Войти
аллотроп элемента элемент, сера, Наиболее распространенная в природе циклооктасера (цикло-S 8).Элемент сера существует в виде множества аллотропов. По количеству аллотропов сера уступает только углерод. Помимо аллотропов, каждый аллотроп часто существует в полиморфах, обозначенных греческими префиксами (α, β и т. д.).
Кроме того, поскольку элементарная сера имеет был предметом торговли на протяжении веков, его различным формам даны традиционные названия. Первые исследователи идентифицировали некоторые формы, которые позже оказались единичными или смешанными аллотропами. Некоторые формы были названы по их внешнему виду, например, «перламутровая сера», или, альтернативно, назван в честь химика, который был выдающимся специалистом в их идентификации, например, «сера Мутмана I» или «сера Энгеля».
Наиболее часто встречающейся формой серы является ромбическая полимерная rph из S. 8, который имеет гофрированную кольцевую или «коронную» структуру. Известны два других полиморфа, также с почти идентичной молекулярной структурой. Помимо S 8 известны серные кольца из 6, 7, 9–15, 18 и 20 атомов. По крайней мере, пять аллотропов образуются однозначно при высоких давлениях, два из которых являются металлическими.
Число аллотропов серы отражает относительно прочную связь S-S, равную 265 кДж / моль. Кроме того, в отличие от большинства элементов, аллотропами серы можно управлять в растворах органических растворителей, и их можно анализировать с помощью ВЭЖХ.
Историческая фазовая диаграмма серы. Фазовая диаграмма с 1975 года, представляющая данные по 1970 год. Ордината - давление в килобарах (кбар). а абсцисса представляет собой температуру в кельвинах (K). (Температуры 200, 400, 600 и 800 К соответствуют приблизительным температурам -73, 127, 327 и 527 ° C соответственно.) Римские цифры I-XII относятся к известным твердым фазам, обозначенным как «объемные, оптические и методы электрического сопротивления », и буквы AE для предполагаемых отдельных жидких« фаз », идентифицированных с помощью дифференциального термического анализа. Информация о фазах основана на работе G. C. Vezzoli, et al., В обзоре Дэвида Янга; как отмечает Янг: «Литература по аллотропии серы представляет собой наиболее сложную и запутанную ситуацию из всех элементов». Информация о фазах ограничена значением ≤50 кбар и, таким образом, не включает металлические фазы. Фазовая диаграмма давление-температура (P-T) для серы сложна (см. Изображение). Область, обозначенная I (сплошная область), представляет собой α-серу.
В исследовании высокого давления при температуре окружающей среды были обнаружены четыре новые твердые формы, обозначенные как II, III, IV, V, где α-сера представляет собой форму I. Твердые формы II и III являются полимерными, а IV и V являются металлическими (и являются сверхпроводящими ниже 10 К и 17 К, соответственно). При лазерном облучении твердых образцов образуются три формы серы ниже 200–300 кбар (20–30 ГПа).
Существует два метода приготовления аллотропов цикло-серы. Одним из наиболее известных методов получения гексасеры является обработка полисульфидов водорода дихлоридом полисеры:
Вторая стратегия использует пентасульфид титаноцена в качестве источника звена S 5. Этот комплекс легко получить из растворов полисульфидов:
Пентасульфид титаноцена реагирует с хлоридом полисеры:
Этот аллотроп не был изолирован, но был обнаружен в паровой фазе.
Цикло-гексасера, цикло-S 6Этот аллотроп был впервые получен М.Р. Энгелем в 1891 году путем обработки тиосульфата HCl. Цикло-S 6 имеет оранжево-красный цвет и образует ромбоэдрический кристалл. Его называют ρ-серой, ε-серой, серой Энгеля и серой Атона. Другой способ получения включает реакцию полисульфана с монохлоридом серы :
Серное кольцо в цикло-S 6 имеет «стул» телосложение, напоминающее форму стула из циклогексана. Все атомы серы эквивалентны.
