ŽVEPLO: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2026

Žveplo je oglas nekovinski vodi element, pod kisika, skupina halkogen periodnega sistema. Nahaja se posebej v skupini 16 z obdobjem 3 in je predstavljen s kemijskim simbolom S. Od naravnih izotopov je ³² S daleč najbolj razširjen (približno 94% vseh atomov žvepla).

Je eden najbolj obilnih elementov na Zemlji, saj predstavlja približno 3% njegove celotne mase. Z drugimi besedami, če bi vzeli vse žveplo na planetu, bi lahko zgradili dve rumeni luni; namesto enega bi bili trije sateliti. Lahko sprejme različna oksidacijska stanja (+2, -2, +4 in +6), zato so njegove soli številne in obogatijo zemeljsko skorjo in jedro.

Žvepleni kristali. Vir: Pixabay.

Žveplo je sinonim za rumene, slabe vonjave in pekel. Glavni razlog za njegove slabe vonjave je posledica njegovih pridobljenih spojin; zlasti sode in organske. Od ostalih so njegovi minerali trdni in imajo barve, ki med drugim vključujejo rumeno, sivo, črno in belo.

Je eden izmed elementov, ki najbolj predstavlja veliko število alotropov. To je mogoče najti tako majhne, diskretni molekulami S ₂ ali S ₃ ; kot kuhalnih plošč ali ciklov, pri čemer ortorombični in monokliničnega žveplo S ₈ najbolj stabilna in bogat vseh; in kot vijačne verige.

Ne najdemo ga le v zemeljski skorji v obliki mineralov, ampak tudi v bioloških matrikah naših teles. Na primer, je v aminokislinah cistin, cistein in metionin, v beljakovinah železa, keratinu in nekaterih vitaminih. Prisoten je tudi v česnu, grenivki, čebuli, zelju, brokoliju in cvetači.

Kemično je mehak element, v pomanjkanju kisika pa tvori žveplove minerale in sulfate. Gori z modrikastim plamenom in se lahko pojavi kot amorfna ali kristalna trdna snov.

Kljub temu, da je bistvenega pomena za sintezo žveplove kisline, zelo korozivne snovi in ​​ima neprijetne vonjave, je pravzaprav benigni element. Žveplo se lahko skladišči v katerem koli prostoru brez večjih previdnostnih ukrepov, če se izognemo požaru.

Zgodovina žvepla

V Svetem pismu

Žveplo je eden najstarejših elementov v zgodovini človeštva; toliko, da je njegovo odkritje negotovo in ni znano, katera od starih civilizacij ga je uporabila prvič (4000 let pred Kristusom). Na samih straneh Biblije ga lahko najdemo v spremstvu peklenskega ognja in pekla.

Domnevni vonj žvepla iz pekla naj bi imel zvezo z vulkanskimi izbruhi. Njegov prvi odkritelj je zagotovo naletel na rudnike tega elementa, kot so prašne zemlje ali rumeni kristali v bližini vulkana.

Antika

Ta rumenkasta trdna snov je kmalu pokazala izjemne zdravilne učinke. Egipčani so na primer uporabljali žveplo za zdravljenje vnetja vek. Lajšal je tudi mošnjo in akne, aplikacijo, ki jo lahko danes vidimo v žveplovitih milih in drugih dermatoloških predmetih.

Rimljani so ta element uporabljali v svojih obredih kot fumigant in belilo. Ko gori, sprošča SO ₂ , plin, ki je preplavil prostore, mešal z vlago in zagotovil antibakterijsko okolje, ki je sposobno ubiti žuželke.

Rimljani so tako kot Grki odkrili visoko gorljivost žvepla, zato je postal sinonim za ogenj. Barva njegovih modrikastih plamenov je morala osvetliti rimske kroge. Menijo, da so Grki s tem elementom uporabili ta element za ustvarjanje vžigalnega orožja.

Kitajci so se naučili, da so z mešanjem žvepla s soljo (KNO ₃ ) in premogom ustvarili materialni črni prah, ki je postavil zgodovinski preobrat in je vzbudil velike zahteve in zanimanje za ta mineral v takratnih narodih.

