СІРКА: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Сірки є неметаллическим елементом веде, в атмосфері кисню, група халькогенов періодичної таблиці. Він спеціально розташований у групі 16 з періодом 3 і представлений хімічним символом S. З природних ізотопів ³² S на сьогоднішній день є найпоширенішим (близько 94% усіх атомів сірки).

Це один з найпоширеніших елементів на Землі, що становить близько 3% від його загальної маси. Іншими словами, якщо взяти всю сірку на планеті, можна було б побудувати дві жовті місяці; було б три супутники замість одного. Він може приймати різні стани окислення (+2, -2, +4 і +6), тому його солі численні і збагачують земну кору та серцевину.

Кристалічні сірки. Джерело: Pixabay.

Сірка є синонімом жовтого, поганого запаху і пекла. Основна причина його неприємних запахів пов’язана з похідними сполуками; особливо соди та органічні. З решти його мінерали є твердими і мають кольори, які включають жовтий, сірий, чорний та білий (серед інших).

Це один із елементів, який найбільше представляє велику кількість алотропів. Його можна знайти як невеликі, дискретні молекули S ₂ або S ₃ ; як кільця або цикли, будучи орторомбічною і моноклінічною сіркою S ₈ найбільш стійкою і найрізноманітнішою з усіх; і як гвинтові ланцюги.

Він знаходиться не тільки в земній корі у вигляді мінералів, а й у біологічних матрицях наших тіл. Наприклад, він знаходиться в амінокислотах цистині, цистеїні та метіоніні, в білках заліза, кератині та в деяких вітамінах. Він також присутній у часнику, грейпфруті, цибулі, капусти, брокколі та цвітній капусті.

Хімічно це м'який елемент, а при нестачі кисню утворює сірчані мінерали та сульфати. Він горить синюватим полум’ям і може виглядати як аморфне або кристалічне тверде речовина.

Незважаючи на те, що є важливою для синтезу сірчаної кислоти, сильно корозійної речовини та має неприємні запахи, вона насправді є доброякісним елементом. Сірка може зберігатися в будь-якому просторі без великих запобіжних заходів, якщо не допускається пожеж.

Історія сірки

У Біблії

Сірка - один із найдавніших елементів в історії людства; настільки, що його відкриття непевне, і невідомо, хто з античних цивілізацій вперше застосував його (за 4000 років до Христа). На самих сторінках Біблії його можна знайти, що супроводжує пекельний вогонь і пекло.

Вважається, що запах сірки з пекла пов'язаний з вулканічними виверженнями. Перший його відкривач, напевно, натрапив на такі шахти, як пилові угіддя або жовті кристали поблизу вулкана.

Античність

Це жовтувате тверде тіло незабаром продемонструвало чудові цілющі ефекти. Наприклад, єгиптяни застосовували сірку для лікування запалення повік. Це також позбавляє від корости та вугрів, застосування, яке сьогодні можна побачити у сірчаному милі та інших дерматологічних предметах.

Римляни використовували цей елемент у своїх ритуалах, як фумігант і відбілювач. Коли він горить, він виділяє SO ₂ , газ, який затоплює приміщення, змішуючись з вологістю повітря і забезпечуючи антибактеріальне середовище, здатне вбивати комах.

Римляни, як і греки, виявили високу горючість сірки, через що вона стала синонімом вогню. Колір його синюватого полум’я повинен був освітлити римські цирки. Вважається, що греки, зі свого боку, використовували цей елемент для створення запальної зброї.

Китайці зі свого боку дізналися, що, змішуючи сірку з селітрою (KNO ₃ ) та вугіллям, вони створили матеріал чорного порошку, який встановив історичний поворот, і це викликало великі вимоги та інтерес до цього мінералу у народів того часу.

Новий час

Наче порох не був достатньою причиною, щоб бажати сірки, сірчаної кислоти та її промислового застосування незабаром з'явилися. А за допомогою стрижня сірчаної кислоти вимірювали кількість багатства чи процвітання країни стосовно рівня її споживання цієї сполуки.

