118 элементов

118 элементов. Глава 16: адский элемент – от жёлтого до синего через красный

10 декабря 2018

Элемент: сера (Sulfur)

Химический символ: S

Порядковый номер: 16

Год открытия: известна с древности  (признана элементом А.Лавуазье в 1777)

Стандартная атомная масса: 32.059

Температура плавления: 388.36К

Температура кипения: 717.8 К (белый)

Плотность при стандартных условиях:  2.07 г/cм3(альфа), 1.97 г/cм3(бета), 1.92 г/cм3(гамма), 1.819 г/cм3(жидкость)

Число стабильных изотопов: 4

Кристаллическая решётка: орторомбическая

 

 

И Госпо́дь одожди́ на Cодо́мъ и Гомо́рръ жу́пелъ, и о́гнь от­ Го́спода съ небесе́.

 

Оружие Господа массового поражения

C серой каждый христианин знаком еще с Ветхого завета. Книга Бытие, глава 19 стих 24 приведен в качестве эпиграфа. Впрочем, древнерусское cѣра просто означает нечто горючее. Однако «жупел» — это уже именно сера. Конкретная горящая сера (хотя это слово и получило другое значение).  Естественно, сера есть в аду. Естественно, серой пахнет дьявол.

Фумарола и сера


Причина этого понятна: самородная сера встречается в фумаролах – трещинах на склонах вулканов, из которых вырываются зловонные пары. Так что то, что ад пахнет серой – неудивительно. И не только ад: спутник Юпитера Ио с массой действующих вулканов почти весь покрыт серой.

Ио


Тем не менее, человечество тоже использует серу достаточно давно: она известна еще до нашей эры. Все-таки пятнадцатый по распространенности элемент земной коры. Но только Лавуазье сумел показать в опытах с горением серы, что она – вполне себе элементарна, а вот ртутно-серная алхимическая теория, в которой ртуть представляла собой воду и воздух, а сера – землю и огонь, оказалась несостоятельной.

Спички и пожары

Вернемся к горению серы. Оно очень интересно и опасно. Горящая сера плавится, образуя кроваво-красный расплав, а пламя… Пламя практически не видно на свету. Если сера горит в темноте, то мы видим призрачно-голубое сияние, а большая часть излучения уходит в ультрафиолетовый диапазон. Кроме этого, по понятным причинам, горение серы не приводит к выделению паров воды, что делает бесполезными самые распространенные датчики горения (так называемые ультрафиолетовые извещатели пламени) на основе никеля. Приходится пользоваться детекторами на основе молибдена, которые «попадают» в спектральный диапазон пламени серы.

Горящая сера на свету и в темноте


Не обходится без серы и в современных спичках. Вещество на головке спички в просторечии часто называют «серой», хотя это не совсем так (или совсем не так – на ваше усмотрение). Как вы помните, первые спички были изфосфора. В современных спичках красный фосфор остался в обмазке коробка, а вот в головке он и сера присутствуют в соединении сульфид фосфора – P4S3. Еще один сульфид – сульфид сурьмы входит в состав намазки.

Нужно сказать, что “стандартная” сера образована молекулами S8, однако перед плавлением, при 95 градусах Цельсия эта альфа-модификация переходит в бета-полиморфную аллотропную разновидность.

Молекула S8


Между плавлением и кипением бета-модификация переходит в гамма-вариант. Более того, химики научились выращивать длинные цепочки атомов серы – внутри одностенных углеродных нанотрубок.

Зигзагообразные цепочки атомов серы в нанотрубках


От пирита до Черного моря

Основные минералы серы – тоже представляют собой сульфиды.  Один из самых распространенных сульфидов в земной коре – пирит. Он же серный колчедан, он же – железный колчедан. Из него добывают серную кислоту, серу и железный купорос, хотя сейчас чаще всего его отправляют в отвалы. Зато пирит сыграл важную роль в войнах прошлого – именно из пары «пирит-сталь» и делались кремни кремневых ружей. Сталь, ударяя по пириту, высекала искру. А откуда, вы думаете, взялось названиеπυρίτης λίθος, «высекающий огонь камень»?

Кристаллы пирита


Кстати, мало кто знает, что сера причастна к шедеврам мировой живописи. Обычно сера в восприятии многих – это нечто желтое, однако помните ли вы, например, «Девушку с жемчужной серёжкой» Вермеера? Знаменитое полотно, на котором головной убор девушки – эталон синего цвета.

«Девушка с жемчужной серёжкой»


Ультрамариновая краска, которой пользовался Вермеер содержит пигмент ультрамарин (странно, да?). А вот этот пигмент уже изготовлен из минерала лазурит (точнее – афганский лазурит или lapis lazuli). И вот глубокий синий цвет этого минерала обусловлен анионом S3. Удивительно, но здесь три атома серы напрямую связаны с синим цветом. Впрочем, без серы не было бы и красного цвета – ведь один из древнейших красных пигментов называется киноварью и получается из одноименного минерала. А что такое киноварь? Сульфид ртути!

Киноварь


Среди других важных функций сульфидов можно упомянуть, например, способность их быть люминофорами. Сульфид цинка, легированный серебром  дает синий свет в цветном кинескопе, преобразуя энергию электронного пучка в свет, сульфид цинка-кадмия с таким же легированием служит  в  рентгеновских трубках, а сульфид цинка, легированный медью (к сведению журналистки Латыниной), прочерчивает зелёный след на экране осциллографа.

Минерал сфалерит – тоже сульфид цинка


Еще одно необычное применение нашел дисульфид молибдена. Внешне похожий на графит (и такой же нетвердый, как он – единица-полтора по шкале Мооса) используется в качестве смазки в мотоциклетных (двухтактных) двигателях, в ШРУСах (шарнирах равных угловых скоростей – автолюбители поймут) и в карданных валах.

