SIARKA: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, STRUKTURA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Siarki jest niemetalicznym prowadzi elementu, w tlen, grupy tlenowców układu okresowego. Znajduje się on szczególnie w grupie 16 z okresem 3 i jest reprezentowany przez symbol chemiczny S. Spośród jego naturalnych izotopów ³² S jest zdecydowanie najliczniejsza (około 94% wszystkich atomów siarki).

Jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, stanowiący około 3% jej całkowitej masy. Innymi słowy, gdyby zebrać całą siarkę na planecie, można by zbudować dwa żółte księżyce; byłyby trzy satelity zamiast jednego. Może przyjmować różne stopnie utlenienia (+2, -2, +4 i +6), więc jego sole są liczne i wzbogacają skorupę i jądro ziemi.

Kryształy siarki. Źródło: Pixabay.

Siarka jest synonimem żółci, brzydkich zapachów i piekła. Głównym powodem nieprzyjemnych zapachów są pochodne związki; zwłaszcza napoje gazowane i organiczne. Reszta jego minerałów jest stała i ma kolory, które obejmują między innymi żółty, szary, czarny i biały.

Jest to jeden z pierwiastków, który najbardziej przedstawia dużą liczbę odmian alotropowych. Można go znaleźć jako małe, dyskretne cząsteczki S ₂ lub S ₃ ; jako pierścienie lub cykle, przy czym siarka rombowa i jednoskośna S ₈ jest najtrwalsza i najliczniejsza ze wszystkich; i jako spiralne łańcuchy.

Występuje nie tylko w skorupie ziemskiej w postaci minerałów, ale także w biologicznych matrycach naszych ciał. Na przykład występuje w aminokwasach cystynie, cysteinie i metioninie, białkach żelaza, keratynie i niektórych witaminach. Występuje również w czosnku, grejpfrutach, cebuli, kapuście, brokułach i kalafiorze.

Chemicznie jest pierwiastkiem miękkim, a przy braku tlenu tworzy minerały siarkowe i siarczany. Pali się niebieskawym płomieniem i może wyglądać jak bezpostaciowe lub krystaliczne ciało stałe.

Pomimo tego, że jest niezbędny do syntezy kwasu siarkowego, substancji silnie żrącej i o nieprzyjemnym zapachu, w rzeczywistości jest pierwiastkiem łagodnym. Siarka może być przechowywana w dowolnym miejscu bez większych środków ostrożności, pod warunkiem uniknięcia pożarów.

Historia siarki

W Biblii

Siarka to jeden z najstarszych pierwiastków w historii ludzkości; tak bardzo, że jego odkrycie jest niepewne i nie wiadomo, która ze starożytnych cywilizacji użyła go po raz pierwszy (4000 lat przed Chrystusem). Na samych kartach Biblii można go znaleźć towarzyszącego ogniu piekielnemu i piekłu.

Uważa się, że przypuszczalny zapach siarki z piekła rodem ma związek z erupcjami wulkanów. Jej pierwszy odkrywca z pewnością natknął się na miny tego pierwiastka, takie jak pyłki ziemi lub żółte kryształy w pobliżu wulkanu.

Antyk

To żółtawe ciało stałe szybko wykazało niezwykłe efekty lecznicze. Na przykład Egipcjanie używali siarki do leczenia zapalenia powiek. Łagodzi również świerzb i trądzik, zastosowanie, które można dziś zobaczyć w mydłach siarkowych i innych produktach dermatologicznych.

Rzymianie używali tego pierwiastka w swoich rytuałach jako fumigant i wybielacz. Kiedy się pali, uwalnia SO ₂ , gaz, który zalał pomieszczenia, mieszając się z wilgocią i zapewniając antybakteryjne środowisko zdolne do zabijania owadów.

Rzymianie, podobnie jak Grecy, odkryli wysoką palność siarki, dlatego stała się synonimem ognia. Kolor jego niebieskawych płomieni musiał oświetlać rzymskie cyrki. Uważa się, że Grecy ze swojej strony używali tego pierwiastka do tworzenia broni zapalającej.

Chińczycy ze swojej strony dowiedzieli się, że mieszając siarkę z saletrą (KNO ₃ ) i węglem, stworzyli czarny proszek, który wyznaczył historyczny zwrot i wzbudził ogromne zapotrzebowanie i zainteresowanie tym minerałem w ówczesnych krajach.