Лише 1789 року геніальний хімік Антуан Лавуазьє зміг розпізнати сірку та класифікувати її як елемент. Тоді в 1823 році німецький хімік Ейлард Мітчерліх виявив, що сірка може переважно кристалізуватися двома способами: ромбоедричним і моноклінічним.

Історія сірки йшла за тим же ходом її сполук та застосувань. Маючи величезне промислове значення сірчаної кислоти, вона супроводжувалася вулканізацією каучуків, синтезом пеніциліну, експлуатацією шахт, рафінуванням сирої нафти, багатої сіркою, живленням ґрунтів тощо.

Властивості

Зовнішність

Крихке тверде у вигляді порошку або кристала. Її колір - тьмяно-лимонно-жовтий, він несмачний і не має запаху.

Рідкий вигляд

Рідка сірка унікальна тим, що її початковий жовтий колір стає червонуватим, посилюється та темніє при впливі високих температур. Коли він горить, він випромінює яскраво-синє полум'я.

Молярна маса

32 г / моль.

Точка плавлення

115,21 ° С.

Точка кипіння

445 ° С.

точка займання

160 ° С.

Температура автоматичного займання

232 ° С.

Щільність

2,1 г / мл Однак інші алотропи можуть бути менш щільними.

Молярна теплоємність

22,75 Дж / моль K

Ковалентний радіус

105 ± 3 вечора.

Електронегативність

2,58 за шкалою Полінга.

Полярність

СС-зв'язки є неполярними, оскільки обидва атоми сірки мають однакову електронегативність. Це робить усі його алотропи, циклічні або ланцюгові, неполярними; і, отже, його взаємодія з водою неефективна, і її не можна розчинити в ній.

Однак сірка може бути розчинена в неполярних розчинниках, таких як сірководень, CS ₂ , та ароматичних речовин (бензол, толуол, ксилол тощо).

Іон

Сірка може утворювати різні іони, як правило, аніони. Найвідоміша з усіх - сірка, S ^2- . S ^2- характеризується об'ємністю і має м'яку основу Льюїса.

Оскільки це м'яка основа, теорія стверджує, що вона буде схильна утворювати сполуки з м'якими кислотами; такі як катіони перехідного металу, включаючи Fe ²⁺ , Pb ²⁺ та Cu ²⁺ .

Структура та електронна конфігурація

Сірчана корона

Молекула S8, найбільш стійкий і найпоширеніший алотроп сірки. Джерело: Benjah-bmm27.

Сірка може зустрічатися в найрізноманітніших алотропах; а вони, у свою чергу, мають кристалічні структури, які модифікуються під різним тиском та / або температурою. Тому сірка є елементом, багатим алотропами та поліморфами, а вивчення її твердих структур являє собою нескінченне джерело теоретико-експериментальної роботи.

Чому така структурна складність? Для початку ковалентні зв’язки сірки (СС) дуже міцні, перевершуючи їх лише вуглецем, СС та воднем, НН.

Сірка, на відміну від вуглецю, має тенденцію не утворювати тетраедри, а бумеранги; які зі своїми кутами складаються і дзвенить для стабілізації сірчаних ланцюгів. Найвідомішим кільцем з усіх, що також представляє найбільш стійкий алотроп сірки, є S ₈ , «сірчана корона» (верхнє зображення).

Зауважте, що всі посилання SS у S ₈ виглядають як окремі бумеранги, внаслідок чого виходить кільце зі складками та зовсім не плоске. Ці корони S ₈ взаємодіють через лондонські сили, орієнтуючись так, що вони створюють структурні структури, що визначають орторомбічний кристал; називається S ₈ α (S-α, або просто орторомбічна сірка).