Moderni časi

Kot da prah ni dovolj razlog, da bi žveplal, kmalu se je pojavila žveplova kislina in njene industrijske uporabe. In s palico žveplove kisline smo merili količino bogastva ali blaginje države glede na njeno raven porabe te spojine.

Šele leta 1789 je briljantni kemik Antoine Lavoisier znal prepoznati žveplo in ga uvrstiti med elemente. Nato je leta 1823 nemški kemik Eilhard Mitscherlich odkril, da žveplo večinoma lahko kristalizira na dva načina: romboedrski in monoklinski.

Zgodovina žvepla je sledila istemu poteku njegovih spojin in aplikacij. Ob ogromnem industrijskem pomenu žveplove kisline so jo spremljale vulkanizacija gume, sinteza penicilina, izkoriščanje rudnikov, rafiniranje surove nafte, bogate z žveplom, prehrana tal itd.

Lastnosti

Fizični videz

Krhka trdna snov v prahu ali kristalu. Njena barva je lupinsko limonsko rumena, je brez okusa in nima vonja.

Tekoč videz

Tekoče žveplo je edinstveno po tem, da se njegova začetna rumena barva obarva rdečkasto in se intenzivira in potemni, če je izpostavljena visokim temperaturam. Ko gori, oddaja svetlo modre plamene.

Molarna masa

32 g / mol.

Tališče

115,21 ° C.

Vrelišče

445 ° C.

mesto vžiga

160 ° C.

Temperatura samodejnega vžiga

232 ° C.

Gostota

2,1 g / ml Vendar so lahko drugi alotropi manj gosti.

Molarna toplotna zmogljivost

22,75 J / mol K

Kovalentni polmer

105 ± 15.00.

Elektronegativnost

2,58 po Paulingovi lestvici.

Polarnost

SS vezi so apolarne, ker imata oba atoma žvepla enako elektronegativnost. Zaradi tega so vsi alotropi, ciklični ali verižni, nepolarni; zato so njeni medsebojni vplivi z vodo neučinkoviti in je v njej ni mogoče solubilizirati.

Vendar pa lahko žveplo raztopimo v nepolarnih topilih, kot so ogljikov sulfid, CS ₂ in aromatiki (benzen, toluen, ksilen itd.).

Ion

Žveplo lahko tvori različne ione, običajno anione. Najbolj znano od vseh je žveplo, S ^2- . Za S ^2- je značilno, da je glomazno in ima mehko podlago Lewisa.

Ker gre za mehko bazo, teorija navaja, da bo težil k tvorjenju spojin z mehkimi kislinami; kot so kationi prehodnih kovin, vključno s Fe ²⁺ , Pb ²⁺ in Cu ²⁺ .

Struktura in elektronska konfiguracija

Žveplena krona

S8 molekula, najbolj stabilen in najbogatejši alotrop žvepla. Vir: Benjah-bmm27.

Žveplo se lahko pojavi v najrazličnejših alotropih; ti pa imajo kristalne strukture, ki se spreminjajo pod različnimi pritiski in / ali temperaturami. Zato je žveplo element, bogat z alotropi in polimorfi, preučevanje njegovih trdnih struktur pa predstavlja neskončen vir teoretično-eksperimentalnega dela.

Zakaj takšna strukturna zapletenost? Za začetek so kovalentne vezi v žveplu (SS) zelo močne, saj jih presegajo le ogljikovi, CC in vodikovi, HH.

Žveplo za razliko od ogljika ne tvori tetraedrov, ampak bumerang; ki se s svojimi koti prepogibajo in zvonijo, da stabilizirajo žveplove verige. Najbolj znan obroček vseh, ki predstavlja tudi najbolj stabilen alotrop žvepla, je S ₈ , "žveplova krona" (zgornja slika).

Upoštevajte, da vse SS povezave se v S ₈ izgledal posameznih boomerangs, ki nastanejo v obroču z gub in ne ravno sploh. Te krone S ₈ delujejo prek londonskih sil in se orientirajo tako, da ustvarijo strukturne vzorce, ki definirajo orthorhombic kristal; imenovani S ₈ α (S-α ali preprosto Ortorombični žveplo).