Структура S 7.Это ярко-желтое твердое вещество. Известны четыре (α-, β-, γ-, δ-) формы циклогептасеры. Были охарактеризованы две формы (γ-, δ-). Кольцо цикло-S 7 имеет необычный диапазон длин связей - 199,3–218,1 пм. Он считается наименее стабильным из всех аллотропов серы.
α-Сера является формой, наиболее часто встречающейся в природа. В чистом виде он имеет зеленовато-желтый цвет (следы цикло-S 7 в имеющихся в продаже образцах делают его более желтым). Он практически не растворяется в воде и является хорошим электроизолятором с плохой теплопроводностью. Он хорошо растворим в сероуглероде : 35,5 г / 100 г растворителя при 25 ° C. Он имеет ромбическую кристаллическую структуру. α-Сера - преобладающая форма, содержащаяся в «цветках серы», «рулонной сере» и «молоке серы». Он содержит S 8 гофрированные кольца, альтернативно называемые формой короны. Длина связи S-S составляет все 203,7 пм, а углы S-S-S составляют 107,8 ° с двугранным углом 98 °. При 95,3 ° C α-сера превращается в β-серу.
β-Сера представляет собой твердое вещество желтого цвета с моноклинной кристаллической формой и менее плотное, чем α-сера. Как и α-форма, она содержит гофрированные кольца S 8 и отличается от нее только способом упаковки колец в кристалле. Это необычно, потому что оно стабильно только выше 95,3 ° C; ниже этой температуры он превращается в α-серу. β-Сера может быть получена путем кристаллизации при 100 ° C и быстрого охлаждения для замедления образования α-серы. Он имеет температуру плавления, которая по-разному обозначается как 119,6 ° C и 119,8 ° C, но поскольку он разлагается на другие формы примерно при этой температуре, наблюдаемая точка плавления может варьироваться. Точка плавления 119 ° C была названа «идеальной точкой плавления», а типичное более низкое значение (114,5 ° C), когда происходит разложение, - «естественной точкой плавления».
γ-Сера была впервые получена Ф. У. Мутманном в 1890 году. Иногда ее называют «перламутровая сера» или «перламутровая сера» из-за ее внешнего вида. Кристаллизуется в бледно-желтых моноклинных иглах. Он содержит сморщенные кольца S 8, такие как α-сера и β-сера, и отличается от них только способом упаковки этих колец. Это самая плотная форма из трех. Его можно получить путем медленного охлаждения расплавленной серы, нагретой до температуры выше 150 ° C, или путем охлаждения растворов серы в сероуглероде, этиловом спирте или углеводородах. Встречается в природе как минерал росикит.
Циклододекасера, цикло-S 12Эти аллотропы были синтезированы различными способами, например, обработкой пентасульфида титаноцена и дихлорсульфана с подходящей длиной цепи серы, S n-5 Cl2:
или альтернативная обработка дихлорсульфаном, S n-m Cl2и полисульфан, H 2Sm:
S12, S 18 и S 20 также может быть получен из S 8. За исключением цикло-S 12, кольца содержат длины связей SS и валентный угол SSS, которые отличаются друг от друга.
Cyclo-S 12 является наиболее стабильный циклоаллотроп. Его структуру можно представить себе как имеющую атомы серы в трех параллельных плоскостях: 3 в верхней, 6 в средней и три в нижней.
Две формы (α-, β-) цикло-S <189 Известны>9, одна из которых охарактеризована.
Известны две формы цикло-S 18, у которых конформация кольца различна. Чтобы различать эти структуры, вместо того, чтобы использовать обычные кристаллографические соглашения для α-, β- и т.д., которые в других соединениях цикло-S n относятся к разным упаковкам по существу одного и того же конформера , эти два конформера были названы эндо- и экзо-.
Этот аддукт получают из раствора цикло-S 6 и цикло-S 10 в CS 2. Его плотность находится посередине между цикло-S 6 и цикло-S 10. Кристалл состоит из чередующихся слоев цикло-S 6 и цикло-S 10. Этот материал является редким примером аллотропа, содержащего молекулы разных размеров.
