Сера: физические и химические свойства, содержание в различных типах почв

Сера – химический элемент, жизненно необходимый растениям. Он входит в состав всех белков, содержится в некоторых аминокислотах. Является компонентом сложных удобрений. Серосодержащие удобрения вносят осенью под зяблевую вспашку или ранней весной под предпосевную культивацию. Зарубежный опыт предусматривает рядковое внесение серы и некорневые подкормки.

Этот элемент можно добыть не только путем сложных химических реакций, но и непосредственно из мест его природного скопления в горных породах и геологических отложениях. По этой причине люди были знакомы с серой еще задолго до того, как они начали понимать, что это такое. На протяжении своей древней истории сера очень часто применялась при совершении различных обрядов, в том числе, и религиозных. Куски самородной серы использовали экзорцисты, изгоняющие бесов, а серным дымом окуривали помещения храмов. Согласно легенде, даже Одиссей, вернувшись домой из дальних странствий, перво-наперво приказал окурить свое жилище серой. Во времена Средневековья алхимики считали, что любой металл состоит из серы и ртути, причем, чем меньше серы в нем содержится, тем он лучше и благородней.

Серу находили во множестве минеральных источников. Один из таких есть в Новой Зеландии; из-за присутствия соединений серы и особого состава обитающих там водорослей вода в нем имеет ядовито-зеленый цвет. Естественно, еще с незапамятных времен этому источнику дали зловещее название «Ванна Дьявола»…

Словом, сера как элемент и как химическое вещество длительное время была окружена многочисленными домыслами. И лишь в XIII-XIV веке, когда ее стали целенаправленно использовать в опытах при получении других соединений, она стала выглядеть в глазах человека куда менее загадочно. Киноварь и порох стали первыми примерами практического применения серы. Сейчас же спектр ее использования расширился еще больше: она необходима для изготовления серной кислоты, вулканизации каучука и протекания других реакций органического синтеза, в производстве красителей, сельскохозяйственных удобрений, реактивов для проведения лабораторных проб и др.

Физические и химические свойства серы

Сера (Sulfur), S – элемент главной подгруппы VI группы периодической системы Менделеева. Атомный номер – 16, атомная масса – 3,07.

Сера при обычных условиях – хрупкие кристаллы желтого цвета.

• Плотность – 2,07 г/см³;
• Температура плавления – +112,8 °С;
• Температура кипения – +444,6 °С.

Сера нерастворима в воде, однако хорошо растворяется в сероуглероде и бензоле. При испарении данных жидкостей можно получить ромбическую серу, кристаллы которой имеют форму октаэдров со срезанными углами или ребрами.

Встречается также моноклинная модификация серы с температурой плавления + 119,3 °С и плотностью 1,96 г/см³. Она устойчива только при температуре выше +96 °С. При более низкой температуре превращается в ромбическую серу.

Различия в свойствах кристаллических модификаций вызваны неодинаковой структурой кристаллов.

Сера жизненно необходима для роста растений и животных, она входит в состав живых организмов и продуктов их разложения, ее много, например, в яйцах, капусте, хрене, чесноке, горчице, луке, волосах, шерсти и т.д.

Сера обладает свойствами типичных неметаллов. Со многими металлами сера способна соединяться непосредственно. Реакции сопровождаются выделением большого количества теплоты. Сера вступает в реакции соединения и со всеми неметаллами, но гораздо труднее, чем с металлами.

Содержание серы в природе

В природе сера встречается и в свободном состоянии, и в различных соединениях.

Широко распространены соединения серы с различными металлами. Многие из них считаются ценными рудами (свинцовый блеск, цинковая обманка, медный блеск) и являются источниками получения цветных металлов.

Сера принадлежит к широко распространенным в природе элементам. Встречается в горных породах, минералах, углях, нефти, почвах, присутствует и содержится во всех живых организмах. В геологических отложениях насчитывается около 40 минералов группы сульфидов и столько же минералов группы сульфатов.

В глубоких горизонтах почвы сера представлена в форме пирита, марказита; в сульфатах – в сочетаниях со щелочными и щелочноземельными металлами.

Содержание серы в различных типах почв

Главным источником серы в почвах служат почвообразующие породы. Среднее содержание серы в почве составляет 0,04 %, реже это значение достигает 0,2–0,3 %. В верхних горизонтах серы содержится больше, поскольку она входит в состав перегнойных кислот.

Сульфофиксация

До 80–90 % серы в почве присутствует в органических формах, а 10–20 % – в минеральных. Как правило, это сульфаты калия, натрия, кальция и магния.

Большое количество серы поступает в почву с атмосферными осадками. В форме органических соединений сера совершает долгий путь в цикле почвообразования и становится доступной растениям при разложении органических веществ и образовании минеральных соединений. Этот процесс и называют сульфофикацией. Он имеет сезонный характер – минимальный весной, максимальный летом и затихающий к осени. Высвобождение серы идет в том же соотношении, в котором она находится в органических остатках и гумусе.

Круговорот серы в почве

Растения перехватывают минеральную серу и возвращают в верхние слои почвы снова в виде органических веществ. Таким образом, совершается непрерывное преобразование форм серы в процессах обмена веществ между растениями и почвой.

Содержание сульфатов в почве меняется в течение сезона. Больше всего сульфатов в почве в летнее время. Именно тогда, когда минерализация (сульфофикация) идет наиболее активно.

Торфяные почвы, солонцы и солончаки отличаются большим содержанием серы.