Поліморфи

Сірчана корона є одним з багатьох алотропів цього елемента. S ₈ α - поліморф цієї корони. Є ще два (серед найважливіших), які називаються S ₈ β і S ₈ γ (S-β і S-γ відповідно). Обидва поліморфи кристалізуються в моноклінічні структури, причому S ₈ γ щільніше (гамма сірка).

Усі три - це тверді речовини жовтого кольору. Але як взяти кожен поліморф окремо?

S ₈ β готують шляхом нагрівання S ₈ α до 93 ° C, потім дозволяючи повільному його охолодженню сповільнити перехід назад до орторомбічної фази (α). А S ₈ γ, з іншого боку, отримується, коли S ₈ α плавиться при 150 ° C, знову дозволяючи охолоджуватися повільно; це найгустіші поліморфи крони сірки.

Інші циклічні алотропи

Корона S ₈ - не єдиний циклічний алотроп. Є й інші, такі як S ₄ , S ₅ (аналог циклопентану), S ₆ (представлений шестикутником, як циклогексан), S ₇ , S ₉ і S _10-20 ; останнє означає, що можуть бути кільця або цикли, що містять від десяти до двадцяти атомів сірки.

Кожен з них являє собою різні циклічні алотропи сірки; і в свою чергу, щоб підкреслити це, вони мають різновиди поліморфів або поліморфні структури, які залежать від тиску і температури.

Наприклад, S ₇ має до чотирьох відомих поліморфів: α, β, γ і δ. Члени або коронки вищих молекулярних мас є продуктами органічного синтезу і не переважають у природі.

Сірчані ланцюги

Сірчана ланцюг. Джерело: OpenStax

Оскільки більше атомів сірки вбудовано в структуру, то їхня тенденція до кільця зменшується, а сірчані ланцюги залишаються відкритими і приймають спіральні конформації (як би вони були спіралями або гвинтами).

Таким чином, виникає ще одне об'ємне сімейство алотропів сірки, яке складається не з кілець або циклів, а з ланцюгів (як, наприклад, на зображенні вище).

Коли ці СС-ланцюги розташовуються паралельно в кристалі, вони відловлюють домішки і визначають волокнисту тверду речовину, що називається волокнистою сіркою, або S-ψ. Якщо між цими паралельними ланцюгами є ковалентні зв’язки, які з'єднують їх (як це відбувається при вулканізації гуми), у нас є ламінарна сірка.

Коли сірка S ₈ плавиться, виходить жовтувата рідка фаза, яка може потемніти при підвищенні температури. Це відбувається тому, що зв'язки СС розірвані, і тому відбувається процес термічної деполімеризації.

Ця рідина при охолодженні проявляє пластичні, а потім скляні характеристики; тобто виходить склоподібна та аморфна сірка (S-χ). До його складу входять як кільця, так і сірчані ланцюги.

І коли з аморфної сірки отримують суміш волокнистого та ламінарного аллотропу, виробляється Crystex - комерційний продукт, що використовується для вулканізації каучуку.

Невеликі алотропи

Хоча вони залишаються останніми, вони не менш важливі (або цікаві), ніж алотропи вищих молекулярних мас. Молекули S ₂ і S ₃ є сірчистими версіями O ₂ і O ₃ . У першому два атоми сірки з'єднані подвійним зв’язком, S = S, а в другому - три атоми з резонансними структурами, S = SS.

І S ₂ і S ₃ є газоподібними. S ₃ показує вишнево-червоний колір. Обидва мають достатньо бібліографічного матеріалу, щоб кожен охоплював окрему статтю.

Електронна конфігурація

Конфігурація електронів для атома сірки:

3s ² 3p ⁴

Він може отримати два електрони, щоб завершити свій валентний октет, і, таким чином, мати стан окислення -2. Так само він може втрачати електрони, починаючи з двох на своїх 3p орбіталях, стан окислення якого +2; якщо ви втратите ще два електрона, а їх 3-орбіталі порожні, ваш стан окислення становитиме +4; і якщо ви втратите всі електрони, це буде +6.

