг полученный в большом количестве осадок обстоятельному исследованию. Я нашёл, что осадок содержит до сих пор неизвестный металл, очень похожий по своим свойствам на теллур. В соответствии с этой аналогией я назвал новый элемент селеном (Selenium) от греческого σελήνη (луна), так как теллур назван в честь нашей планеты (Tellurium). »
Методы получения В настоящее время серу получают главным образом путём выплавки самородной серы непосредственно в местах её залегания под землёй. Серные руды добывают разными способами — в зависимости от условий залегания. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопления ядовитых газов — соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности её самовозгорания. Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные. Также сера в больших количествах содержится в природном газе в газообразном состоянии. Полученная химически чистая мелкодисперсная сера из природного газа является идеальным сырьём для химической и резиновой промышленности.
Значительные количества селена получают из шлама (отхода в виде пыли) медно электролитных производств, в котором селен присутствует в виде селенида серебра. Применяют несколько способов получения: окислительный обжиг с возгонкой (сублимацией) Se. O 2; нагревание шлама с концентрированной серной кислотой, окисление соединений селена до Se. O 2 с его последующей возгонкой; окислительное спекание с содой, конверсия полученной смеси соединений селена до соединений Se(IV) и их восстановление до элементарного селена действием SO 2.
Основной источник получения теллура — шламы электролитического рафинирования меди и свинца. Шламы подвергают обжигу, теллур остается в огарке, который промывают соляной кислотой. Из полученного солянокислого раствора теллур выделяют, пропуская через него сернистый газ SO 2. Для разделения селена и теллура добавляют серную кислоту. При этом выпадает диоксид теллура Те. О 2, а H 2 Se. O 3 остается в растворе. Из оксида Те. О 2 теллур восстанавливают углем. Для очистки теллура от серы и селена используют его способность под действием восстановителя (Al, Zn) в щелочной среде переходить в растворимый дителлурид динатрия Na 2 Te 2: Для осаждения теллура через раствор пропускают воздух или кислород: Для получения теллура особой чистоты его хлорируют: Образующийся тетрахлорид очищают дистилляцией или ректификацией. Затем тетрахлорид гидролизуют водой: а образовавшийся Те. О 2 восстанавливают водородом:
Физические свойства Сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны циклические молекулы S 8, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера — хрупкое вещество жёлтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S 4, S 6) цепями и открытыми цепями. Такой состав 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). Формулу серы чаще всего записывают просто S, так как она, хотя и имеет молекулярную структуру, является смесью простых веществ с разными молекулами. В воде сера нерастворима, некоторые её модификации растворяются в органических растворителях, например в сероуглероде, скипидаре. Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C превращается в очень вязкую тёмно коричневую массу.
Наибольшую вязкость расплав серы приобретает при температуре 190 °C; дальнейшее повышение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше 300 °C расплавленная сера снова становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она постепенно полимеризуется, увеличивая длину цепочки с повышением температуры. При нагревании серы свыше 190 °C полимерные звенья начинают рушиться. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд. Селен твёрдый селен имеет несколько аллотропных модификаций: аморфная (красного цвета) (порошкообразная, коллоидная, стекловидная (чёрная)) и кристаллическая (моноклинная α и β формы и гексагональная γ формы (серая)). Наиболее устойчивой модификацией является серый селен. Красный селен представляет собой менее устойчивую аморфную модификацию. При нагревании серого селена он даёт серый же расплав, а при дальнейшем нагревании испаряется с образованием коричневых паров. При резком охлаждении паров селен конденсируется в виде красной аллотропной модификации. Гексагональный селен вплоть до температуры плавления примесный полупроводник с дырочной проводимостью. Селен диамагнетик (пары его парамагнитны).
Теллур — хрупкое серебристо белое вещество с металлическим блеском. В тонких слоях на просвет красно коричневый, в парах — золотисто жёлтый. При нагреве на воздухе теллур сгорает, образуя Te. O 2. Это прочное соединение обладает меньшей летучестью, чем сам теллур. Поэтому для очистки теллура от оксидов их восстанавливают проточным водородом при 500— 600 °C. В расплавленном состоянии теллур довольно инертен, поэтому в качестве контейнерных материалов при его плавке применяют графит и кварц.