Две параллельные цепочки одноатомной серы, выращенные внутри одностенной углеродной нанотрубки (CNT, а) Зигзагообразные (б) и прямые (в) S-цепи внутри двустенных УНТ. Получение чистых форм катена-серы оказалось чрезвычайно трудным. К усложняющим факторам относятся чистота исходного материала и термическая история образца.
Эта форма, также называемая волокнистой серой или ω1-серой, хорошо охарактеризована. Он имеет плотность 2,01 г · см (α-сера 2,069 г · см) и разлагается примерно при температуре плавления 104 ° C. Он состоит из параллельных спиральных цепочек серы. Эти цепи имеют как левую, так и правую «скрутки» и радиус 95 пм. Длина связи SS составляет 206,6 мкм, валентный угол SSS составляет 106 °, а двугранный угол составляет 85,3 ° (сопоставимые цифры для α-серы составляют 203,7 мкм, 107,8 ° и 98,3 °).
Пластинчатая сера не была хорошо охарактеризована, но считается, что она состоит из перекрещенных спиралей. Его также называют χ-серой или ω2-серой.
Названия различных форм очень сбивают с толку, и необходимо внимательно определить, что описывается как одни и те же названия используются взаимозаменяемо.
Аморфная сера - это закаленный продукт расплавов серы при температуре выше 160 ° C (в этот момент свойства жидкого расплава заметно меняются, например, большое увеличение вязкость). Его форма постепенно изменяется от первоначальной пластичной формы до стеклянной, отсюда и другие его названия - пластичная, стекловидная или стекловидная сера. Ее еще называют χ-серой. Он содержит сложную смесь катена-серных форм, смешанных с циклоформами.
Нерастворимая сера получается промывкой закаленной жидкой серы CS 2. Иногда ее называют полимерной серой, μ-S или ω-S.
Волокнистая (φ-) сера представляет собой смесь аллотропной ψ- формы и γ -циклоS 8.
ω-Сера представляет собой коммерчески доступный продукт, полученный из аморфной серы, которая не подвергалась растяжению перед экстракцией растворимых форм CS 2. Иногда ее называют «белой серой Даса» или суперсублимированной серой. Это смесь ψ-серы и слоистой серы. Состав зависит от точного способа производства и истории образцов. Одна хорошо известная коммерческая форма - «Крайстекс». ω-сера используется при вулканизации каучука.
λ-сера - это название, данное расплавленной сере сразу после плавления, охлаждения λ- сера дает преимущественно β-серу.
μ-Сера - это название, применяемое к твердой нерастворимой сере и расплаву перед гашением.
π-Сера представляет собой жидкость темного цвета, образующуюся, когда λ-серу оставляют в расплавленном состоянии. Он содержит смесь S n колец.
Этот термин применяется к бирадикальным цепям катены в сере тает или цепочки в твердом теле.
Аллотропы выделены жирным шрифтом.
| Формула/ имя | Обычное имя | Другие названия | Примечания | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| S2 | дисера | Двухатомный газ с триплетным основным состоянием, например дикислород. | ||||
| S3 | трисера | Вишнево-красный трехатомный газ с изогнутым озоном -подобная структура. | ||||
| S4 | тетрасера | Структура не определена, но расчеты показывают, что это цикло-S 4. | ||||
| цикло-S 5 | циклопентасера | Еще не выделен, обнаружен только в парах серы. 309>цикло-S 6 | ρ-сера | циклогексасера, «ε-сера», «сера Энгеля», «сера Атона» | Кольцо принимает форму стула в твердом веществе. | |
| аддукт цикло-S 6 / цикло-S 10 | Смешанный кристалл с чередующимися слоями цикло-S 6 и цикло-S <231.>цикло-S 7 | α-, β-, γ-, δ-циклогептасера | Четыре известные формы, две (γ-, δ-) охарактеризованы. | |||
| цикло-S 8 | α-сера | «орторомбическая сера», «ромбическая сера», «цветы серы», «рулонная сера» «молоко сера »,« сера I » | Желтое твердое вещество, состоящее из гофрированных колец S 8. Термодинамически стабильная форма при обычных температурах. | |||