Дисульфид молибдена

Кстати, говоря о сульфидах, мы не можем не упомянуть и сероводород. Кто не слышал никогда этот запах тухлых яиц! Сероводород образуется при гниении белков – при распаде двух аминокислот, о которых мы расскажем чуть ниже. Однако для меня, как для одессита, сероводород – это в первую очередь, Чёрное море. Любой одессит знает, что наше родное море хоть и глубокое, но совсем безжизненное, начиная с нескольких десятков метров «состоит из сероводорода». На самом деле, сравнительно высокие, опасные для живого концентрации растворенного сероводорода начинаются чуть глубже, от 150-200 метров, что, впрочем, при наибольшей глубине 2210 метров, тоже немало.

Молекула сероводорода в сравнительных размерах атомов


Первые антимикробные

 

Говоря о сере, нельзя не сказать и об одном классе серосодержащих органических препаратов, фактически – первых антибиотиках, которые привели своего создателя к Нобелевской премии и… в гестапо.

Генрих Домагк


В 1927 году германский химический концерн «И.Г. Фарбениндустри» пригласил химика Генриха Домагка, которому на тот момент исполнилось 32 года, на должность директора экспериментальной научно-исследовательской лаборатории патологии и бактериологии в Вупперталь-Эльберфельде. Именно эта компания производила красный краситель пронтозил, который в руках Домагка показал противобактериальную активность — уничтожал стрептококки.

Пронтозил


А дальше случилась драматическая история, которая чуть было не стоила жизни маленькому ребенку, однако вместо этого открыла новую эру в медицине.

У Домагка было четверо детей: три сына и любимая дочка Хильдегард. Во время урока шитья она уколола палец иглой, и началось заражение крови. Могло закончиться все совсем плохо: его принцесса могла бы, как в сказке, уснуть вечным сном, вот только принцев с поцелуями не ожидалось. «Хороший» вариант означал ампутацию руки. И Домагк решился, прикинул дозу и вечером дал своей дочке порошок пронтозила. Да, на мышках результат был отличным, но одно дело мышка, другое — его собственная дочь.

Тем не менее лихорадка отступила, утром Домагк дал дочери еще одну порцию пронтозила, и лихорадка отступила. В медицину пришла эпоха антибактериальных препаратов. Окончательные испытания препарата были опубликованы в феврале 1935 года в Deutsche Medizinische Wochenschrift — «Немецком медицинском еженедельнике».

Дальнейшие исследования показали, что пронтозил в организме распадается с образованием сульфаниламида, который и производит антибактериальное действие. Пронтозил назвали красным стрептоцидом (от «стрептококк» и латинского caedo — «убиваю»), сульфаниламид — белым. Так и повелось в медицине.

Сульфаниламид


«И.Г. Фарбениндустри» сразу же освоила производство пронтозила и начала изучать новые сульфаниламидные препараты. Сообщают, что уже через год после начала производства пронтозила, компания создала одну тысячу новых препаратов. Два препарата из этой тысячи — сульфатиазол и сульфапиридин — произвели еще одну революцию: они снижали смертность от пневмонии почти до нуля.

А в 1939 году случилась, кажется, единственная история в своем роде: Домагку присудили абсолютно заслуженную Нобелевскую премию по физиологии и медицине, и он сдуру согласился ее принять. А после присуждения Нобелевской премии мира 1935 года немецкому журналисту Карлу фон Осецкому «за борьбу с милитаризмом в Германии», Адольф Гитлер запретил своим подданным принимать эту награду. И в итоге Нобелевский лауреат загремел в гестапо. Правда, всего на неделю (а не надолго и не в концлагерь, как иногда пишут). Недели хватило, чтобы наш герой решил от греха подальше отправить в Нобелевский комитет отказ от награды.

Надо сказать, что в 1947 году Домагк все-таки получил свой диплом лауреата (все все понимали про добровольный отказ от премии), однако денег он так и не увидел – их уже передали в спецфонд, из которого их уже было не изъять.

Ещё сероорганика

Впрочем, в «классических» антибиотиках, начиная с самого пенициллина атом серы тоже присутствует. Посмотрите формулы цефазолина, ампициллина, других антибиотиков. Сера достаточно часто присутствует в этих органических молекулах.

Ампициллин


Ну и самое главное, когда мы говорим о сероорганике, то никак нельзя сказать о двух аминокислотах – метионине и цистеине, которые входят в состав белков нашего организма. При этом цистеин способен образовывать дисульфидные мостики друг с другом и образовывать «двойную» некодируемую кислоту цистин.

Цистин


Эти дисульфидные мостики редко можно встретить во внутриклеточных белках, однако те белки, которые клетка секретирует вовне (например, иммуноглобулины), достаточно часто содержат их в своем составе. Как полагается, эти ковалентные связи помогают удерживать белку конформацию во внеклеточной среде.

 

Не та сера

Нельзя в завершении не сказать еще об одной сере органического происхождения, которая к химическому элементу «сера» не имеет практически никакого отношения (ну разве что – за счет вышеописанных метионина и цистеина-цистина). Наверное, вы уже догадались, что речь идет об ушной сере. На английском она называется earwaxи никакого отношения к sulfurне имеет. Да и состоит она в основном из белков, жиров, солей и жирных кислот. Так почему же она называется в русском языке «сера»?

Ушная сера


Дело в том, что древнерусское слово с основой sѣrati (которое впоследствии превратилось в грубое слово, синоним слова «испражняться») имеет общее происхождение со словом «сор» (в значении «мусор»), а уж потом от него произошло слово «сера» в смысле «ушной мусор жёлтого цвета» – да и похоже на серу, хоть и имеет другие свойства.

Текст: Алексей Паевский