Nowoczesne czasy

Jakby proch strzelniczy nie był wystarczającym powodem, by pożądać siarki, wkrótce pojawił się kwas siarkowy i jego przemysłowe zastosowania. Za pomocą laski kwasu siarkowego mierzono poziom zamożności lub zamożności kraju w stosunku do poziomu zużycia tego związku.

Dopiero w 1789 roku genialny chemik Antoine Lavoisier był w stanie rozpoznać siarkę i zaklasyfikować ją jako pierwiastek. Następnie w 1823 roku niemiecki chemik Eilhard Mitscherlich odkrył, że siarka może krystalizować głównie na dwa sposoby: romboedryczny i jednoskośny.

Historia siarki podążyła tym samym przebiegiem jej związków i zastosowań. Przy ogromnym przemysłowym znaczeniu kwasu siarkowego towarzyszyła mu wulkanizacja kauczuków, synteza penicyliny, eksploatacja kopalń, rafinacja bogatej w siarkę ropy naftowej, odżywianie gleb itp.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Kruche ciało stałe w postaci proszku lub kryształu. Ma matową cytrynowożółtą barwę, jest bez smaku i nie wydziela zapachu.

Płynny wygląd

Ciekła siarka jest wyjątkowa pod tym względem, że jej początkowy żółty kolor zmienia się w czerwonawy oraz nasila i ciemnieje pod wpływem wysokich temperatur. Kiedy się pali, emituje jasne, niebieskie płomienie.

Masa cząsteczkowa

32 g / mol.

Temperatura topnienia

115,21 ° C.

Temperatura wrzenia

445 ° C

punkt zapłonu

160 ° C

Temperatura samozapłonu

232 ° C.

Gęstość

2,1 g / ml. Jednak inne alotropy mogą być mniej gęste.

Molowa pojemność cieplna

22,75 J / mol K

Promień kowalencyjny

105 ± 15:00.

Elektroujemność

2,58 w skali Paulinga.

Biegunowość

Wiązania SS są niepolarne, ponieważ oba atomy siarki mają taką samą elektroujemność. To sprawia, że ​​wszystkie jego alotropy, cykliczne lub łańcuchowe, są niepolarne; dlatego jego interakcje z wodą są nieefektywne i nie można go w niej solubilizować.

Jednak siarkę można rozpuścić w rozpuszczalnikach niepolarnych, takich jak dwusiarczek węgla, CS ₂ i związki aromatyczne (benzen, toluen, ksylen itp.).

Jon

Siarka może tworzyć różne jony, zwykle aniony. Najbardziej znanym ze wszystkich jest siarka, S ^2- . S ^2- charakteryzuje się masywnością i ma miękką podstawę Lewisa.

Ponieważ jest to miękka baza, teoria mówi, że będzie miała tendencję do tworzenia związków z miękkimi kwasami; takie jak kationy metali przejściowych, w tym Fe ²⁺ , Pb ²⁺ i Cu ²⁺ .

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Korona siarkowa

Cząsteczka S8, najbardziej stabilny i występujący w dużych ilościach alotrop siarki. Źródło: Benjah-bmm27.

Siarka może występować w wielu odmianach alotropowych; a te z kolei mają struktury krystaliczne, które są modyfikowane pod różnymi ciśnieniami i / lub temperaturami. Dlatego siarka jest pierwiastkiem bogatym w alotropy i polimorfy, a badanie jej stałych struktur stanowi niekończące się źródło prac teoretyczno-eksperymentalnych.

Skąd taka złożoność strukturalna? Po pierwsze, wiązania kowalencyjne siarki (SS) są bardzo silne, przewyższają je tylko wiązania węgla, CC i wodoru, HH.

Siarka, w przeciwieństwie do węgla, nie tworzy czworościanów, ale bumerangi; że z ich kątami zawijają się i dzwonią, aby ustabilizować łańcuchy siarki. Najbardziej znanym pierścieniem ze wszystkich, reprezentującym również najbardziej stabilny alotrop siarki, jest S ₈ , „korona siarkowa” (górne zdjęcie).

Zwróć uwagę, że wszystkie linki SS w S ₈ wyglądają jak pojedyncze bumerangi, dzięki czemu pierścień jest z zakładkami i wcale nie jest płaski. Te korony S ₈ oddziałują poprzez siły Londynu, orientując się w taki sposób, że tworzą strukturalne wzory, które definiują kryształ rombowy; zwany S ₈ α (S-α lub po prostu ortorombowa siarka).