| цикло-S 8 | β-сера | «моноклинная сера» «призматическая сера» «сера II» | Желтое кристаллическое твердое вещество, состоящее из S 8 гофрированных колец. Стабильно только при температуре выше 95,3 ° C, он превращается в α-серу при комнатной температуре. | |||
| цикло-S 8 | γ-сера | «перламутровая сера» «перламутровая сера» «сера Гернеца» или «сера Мутмана» III ". | Светло-желтое твердое вещество, моноклинное кристалл, состоящее из S 8 гофрированных колец. Встречается в природе как редкий минерал розиккиит. | |||
| цикло-S n. n = 9–15, 18, 20 | цикло- (нона; дека; ундека; додека; тридека; тетрадека; пентадека; октадека. ; eicosa) сера | Чистые формы всех аллотропов, цикло-S 9 имеет четыре формы, цикло-S 18 имеет две формы. Обычно синтезируется, а не получается обработкой другой формы элементарной серы. | ||||
| катена-S x | волокнистая (ψ) сера | Хорошо охарактеризована, содержит параллельные спиральные цепи серы и ее трудно получить в чистом виде. | ||||
| катена -S x | пластинка серы | Не охарактеризована хорошо, содержит частично перекрещенные спиральные цепи. | ||||
| аморфная сера | «пластичная сера» | Закаленная расплавленная сера сначала затвердевает до аморфной или стеклообразной серы. Состоит из смеси катена-серы и цикло-серы. | ||||
| нерастворимая сера | гашеная жидкая сера растворимыми частицами экстрагируется CS 2. Иногда называется полимерной серой, μ-S или ω-S. | |||||
| φ-сера | Смесь аллотропной ψ-серы и циклоформ, в основном γ-цикло-S 8. | |||||
| ω-сера | нерастворимая сера | Смесь цепей с минимум растворимых веществ. | ||||
| λ-сера | Светло-желтая подвижная жидкость, образовавшаяся, когда β-сера сначала плавится при 119,6 ° C. Состоит из колец S 8. | |||||
| μ-сера | Вязкая жидкость темного цвета, образующаяся при нагревании π-серы, и твердое вещество при охлаждении. Содержит смесь полимерных цепей. | |||||
| π-сера | Жидкость темного цвета, которая образуется, когда λ-сера остается расплавленной. Содержит смесь колец S n. | |||||
| Формы α-серы под высоким давлением | S-II, S-III, S-IV, SV и др. | Четыре высоких - фазы давления (при температуре окружающей среды), включая две, которые являются металлическими и становятся сверхпроводящими при низкой температуре, и некоторые дополнительные фазы фотоиндуцированы ниже 20–30 ГПа. | ||||
Дисульфур, S 2, является преобладающим веществом в парах серы выше 720 ° C (температура выше, чем показано на фазовая диаграмма); при низком давлении (1 мм рт. ст.) при 530 ° C он составляет 99% пара. Это триплет бирадикала (например, дикислород и монооксид серы ) с длиной связи S-S 188,7 пм. Синий цвет горящей серы обусловлен излучением света молекулой S 2, образующейся в пламени.
Молекула S 2 застряла в соединение [S 2I4] [EF 6]2(E = As, Sb ) для кристаллографических измерений, полученное обработкой элементарной серы избытком йода в жидком диоксиде серы. Катион [S 2I4] имеет структуру «открытой книги», в которой каждый [I 2 ] ион отдает неспаренный электрон на π молекулярной орбитали на свободную орбиталь. молекулы S 2.
S3обнаруживается в парах серы, содержащих 10% парообразных частиц при 440 ° C и 10 мм рт. Он вишнево-красного цвета, с изогнутой структурой, подобен озону, O 3.
S4был обнаружен в паровой фазе, но не был хорошо охарактеризован. Были предложены различные структуры (например, цепи, разветвленные цепи и кольца). Теоретические расчеты показывают, что S 4 имеет циклическую структуру.
Пентасера была обнаружена в парах серы, но не была выделена в чистом виде.
Средства массовой информации, связанные с Аллотропами серы на Wikimedia Commons