Соду затем выщелачивают водой, а водную суспензию плохо растворимого сульфида кальция обрабатывают диоксидом углерода:
CaS + CO2 + H2O = CaCO3 + H2S
Образующийся сероводород H2S в смеси с воздухом пропускают в печи над слоем катализатора. При этом за счет неполного окисления сероводорода образуется сера:
2H2S + O2 = 2H2O +2S
Аналогичный метод используют для получения элементарной серы и из сероводорода, сопутствующего природным газам.
Так как современная техника нуждается в сере высокой чистоты, разработаны эффективные методы рафинирования серы. При этом используют, в частности, различия в химическом поведении серы и примесей. Так, мышьяк и селен удаляют, обработав серу смесью азотной и серной кислот.
Использованием методов, основанных на дистилляции и ректификации, удается получить высокочистую серу с содержанием примесей 10–5 - 10–6 % по массе.
Около половины производимой серы используется на производство серной кислоты, около 25% расходуется для получения сульфитов, 10-15% — для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (главным образом винограда и хлопчатника) (наибольшее значение здесь имеет раствор медного купороса CuSO4·5H2O), около 10% используется резиновой промышленностью для вулканизации резины. Серу применяют при производстве красителей и пигментов, взрывчатых веществ (она до сих пор входит в состав пороха), искусственных волокон, люминофоров. Серу используют при производстве спичек, так как она входит в состав, из которого изготовляют головки спичек. Серу до сих пор содержат некоторые мази, которыми лечат заболевания кожи. Для придания сталям особых свойств в них вводят небольшие добавки серы (хотя, как правило, примесь серы в сталях нежелательна).
Сера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). Биологическое значение серы определяется прежде всего тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи –S–S– в полипетидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (–SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями.
В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г серы. Суточная потребность взрослого человека в сере — около 4.
Однако по своему отрицательному воздействию на окружающую среду и человека сера (точнее, ее соединения) стоит на одном из первых мест. Основной источник загрязнения серой — сжигание каменного угля и других видов топлива, содержащих серу. При этом около 96% серы, содержащейся в топливе, попадает в атмосферу в виде сернистого газа SO2.
В атмосфере сернистый газ постепенно окисляется до оксида серы (VI). Оба оксида — и оксид серы (IV), и оксид серы (VI) — взаимодействуют с парами воды с образованием кислотного раствора. Затем эти растворы выпадают в виде кислотных дождей. Оказавшись в почве, кислотные воды угнетают развитие почвенной фауны и растений. В результате создаются неблагоприятные условия для развития растительности, особенно в северных регионах, где к суровому климату добавляется химическое загрязнение. В результате гибнут леса, нарушается травяной покров, ухудшается состояние водоемов. Кислотные дожди разрушают изготовленные из мрамора и других материалов памятники, более того, они вызывают разрушение даже каменных зданий и изделий из металлов. Поэтому приходится принимать разнообразные меры по предотвращению попадания соединений серы из топлива в атмосферу. Для этого подвергают очистке от соединений серы нефть и нефтепродукты, очищают образующиеся при сжигании топлива газы.
Сама по себе сера в виде пыли раздражает слизистые оболочки, органы дыхания и может вызывать серьезные заболевания. ПДК серы в воздухе 0,07 мг/м3.
Многие соединения серы токсичны. Особенно следует отметить сероводород, вдыхание которого быстро вызывает притупление реакции на его неприятный запах и может привести к тяжелым отравлениям даже с летальным исходом. ПДК сероводорода в воздухе рабочих помещений 10 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,008 мг/м3.
1.4. Трансформация серы
Сера – один из основных элементов питания растений. В природе она встречается в составе неорганических веществ: сульфатов, сульфидов, в молекулярном виде.
В живых организмах серы входит в состав аминокислот, белков, алкалоидов. В трансформации серы участвуют все природные компоненты: вода, воздух, почва, а также специализированные микроорганизмы. Одни из них окисляют соединения серы во внутриклеточных реакциях с выделением энергии, а другие восстанавливают. Эти химические реакции являются источником получения энергии для бактерий.
Микроорганизмы, участвующие в трансформации серы, относятся к хемолитотрофам, т. е. им свойственен неорганический характер окислительно-восстановительных реакций.
Основная доступная для растений форма соединений серы – сульфат-ионы, образующиеся в почве в результате деятельности микроорганизмов. Докажем это, проведя качественную реакцию на сульфат-ион в пробах из настоя сенной палочки и накопительной культуры серобактерий.