Polimorfy

Korona siarkowa jest jednym z wielu alotropów tego pierwiastka. S ₈ α jest polimorfem tej korony. Istnieją dwa inne (spośród najważniejszych) zwane S ₈ β i S ₈ γ (odpowiednio S-β i S-γ). Oba polimorfy krystalizują w struktury jednoskośne, przy czym S ₈ γ jest bardziej gęsty (siarka gamma).

Wszystkie trzy to żółte ciała stałe. Ale jak uzyskać osobno każdy polimorf?

S ₈ β wytwarza się przez podgrzanie S ₈ α do 93 ° C, a następnie umożliwienie jego powolnemu chłodzeniu, aby spowolnić jego przejście z powrotem do fazy rombowej (α). Z drugiej strony, S ₈ γ otrzymuje się, gdy S ₈ α topi się w temperaturze 150 ° C, ponownie pozwalając mu ostygnąć powoli; jest to najgęstszy z polimorfów korony siarki.

Inne cykliczne alotropy

Korona S ₈ nie jest jedynym cyklicznym alotropem. Istnieją inne, takie jak S ₄ , S ₅ (analogiczne do cyklopentanu), S ₆ (reprezentowane przez sześciokąt, jak cykloheksan), S ₇ , S ₉ i S _10-20 ; to ostatnie oznacza, że ​​mogą istnieć pierścienie lub cykle zawierające od dziesięciu do dwudziestu atomów siarki.

Każdy z nich reprezentuje różne cykliczne alotropy siarki; a z kolei, aby to podkreślić, mają różne odmiany polimorfów lub struktur polimorficznych, które zależą od ciśnienia i temperatury.

Na przykład, S ₇ zawiera do czterech znanych form polimorficznych: a, p, y, i A. Człony lub korony o wyższych masach cząsteczkowych są produktami syntezy organicznej i nie dominują w naturze.

Łańcuchy siarkowe

Łańcuch siarkowy. Źródło: OpenStax

Im więcej atomów siarki jest włączanych do struktury, tym zmniejsza się ich tendencja do pierścieni, a łańcuchy siarki pozostają otwarte i przyjmują helikalne konformacje (jak spirale lub śruby).

I tak pojawia się kolejna obszerna rodzina alotropów siarki, która nie składa się z pierścieni ani cykli, ale z łańcuchów (jak ten na powyższym obrazku).

Kiedy te łańcuchy SS ustawiają się równolegle w krysztale, zatrzymują zanieczyszczenia i ostatecznie tworzą włóknistą substancję stałą zwaną włóknistą siarką lub S-ψ. Jeśli między tymi równoległymi łańcuchami znajdują się wiązania kowalencyjne, które je łączą (jak to ma miejsce w przypadku wulkanizacji gumy), mamy laminarną siarkę.

Gdy siarka S ₈ topi się, uzyskuje się żółtawą fazę ciekłą, która może ściemnieć, jeśli temperatura wzrośnie. Dzieje się tak, ponieważ wiązania SS są zrywane, a zatem zachodzi proces termicznej depolimeryzacji.

Ta ciecz po schłodzeniu wykazuje właściwości plastyczne, a następnie szkliste; to znaczy, otrzymuje się szklistą i bezpostaciową siarkę (S-χ). Jego skład składa się z pierścieni i łańcuchów siarkowych.

A gdy z amorficznej siarki otrzyma się mieszaninę włóknistego i laminarnego alotropu, powstaje Crystex, produkt handlowy stosowany do wulkanizacji gumy.

Małe alotropy

Chociaż pozostają na końcu, są nie mniej ważne (lub interesujące) niż alotropy o wyższych masach cząsteczkowych. Cząsteczki S ₂ i S ₃ są siarkowanymi wersjami O ₂ i O ₃ . W pierwszej dwa atomy siarki są połączone wiązaniem podwójnym S = S, aw drugiej trzy atomy o strukturach rezonansowych S = SS.

Zarówno S _{2, jak} i S ₃ są gazami. S ₃ ma kolor wiśniowo-czerwony. Oba mają wystarczającą ilość materiału bibliograficznego, aby każdy z nich obejmował pojedynczy artykuł.

Elektroniczna Konfiguracja

Konfiguracja elektronowa dla atomu siarki to:

3 s ² 3 p ⁴

Może uzyskać dwa elektrony, aby zakończyć swój oktet walencyjny, a tym samym uzyskać stopień utlenienia -2. Podobnie, może stracić elektrony, zaczynając od dwóch na swoich orbitaliach 3p, a jego stopień utlenienia wynosi +2; jeśli stracisz jeszcze dwa elektrony, a ich orbitale 3p będą puste, twój stopień utlenienia wyniesie +4; a jeśli stracisz wszystkie elektrony, będzie to +6.