Polimorfi

Žveplova krona je eden izmed številnih alotropov za ta element. S ₈ α je polimorfna oblika te krone. Obstajata dve drugi (med najpomembnejša), imenovana S ₈ β in S ₈ γ (S-β in S-γ, v tem zaporedju). Oba polimorfi kristalizira v monoklinsko strukture, z S ₈ γ čemer gostejša (gama žveplo).

Vse tri so rumene trdne snovi. Kako pa dobite vsak polimorf posebej?

S ₈ β pripravimo s segrevanjem S ₈ a do 93 ° C, nato pa omogoča njegovo počasno ohlajanje počasnega prehoda nazaj na ortorombični fazne napetosti (a). A S ₈ γ, na drugi strani, dobimo, ko se S ₈ α topi pri 150 ° C, kar spet omogoča, da se počasi ohlaja; je najgostejša polimorfna žveplova krona.

Drugi ciklični alotropi

Krona S ₈ ni edini ciklični alotrop. Obstajajo drugi, kot je S ₄ , S ₅ (analogen ciklopentana), S ₆ (za šesterokotnik kot cikloheksan zastopnika), S ₇ , S ₉ in S _10-20 ; slednje pomeni, da lahko obstajajo obroči ali cikli, ki vsebujejo od deset do dvajset žveplovih atomov.

Vsak od njih predstavlja različne ciklične alotrope žvepla; in, da to poudarim, imajo sorte polimorfov ali polimorfne strukture, ki so odvisne od tlaka in temperature.

Na primer, S ₇ ima do štiri znane polimorfe: α, β, γ in δ. Člani ali krone višjih molekulskih mas so proizvodi organske sinteze in v naravi ne prevladujejo.

Žveplove verige

Žveplena veriga. Vir: OpenStax

Ker je v strukturo vgrajenih več atomov žvepla, se njihova nagnjenost k zvočenju zmanjšuje, žveplove verige pa ostanejo odprte in sprejemajo spiralne oblike (kot da bi bile spirale ali vijaki).

Tako nastane še ena voluminozna družina žveplovih alotropov, ki ni sestavljena iz obročev ali ciklov, ampak iz verig (kot je tista na sliki zgoraj).

Ko se te verige SS vzporedno vzpostavijo v kristalu, se nečistoče lovijo in določijo vlaknasto trdno snov, imenovano vlaknasto žveplo, ali S-ψ. Če med temi vzporednimi verigami obstajajo kovalentne vezi, ki jih medsebojno povezujejo (kot se zgodi z vulkanizacijo gume), imamo laminarno žveplo.

Ko žveplo S ₈ talin, je rumenkasto tekočo fazo pridobljen da potemni, če je temperatura naraste. Razlog za to je, da so SS vezi pretrgane, zato pride do termičnega procesa depolimerizacije.

Ta tekočina, ko se ohladi, kaže plastične in nato steklene lastnosti; to je dobljeno steklo in amorfno žveplo (S-χ). Njegova sestava je sestavljena iz obročev in žveplove verige.

In ko iz amorfnega žvepla dobimo mešanico vlaknastega in laminarnega alotropa, nastane Crystex, komercialni izdelek, ki se uporablja za vulkanizacijo gume.

Majhni alotropi

Čeprav ostanejo zadnji, niso nič manj pomembni (ali zanimivi) kot alotropi višjih molekulskih mas. S ₂ in S ₃ molekule so zažveplani različice O ₂ in O ₃ . V prvih dveh atomih žvepla sta združena z dvojno vezjo, S = S, v drugem pa trije atomi z resonančnimi strukturami, S = SS.

Tako S ₂ kot S ₃ sta v plinastem stanju. S ₃ prikazuje češnjevo rdečo barvo. Obe imata dovolj bibliografskega gradiva, da lahko vsak zajame posamezen članek.

Elektronska konfiguracija

Konfiguracija elektronov za atom žvepla je:

3s ² 3p ⁴

Lahko dobe dva elektrona, da dokonča svoj valenčni oktet in ima tako stanje oksidacije -2. Prav tako lahko izgubi elektrone, začenši z dvema v svoji 3p orbiti, njegovo oksidacijsko stanje je +2; če izgubite še dva elektrona, če je njihova 3p orbitala prazna, bo vaše stanje oksidacije +4; in če izgubite vse elektrone, bo to +6.