Супесчаные и песчаные почвы Нечерноземной зоны часто бедны по содержанию соединений серы.

Дерново-подзолистые почвы характеризуются наличием доступной для растений сульфатной серы в количестве от 30 до 90 кг/га. Дефицит серы в данном типе почв ощутим на легких малогумусных и переувлажненных почвах.

Роль серы в растении: основные функции

Сера активно участвует в окислительно-восстановительных процессах, активировании энзимов, белковом обмене. Она способствует фиксации азота из атмосферы путем усиления образования клубеньков у бобовых.

Формы и соединения серы в тканях растений

Сера является составной частью белков и содержится в важнейших аминокислотах – цистине и метионине. Встречается данный элемент и в других органических соединениях – в аллил-горчичном масле из горчичных семян, в чесночном масле. Сера входит также в состав гликозидов, витамина В, биотина, некоторых антибиотиков (пенициллина).

Важнейшее соединение, содержащее серу и участвующее в окислительно-восстановительных реакциях – глутатион. В его состав сера входит в виде производного цистина – цистеина. Цистин содержит серу в виде дисульфидной группы, цистеин – в виде сульфгидрильной.

В растущих органах растений с преобладанием синтетических процессов сера обнаруживается в восстановленной форме. По мере старения, когда процессы гидролиза начинают преобладать над процессами синтеза, в растении возрастает количество окисленной формы соединений серы.

Сера поглощается растениями из почвы только в виде аниона серной кислоты (в окисленной форме). Однако во всех выше указанных соединениях она содержится в восстановленной форме (восстановителями сульфатов в растениях выступают углеводы). И именно в таком виде элемент участвует в окислительно-восстановительных процессах, связанных с дыханием.

С органическими веществами сера связана дисульфидной (-S-S-) или сульфгидрильной (-SH) группами. Эти группы выполняют важные функции в процессе окислительно-восстановительных реакций. В частности, сульфгидрильная группа при окислении теряет водород и превращается в дисульфидную группу.

Источники питания серой

Источником питания серой для растений служат соли серной кислоты. Частично сера в виде сернистого газа (SO₂) поглощается растениями из воздуха. Окисленная форма серы – исходный продукт для синтеза белков. Эта же форма является и конечным продуктом при распаде белковой молекулы.

Недостаток (дефицит) серы в растениях

Недостаток серы приводит к задержке синтеза белков, поскольку затрудняется образование аминокислот, содержащих данный элемент. Из-за этого визуальные проявления недостаточности серы похожи на признаки азотного голодания: замедляется развитие растений, уменьшается размер листьев, стебли удлиняются, листья и черешки становятся деревянистыми. В отличие от азотного голодания, при серном листья не отмирают, хотя их цвет становится бледным.

Установлено, что бобовые и крестоцветные не испытывают недостатка в сере, если в почве содержится сульфатов более 11–14 мг/кг, злаковые – если более 7 мг/кг.

Избыток серы

Избыток серы в почве незначительно снижает урожайность растений из семейства крестоцветных. Так же он влияет и на злаковые. Урожайность злаковых снижается значительнее, чем крестоцветных. Визуально наблюдается общее огрубение растений, листья мельчают, края их становятся коричневыми, затем бледно-желтыми.

Симптомы избытка серы

Капуста и другие крестоцветные, злаковые:

• Снижается урожай;
• Общее огрубение растений;
• Листья маленькие, тускло-зеленые, стебли твердые, поздние листья скручиваются внутрь и покрываются наростами,
• Края коричневые, позднее – бледно–желтые.

 

Содержание серы в различных соединениях

Чистая сера – слишком дорогой продукт для использования в качестве удобрения в больших количествах. Но в районах расположения месторождений серы с недостаточным процентом элемента для использования в промышленности серные породы служат удобрением.

В основном для устранения серной недостаточности используются серосодержащие удобрения:

1. Простой суперфосфат (20 % P₂O₅, 13 % S). С ним на поля поступает преобладающее количество серы. В связи с тем, что потребность в фосфоре и сере приблизительно одинакова, при внесении данного удобрения удовлетворяется и потребность в сере.
2. Сульфат аммония (21 % N, 24 % S) – второе место по снабжению почвы серой.
3. Сернокислый калий (48 % K₂O, 17,6 % S) и калимагнезия (28 % K₂O, 18,3 % S) – калийные, бесхлорные удобрения. Применяются в ограниченном количестве и поэтому играют небольшую роль в обеспечении почв серой.
4. Гипс (18,6 % S) хорошо доступен растениям. Представляет собой быстродействующую нейтральную сернокислую соль кальция.
5. Фосфогипс (22 % S) – отходы химических заводов, выпускающих двойной суперфосфат. Подобен гипсу по составу, но включает в себя примеси фосфора и других элементов. Служит серосодержащим удобрением местного значения. Его недостаток – влажность 30–35 %.
6. Сульфат магния содержит 28–30 % серы. Данное удобрение используется в закрытом грунте.
7. Полисульфид аммония – темная, красно-бурая, до черного цвета жидкость. Содержит около 20 % азота и 40 % серы.
8. Тиосульфат аммония – жидкость красноватого цвета, содержит 12 % азота и 26 % серы.
9. Навоз – содержит серу в количестве до 1 кг SO₃ в 1 т или от 0,6 до 0,15 %.

Кроме указанных удобрений, сера входит в состав сульфатной нитрофоски и некоторых микроэлементов, а также поступает в почву с навозом и пестицидами.