Otrzymywanie

Mineralogiczne

Siarka jest składnikiem wielu minerałów. Wśród nich są piryt (FeS ₂ ), galena (PbS), kowelit (CuS) i inne minerały siarczanowe i siarczkowe. Przetwarzając je, można ekstrahować nie tylko metale, ale także siarkę po serii reakcji redukcyjnych.

Można go również uzyskać w czysty sposób w kominach wulkanicznych, gdzie wraz ze wzrostem temperatury topi się i rozlewa w dół; A jeśli się zapali, nocą będzie wyglądać jak niebieskawa lawa. Poprzez żmudną pracę i ciężką pracę fizyczną można zbierać siarkę, tak jak robiono to dość często na Sycylii.

Siarkę można również znaleźć w podziemnych kopalniach, które są przeznaczone do pompowania przegrzanej wody w celu jej stopienia i przeniesienia na powierzchnię. Ten proces uzyskiwania znany jest jako proces Frascha, obecnie mało używany.

Olej

Obecnie większość siarki pochodzi z przemysłu naftowego, ponieważ jej związki organiczne wchodzą w skład ropy naftowej i jej rafinowanych pochodnych.

Jeśli surowy lub rafinowany produkt jest bogaty w siarkę i ulega hydroodsiarczaniu, uwalnia duże ilości H ₂ S (śmierdzący gaz o zapachu zgniłych jaj):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

H ₂ S jest następnie poddawany obróbce chemicznej w procesie Claussa, podsumowywanym za pomocą następujących równań chemicznych:

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

Aplikacje

Niektóre zastosowania siarki są wymienione poniżej i ogólnie:

- Jest niezbędnym pierwiastkiem zarówno dla roślin, jak i zwierząt. Występuje nawet w dwóch aminokwasach: cysteinie i metioninie.

- Jest surowcem do produkcji kwasu siarkowego, związku używanego przy wytwarzaniu niezliczonych produktów handlowych.

- W przemyśle farmaceutycznym służy do syntezy pochodnych siarki, z czego najbardziej znanym przykładem jest penicylina.

- Umożliwia wulkanizację gumy poprzez połączenie łańcuchów polimerowych wiązaniami SS.

- Jego żółty kolor i mieszanki z innymi metalami sprawiają, że jest pożądany w przemyśle pigmentowym.

- Zmieszany z nieorganiczną matrycą, taką jak piasek i skały, przygotowuje się beton i asfalt siarkowy, aby zastąpić bitum.

Ryzyko i środki ostrożności

Siarka sama w sobie jest nieszkodliwą, nietoksyczną substancją, a także nie stwarza potencjalnego zagrożenia, o ile nie reaguje tworząc inne związki. Jego sole siarczanowe nie są niebezpieczne i można się z nimi obchodzić bez większych środków ostrożności. Tak jednak nie jest w przypadku jego gazowych pochodnych: SO ₂ i H ₂ S, oba silnie toksyczne.

Jeśli jest w fazie ciekłej, może spowodować poważne oparzenia. Jeśli zostanie połknięty w dużych ilościach, może wywołać produkcję H ₂ S w jelitach. W przeciwnym razie nie stanowi żadnego zagrożenia dla tych, którzy ją przeżuwają.

Ogólnie rzecz biorąc, siarka jest pierwiastkiem bezpiecznym, który nie wymaga zbyt wielu środków ostrożności, poza trzymaniem go z dala od ognia i silnych utleniaczy.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Laura Crapanzano. (2006). Polimorfizm siarki: aspekty strukturalne i dynamiczne. Fizyka .Université Joseph-Fourier - Grenoble I. angielski. fftel-00204149f
3. Wikipedia. (2019). Alotropy siarki. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Meyer Beat. (1976). Siarka elementarna. Recenzje chemiczne, tom 76, nr 3.
5. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka siarki. Chemicool. Źródło: chemicool.com
6. Donald W. Davis i Randall A. Detro. (2015). Historia siarki. Georgia Gulf Sulphur Corporation. Odzyskane z: georgiagulfsulfur.com
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 stycznia 2019). 10 interesujących faktów dotyczących siarki. Odzyskany z: thinkco.com
8. Boone, C.; Bond, C.; Hallman, A.; Jenkins, J. (2017). Ogólne informacje o siarki; Krajowe Centrum Informacji o Pestycydach, Usługi w zakresie rozszerzenia Uniwersytetu Stanowego w Oregonie. npic.orst.edu