Pridobitev

Mineraloško

Žveplo je del številnih mineralov. Med njimi so pirit (FeS ₂ ), galena (PbS), kovelit (CuS) ter drugi sulfatni in sulfidni minerali. S predelavo le teh lahko izločimo ne le kovine, temveč tudi žveplo po vrsti reduktivnih reakcij.

Na čist način ga je mogoče dobiti tudi v vulkanskih odprtinah, kjer se z višanjem temperature topi in razliva navzdol; In če se ujame ogenj, bo ponoči izgledal kot modrikasto lavo. Z napornim delom in napornim fizičnim delom se žveplo lahko pridobiva tako, kot se to pogosto dogaja na Siciliji.

Žveplo je mogoče najti tudi v podzemnih rudnikih, ki so narejeni tako, da črpajo pregreto vodo, da jo stopijo in jo preselijo na površje. Ta postopek pridobivanja je znan kot Frasch Process, ki se trenutno malo uporablja.

Olje

Danes večina žvepla prihaja iz naftne industrije, saj so njegove organske spojine del sestave surove nafte in njenih rafiniranih derivatov.

Če je surov ali rafiniran izdelek bogat z žveplom in se podvrže hidrodesulfurizaciji, bo sproščal velike količine H ₂ S (smrdljiv plin, ki diši po gnilih jajcih):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

H ₂ S nato kemično obdelamo v postopku Clauss, povzeti z naslednjimi kemijskimi enačbami:

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

Prijave

Spodaj in na splošno so omenjene nekatere uporabe žvepla:

- Je bistven element za rastline in živali. Prisoten je celo v dveh aminokislinah: cisteinu in metioninu.

- Je surovina žveplove kisline, spojine, ki sodeluje pri pripravi neštetih komercialnih izdelkov.

- V farmacevtski industriji se uporablja za sintezo žveplovih derivatov, med katerimi je najbolj znan penicilin.

- Omogoča vulkanizacijo gume s povezovanjem polimernih verig s SS vezmi.

- Njegova rumena barva in mešanice z drugimi kovinami so zaželene v industriji pigmentov.

- Mešani z anorgansko matrico, kot so pesek in kamnine, beton in žveplovi asfalt, so pripravljeni za nadomestitev bitumna.

Tveganja in previdnostni ukrepi

Žveplo je samo po sebi neškodljiva, nestrupena snov, poleg tega pa ne predstavlja morebitnih tveganj, razen če ne reagira na tvorbo drugih spojin. Njegove sulfatne soli niso nevarne in z njimi je mogoče ravnati brez večjih previdnostnih ukrepov. Ne gre pa pri njegovih plinastih derivatih: SO ₂ in H ₂ S, ki sta oba strupena.

Če je v tekoči fazi, lahko povzroči resne opekline. Če ga zaužijemo v večjih količinah, lahko sproži nastajanje H ₂ S v črevesju. V nasprotnem primeru za tiste, ki jo žvečijo, ne predstavlja nobenega tveganja.

Na splošno je žveplo varen element, ki ne zahteva preveč previdnosti, razen da ga ne loti pred ognjem in močnimi oksidanti.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Laura Crapanzano. (2006). Polimorfizem žvepla: strukturni in dinamični vidiki. Fizika. Univerza Joseph-Fourier - Grenoble I. Slovenščina. fftel-00204149f
3. Wikipedija. (2019). Alotropi žvepla. Pridobljeno: en.wikipedia.org
4. Meyer Beat. (1976). Elementarno žveplo. Kemični pregledi, letnik 76, številka 3.
5. Dr. Doug Stewart. (2019). Dejstva žveplovega elementa. Kemikool. Pridobljeno: chemicool.com
6. Donald W. Davis in Randall A. Detro. (2015). Zgodovina žvepla Georgia Gulf Sulphur Corporation. Pridobljeno: georgiagulfsulfur.com
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. (11. januar 2019). 10 zanimivih žveplovih dejstev. Pridobljeno: misel.com
8. Boone, C .; Bond, C .; Hallman, A .; Jenkins, J. (2017). Splošni podatki o žveplu; Nacionalni informacijski center za pesticide, razširitvene storitve državne univerze Oregon. npic.orst.edu