1.5. Учебно-исследовательский эксперимент: качественная реакция на сульфат-ион, микробиологическое исследование накопительной культуры серобактерий.
Опыт 1.
Реактивы и объекты: настой сенной палочки, накопительная серобактерий, раствор хлорида бария.
Подготовка к опыту. Для получения накопительной культуры десульфофицирующих бактерий готовят питательную смесь (на 1 л воды): сегнетовая соль – 5 г, аспарагин – 2 г, сульфат магния – гидрофосфат калия – 1 г, сульфат железа – следы. Смесь наливают в высокие конические колбы до самой пробки, заражают почвой и настаивают 7-10 суток при температуре 25-30 С.
В высокий цилиндр наливают воду, прибавляют туда свежеосаждённый гидроксид железа (III), небольшое количество ила из водоёма и немного сена, предварительно вываренного в большом количестве воды. Содержимое сосуда настаивают при комнатной температуре и через несколько дней наблюдают появление на стенках ржавых пятен, которые постепенно разрастаются и образуют сплошной «войлок», состоящий преимущественно из бактерий.
Отберите пробы из выданных склянок и докажите содержание в них сульфат-ионов. Запишите сокращённое ионное уравнение реакции.
В ходе дальнейшего круговорота эта форма иона восстанавливается. Сульфатредуцирующие бактерии, которые в результате своей жизнедеятельности образуют атомарный водород, осуществляют этот процесс по схеме:
SO + 8H – S + 4H2O + Q.
S + 8е – S
H - 1e – H
При ассимиляции (у растений) и иммобилизации (у микроорганизмов) часть серы усваивается и фиксируется в организме:
SO4 – S (орг.).
Дальнейший процесс связан с минерализацией органических соединений, содержащих серу. Происходит восстановление серы не специализированными гетеротрофными микроорганизмами:
S (орг.) – H2S,
и, таким образом, конечным продуктом восстановления сульфат-иона оказывается сероводород. Процесс восстановления серы получил название десульфофикации.
В природе этот процесс имеет немаловажное значение: он лежит в основе формирования в толщах морей и океанов слоёв, содержащих в высоких концентрациях сероводород. Так, в Чёрном море сероводородные воды занимают около 90% объёма. В бассейне Солёного озера (США) бактерии образуют в год до 10 т серы в виде сероводорода. Иловые отложения, содержащие сероводород, используют для лечения остеохондроза.
Трансформация предусматривает и обратный процесс – окисление образующегося сероводорода до сульфат-иона. Этот процесс осуществляют специализированные группы автотрофных микроорганизмов – серобактерии (бесцветные – аэробно, пурпурные и зелёные – анаэробно).
Сущность процесса сульфофикации:
2H2S + O2 – 2S + 2H2O + Q;
2S + 2H2O +3O2 – 2H2SO4 + Q.
Серобактерии могут запасать молекулярную серу. Энергию, получаемую от окисления, бактерии используют для восстановления углекислого газа. В условиях недостатка сероводорода в среде они переходят к окислению серы, запасённой в клетке, и окисляют её до серной кислоты. Последняя вступает во взаимодействие с гидрокарбонатом кальция с образованием гипса:
H2SO4 + Ca(HCO3)2 = CaSO4 + H2O +CO2.
Круговорот серы связан с круговоротом фосфора: когда в среде образуются сульфат-ионы, фосфор из нерастворимой формы переходит в растворимую и становится доступным к переработке:
FeHPO4 + S – FeS +HPO4.
Опыт 2.
Обсушиваем предметное стекло, обезжиренное в смеси Никифорова (спирт:эфир=1:1). Микробиологической петлёй, предварительно прокалённой, делаем мазок. Высушиваем его и фиксируем в пламени спиртовки. Окрашиваем в течении 2-3 мин (генциан-виолет, фуксин, метиловая синь) и смываем краситель. Готовый препарат высушиваем на воздухе. Изучаем его под микроскопом с объективом МИ-90, используя иммерсионное масло. Делаем рисунок и даём морфологическую характеристику обнаруженных форм.
В накопительной культуре чаще всего встречается Spirillum desulfuricans – вибрионоподобная палочка извилистой формы.
Другая распространённая форма этой группы, Vibrio desulfuricans – подвижный вибрион с одним или несколькими жгутиками, обычно обитает в шлаках и грязях.
2. Железо
Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).