Аллотропные модификации серы: разнообразие форм простого вещества

Удивительно, но простое вещество сера в зависимости от условий может существовать в разных формах - аллотропных модификациях. Эти удивительные превращения желтого порошка в таинственную коричневую жидкость и обратно заставляют задуматься: а может ли что-то похожее происходить с нами самими? Давайте разберемся в многообразии проявлений серы.

Что такое аллотропия и полиморфизм на примере серы

Аллотропия - это способность химического элемента существовать в двух и более простых веществах с различными физическими свойствами. Ярким примером аллотропии является сера.

Полиморфизм - это способность твердых тел существовать в нескольких аллотропных модификациях с различным кристаллическим строением. Также называют аллотропными видоизменениями или просто модификациями.

Причины аллотропии серы кроются в особенностях ее атомов, которые легко соединяются в цепочки и кольца. Это приводит к образованию молекул и кристаллов разных форм, которые по-разному ведут себя в зависимости от температуры, давления и других факторов.

Основные аллотропные модификации серы:

• Ромбическая сера - твердая, хрупкая, желтого цвета.
• Моноклинная сера - твердая, хрупкая, бесцветная или бледно-желтая.
• Пластическая сера - вязкая жидкость коричневого цвета.

Помимо перечисленных, существует еще несколько редких и малоизученных форм, включая нитевидную, коллоидную, черную серу и другие.

Условия существования и взаимопревращения аллотропных модификаций серы

Какую аллотропную модификацию примет сера - зависит от температуры, давления и других факторов. Эти зависимости отражает фазовая диаграмма серы (см. рисунок).

На диаграмме видно, что при нормальном давлении и температуре около 20°C устойчива ромбическая сера - твердая желтая модификация. При нагревании выше 95°C она плавится, образуя жидкую пластическую серу коричневого цвета. Если эту вязкую массу быстро охладить - получится опять твердая ромбическая сера .

Но если медленно охлаждать расплав от 160°C до 95°C, то образуется твердая бесцветная моноклинная сера. А дальнейшее охлаждение приведет к постепенному превращению моноклинной серы в ромбическую.

Такие взаимопревращения аллотропных модификаций называются переходами. Скорости переходов и точные температурные интервалы зависят от многих факторов. Например, чистоты и размера кристаллов, наличия примесей, давления и другого.

Практические рекомендации по получению аллотропных модификаций серы:

1. Для получения пластической серы - быстро охладить расплав серы от 160°C до комнатной температуры.
2. Чтобы приготовить моноклинную серу - медленно охлаждать расплав в интервале температур 160°C - 95°C.
3. Ромбическую серу можно получить при комнатной температуре из пластической или моноклинной модификаций.

В следующей таблице приведены температурные интервалы существования различных аллотропных модификаций серы :

Применение аллотропных модификаций серы

Разные аллотропные модификации серы используют в зависимости от их свойств и особенностей.

Ромбическую серу применяют для производства спичек, пороха, вулканизации каучука. Также используют в сельском хозяйстве как фунгицид и инсектицид. Эта дешевая и доступная модификация подходит для массового производства различных серосодержащих продуктов.

Бесцветная хрупкая моноклинная сера не имеет широкого применения из-за сложностей получения. Иногда используется в научных целях благодаря высокой чистоте.

Вязкая пластическая сера позволяет легко формовать различные изделия, поэтому применяется для производства корпусов серных ламп, сувениров, элементов художественных инсталляций.

Формулы основных аллотропных модификаций серы

Несмотря на наличие разных аллотропных модификаций , химическая формула серы записывается одинаково для всех форм: S.

Это связано с тем, что аллотропные видоизменения затрагивают в основном физическую структуру серы, а не химический состав. Например, формулы ромбической и моноклинной серы:

• Ромбическая сера - S_Р.
• Моноклинная сера - S_M.

Хотя их кристаллические решетки различаются.

Безопасное обращение с аллотропными модификациями серы

Несмотря на широкое использование, аллотропные модификации серы требуют осторожного обращения.

Особые меры предосторожности необходимы при хранении порошков и плавлении твердых форм, поскольку существует опасность воспламенения, взрыва, отравления серосодержащими газами.

Например, достаточно 20 г пыли серы на кубометр воздуха, чтобы смесь стала взрывоопасной.

Поэтому все работы желательно вести в вытяжном шкафу, используя СИЗ.