Химические свойства Сера. Конфигурация внешних электронов атома S 3 s Зр. В соединениях Сера проявляет степени 2 4 окисления 2, +4, +6. Сера химически активна и особенно легко при нагревании соединяется почти со всеми элементами, за исключением N 2, I 2, Au, Pt и инертных газов. • Взаимодействие с металлами. Сера проявляет окислительные свойства, в результате взаимодействия образуются сульфиды: Cu + S = Cu. S. • Взаимодействие с водородом происходит при 150– 200 °С: H 2 + S = H 2 S. • Взаимодействие с кислородом. Сера горит в кислороде при 280 °С, на воздухе при 360 °С, при этом образуется смесь оксидов: S + O 2 = SO 2; 2 S + 3 O 2 = 2 SO 3. • Взаимодействие с фосфором и углеродом. При нагревании без доступа воздуха сера реагирует с фосфором, углеродом, проявляя окислительные свойства: 2 P + 3 S = P 2 S 3; 2 S + C = CS 2. • Взаимодействие с фтором. В присутствии сильных окислителей проявляет восстановительные свойства: S + 3 F 2 = SF 6. • Взаимодействие со сложными веществами. При взаимодействии со сложными веществами сера ведет себя как восстановитель: S + 2 HNO 3 = 2 NO + H 2 SO 4. • Реакция диспропорционирования. Сера способна к реакциям диспропорционирования, при взаимодействии со щелочью образуются сульфиды и сульфиты: 3 S + 6 KOH = K 2 S+4 O 3 + 2 K 2 S 2 + 3 H 2 O.
Селен — аналог серы (конфигурация внешней электронной оболочки атома Se 4 s 24 p 4) и проявляет в соединениях степени окисления − 2 (H 2 Se), +4 (Se. O 2) и +6 (H 2 Se. O 4). Однако, в отличие от серы, соединения селена в степени окисления +6 — сильнейшие окислители, а соединения селена ( 2) — гораздо более сильные восстановители, чем соответствующие соединения серы. Простое вещество — селен гораздо менее активно химически, чем сера. Так, в отличие от серы, селен не способен гореть на воздухе самостоятельно. Окислить селен удаётся только при дополнительном нагревании, при котором он медленно горит синим пламенем, превращаясь в двуокись Se. O 2. Со щелочными металлами селен реагирует (весьма бурно) только будучи расплавленным. В отличие от SO 2, Se. O 2 — не газ, а кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Получить селенистую кислоту (Se. O 2 + H 2 O → H 2 Se. O 3) ничуть не сложнее, чем сернистую. А действуя на неё сильным окислителем (например, HCl. O 3), получают селеновую кислоту H 2 Se. O 4, почти такую же сильную, как серная. • При нагревании на воздухе сгорает с образованием бесцветного кристаллического Se. O 2: Se +O 2 = Se. O 2. • С водой также взаимодействует при нагревании: 3 Se + 3 H 2 O = 2 H 2 Se + H 2 Se. O 3. • Селен реагирует при нагревании с азотной кислотой, с образованием селенистой кислоты H 2 Se. O 3: 3 Se + 4 HNO 3 + H 2 O = 3 H 2 Se. O 3 + 4 NO. • При кипячении в щелочных растворах селен диспропорционирует: 3 Se + 6 KOH = K 2 Se. O 3 + 2 K 2 Se + 3 H 2 O.
• Селен взамодействует с сульфидами и полисульфидами с образованием тиоселенидов. При нагревании селена с растворами Na 2 SO 3 и KCN протекают реакции: Na 2 SO 3 + Se = Na 2 SSe. O 3; KCN + Se = KSe. CN. • Сильные окислители ( озон О 3, фтор F 2) окисляют селен до Se+6: Se + O 3 = Se. O 3, Se + 3 F 2 = Se. F 6. Теллур — аналог серы и селена (конфигурация внешней электронной оболочки атома Те 5 s 25 p 4) с более резко выраженными металлическими свойствами. В соединениях проявляет степени окисления 2; +4; + 6, реже +2. На воздухе при комнатной температуре теллур устойчив, при нагревании реагирует с кислородом. Взаимодействует с галогенами, со многими металлами вступает в реакцию при нагревании. При нагревании теллур окисляется водяным паром с образованием оксида теллура(II), взаимодействует с концентрированными серной и азотной кислотами. • При 100– 160°C окисляется водой: Te+2 H 2 O= Te. O 2+2 H 2
• При кипячении в водных растворах щелочей диспропорционирует аналогично сере: 8 Te + 6 Nа. ОН = Na 2 Te. O 3 + 2 Na 2 Te + 3 H 2 O • С соляной и разбавленной серной кислотами Te не взаимодействует. Концентрированная H 2 SO 4 растворяет Te, образующиеся катионы Te 42+окрашивают раствор в красный цвет. Разбавленная HNO 3 окисляет Te до теллуристой кислоты H 2 Te. O 3: 3 Te+4 HNO 3+H 2 O=3 H 2 Te. O 3+4 NO. • Сильные окислители (HCl. O 3, KMn. O 4) окисляют Te до слабой теллуровой кислоты H 6 Te. O 6: Te+HCl. O 3+3 H 2 O=HCl+H 6 Te. O 6. • С галогенами (кроме фтора) образует тетрагалогениды. Фтор окисляет Te до гексафторида Te. F 6. • Теллуроводород H 2 Te — бесцветный ядовитый газ с неприятным запахом образуется при гидролизе теллуридов. • Соединения теллура (+2) неустойчивы и склонны к диспропорционированию: 2 Te. Cl 2=Te. Cl 4+Te.