Отримання

Мінералогічні

Сірка входить до складу багатьох корисних копалин. Серед них - пірит (FeS ₂ ), галена (PbS), ковеліт (CuS) та інші сульфатні та сульфідні мінерали. Обробляючи їх, можна витягти не тільки метали, а й сірку після ряду відновних реакцій.

Його також можна отримати чистим способом у вулканічних отворах, де в міру підвищення температури він тане і розливається під гору; І якщо він запалить вогонь, він буде схожий на синювату лаву вночі. Завдяки важкій праці та напруженій фізичній праці сірку можна збирати так само, як це часто робилося на Сицилії.

Сірку можна знайти також у підземних шахтах, які виготовляють для перекачування перегрітої води для її розплавлення та переміщення на поверхню. Цей процес отримання відомий як Frasch Process, який зараз мало використовується.

Нафта

Сьогодні більша частина сірки надходить з нафтової промисловості, оскільки її органічні сполуки входять до складу сирої нафти та її рафінованих похідних.

Якщо сирий або рафінований продукт багатий сіркою і зазнає гідродесульфуризації, він виділить велику кількість H ₂ S (смердючий газ, який пахне гнилими яйцями):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

Потім H ₂ S хімічно обробляється в процесі Клауса, підсумовуючи наступними хімічними рівняннями:

3 O ₂ + 2 H ₂ S → 2 SO ₂ + 2 H ₂ O

SO ₂ + 2 H ₂ S → 3 S + 2 H ₂ O

Програми

Деякі з видів використання сірки згадуються нижче та загалом:

- Це важливий елемент як для рослин, так і для тварин. Він навіть присутній у двох амінокислотах: цистеїні та метіоніні.

- Це сировина для сірчаної кислоти, сполука, що бере участь у приготуванні незліченних комерційних продуктів.

- У фармацевтичній промисловості його використовують для синтезу похідних сірки, найкращим із прикладів є пеніцилін.

- Дозволяє вулканізацію каучуків, з'єднуючи полімерні ланцюги з SS-зв'язками.

- Його жовтий колір та суміші з іншими металами роблять його бажаним у виробництві пігментів.

- Змішані з неорганічною матрицею, такі як пісок і гірські породи, бетон і сірчаний асфальт, готують замінити бітум.

Ризики та запобіжні заходи

Сірка сама по собі є нешкідливою, нетоксичною речовиною, і вона також не несе потенційних ризиків, якщо не реагує на утворення інших сполук. Її сульфатні солі не є небезпечними і з ними можна поводитися без великих запобіжних заходів. Однак це не так з газоподібними похідними: SO ₂ і H ₂ S, обидва високотоксичні.

Якщо він знаходиться в рідкій фазі, це може спричинити серйозні опіки. Якщо його проковтнути у великій кількості, це може спровокувати вироблення H ₂ S у кишечнику. В іншому випадку це не становить ніякого ризику для тих, хто його жує.

Загалом, сірка є безпечним елементом, який не вимагає занадто багато запобіжних заходів, за винятком того, щоб уберегти його від вогню та сильних окислювачів.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Лора Крапанцано. (2006). Поліморфізм сірки: структурні та динамічні аспекти. Фізика. Університет Йозеф-Фур'є - Гренобль І. Англ. fftel-00204149f
3. Вікіпедія. (2019). Аллотропи сірки. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Мейер Біт. (1976). Елементарна сірка. Хімічні огляди, т. 76, № 3.
5. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти елемента сірки. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
6. Дональд У. Девіс і Рендалл А. Детро. (2015). Історія сірки. Корпорація Gulf Sulphur Georgia. Відновлено з: georgiagulfsulfur.com
7. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (11 січня 2019 р.). 10 цікавих фактів сірки. Відновлено з: thinkco.com
8. Бун, С .; Бонд, С .; Холман, А .; Дженкінс, Дж. (2017). Загальна інформація про сірку; Національний інформаційний центр пестицидів, служби розширення штату Орегонський державний університет. npic.orst.edu