Применение Сера применяется в первую очередь для получения серной кислоты; в бумажной промышленности (для получения сульфитцеллюлозы); в сельском хозяйстве (для борьбы с болезнями растений, главным образом винограда и хлопчатника); в резиновой промышленности (вулканизующий агент); в производстве красителей и светящихся составов; для получения черного (охотничьего) пороха; в производстве спичек. В медицинской практике применение серы основано на ее способности при взаимодействии с органических веществами организма образовывать сульфиды и пентатионовую кислоту, от присутствия которых зависят противомикробные и противопаразитарные эффекты. Очищенную и осажденную серу употребляют в мазях и присыпках для лечения некоторых кожных заболеваний (себорея, псориаз и других); в растворах для пиротерапии прогрессивного паралича и других.
Вестибюль и центральная лестница
Селен. Благодаря дешевизне и надежности селен используется в преобразовательной технике в выпрямительных полупроводниковых диодах, а также для фотоэлектрических приборов (гексагональный), электрофотографических копировальных устройств (аморфный селен), синтеза различных селенидов, в качестве люминофоров в телевидении, оптических и сигнальных приборах, терморезисторах и т. п. селен широко применяется для обесцвечивания зеленого стекла и получения рубиновых стекол; в металлургии для придания литой стали мелкозернистой структуры, улучшения механических свойств нержавеющих сталей; в химической промышленности в качестве катализатора; используется селен также в фармацевтической промышленности и других отраслях.
Теллур используют в полупроводниковой технике; в качестве легирующей добавки в сплавах свинца, чугуне и стали для улучшения их обрабатываемости и повышения механических характеристик; Bi 2 Te 3 и Sb 2 Te 3 применяют в термогенераторах, a Cd. Te в солнечных батареях и в качестве полупроводниковых лазерных материалов. Теллур используют также для отбеливания чугуна, вулканизации латексных смесей, производства коричневых и красных стекол и эмалей.
Перспективы развития Сера. Выполненные исследования показали, что потенциальные возможности серы как материала для получении полимерсерных бетонов, пропитанных серой, и других пористых материалов далеко не исчерпаны. Результаты испытаний показали, что образцы, пропитанные стабилизированной полимерной серой, во всех случаях имели показатели прочности, стираемости и стойкости выше, чем у образцов, пропитанных обычной серой. Эти интересные данные подтверждают необходимость ускоренного выполнения комплексных исследований и опытно промышленной проверки бетонов на полимерсерном вяжущем и цементных бетонов, пропитанных полимерной серой. Использование полимерной серы позволит получить новые, весьма эффективные материалы, которые во многих случаях не будут уступать полимербетонам и бетонополимерам на основе синтетических смол и найдут достаточно широкое применение не только в строительной практике, но и во многих других отраслях промышленности. Селен. В целом наиболее изученной функцией селена является регуляция антиоксидантных процессов во всех органах и тканях, прежде всего в ЦНС. Наиболее активным развитием области применения селена является развитие селена в медицине. Важнейшую роль играет селен в функционировании иммунной системы.
Он обладает антиоксидантными свойствами, повышает восприятие света сетчаткой глаза, влияет на многие ферментативные реакции. Также изучается влияние селена на риск возникновения онкопатологии. С каждым днём учёные всё больше определяют зависимость содержания селена в теле человека от типа болезни (от проблем со зрением до СПИДа). Использование селена в этой области поможет предупреждать и лечить многие болезни. Теллур используется в детекторах инфракрасного излучения, устройствах преобразования солнечной энергии в электрическую, в детекторах рентгеновского излучения, в устройствах техники терагерцового диапазона (телекоммуникации). Основным направлением его использования является создание детекторов ионизирующих излучений, нашедших применение в медицине, системах безопасности и пр. Также он получает распространение при создании тонкопленочных солнечных элементов. Еще одной областью использования Te является астрофизика. Гамма телескопы позволяют получать рентгеновские и γ изображения неба с высокими угловым разрешением и чувствительностью. Позиционно чувствительные детекторы телескопа состоят из десятков тысяч элементов на основе монокристаллического Cd. Te.