Фізичні властивості сірки. Опис сірки

Сірка - речовина, зараз вивчене людством практично повністю. У давнину воно вважалося містичним, було оточене таємницями, легендами та міфами, які виникали через забобонного страху людей перед усім незвіданим. Втім, багато фізичні властивості сірки були відомі людям ще до того, як Менделєєв помістив елемент в періодичну таблицю і присвоїв йому номер 16. Ця речовина досить широко застосовувалося ще в епоху Гомера, крім того, деяку інформацію (умовно достовірну) про нього можна знайти в новому і Старому Завітах.

Хімічний елемент

В одночас систематизувати накопичену століттями інформацію про такий речовині, як сірка, було досить складно. Цим займалися багато вчених, але визначити її приналежність до класу хімічних елементів вдалося Д. І. Менделєєву. У періодичній системі вона позначена номером 16. Розташована сірка в третьому періоді, шостій групі головної підгрупи, атомна маса - 32, щільність (при нормальних умовах) - 2070 кг / м³.

Історія використання

Стародавні люди активно застосовували фізичні властивості сірки, які були їм відомі. Джерелом її виникнення вважалися боги землі, або підземні люди, наділені особливими якостями. Характерний запах даної речовини і легкість його займання стали в нагоді служителями церкви при проведенні різних релігійних обрядів і вигнанні «злих духів». Надалі сірка стала застосовуватися у військових цілях, входила до складу горючих сумішей. З великою часткою ймовірності можна стверджувати, що вона використовувалася при створенні «грецького вогню», який наводив священний жах на супротивника. У побуті сірка та її сполуки застосовувалися в косметології, сільському господарстві, з її допомогою вибілювали тканини і виводили паразитів. У стародавньому Китаї перші піротехнічні досліди проводилися за допомогою сірки. Отримані суміші ще не були порохом, але послужили базою для створення його формули, яка, до слова, в сучасних умовах була модернізована. Однак на початковому етапі її основу становила саме сірка. Хімія, точніше, алхімія того часу, називає даний елемент «батьком всіх металів». Подібний висновок ґрунтується на присутності сірки в багатьох рудах і її підвищеної горючості. Розвіяти цей міф вдається Лавуазьє в 1789 році. Вчений відніс елемент до неметалів і, як показали подальші дослідження, був правий. У медицині сполуки сірки застосовувалися як антисептичних і антипаразитарних засобів.

У природі

У гірських породах земної кори сірка зустрічається досить часто. За ступенем доступності і поширеності вона займає 16 місце серед усіх хімічних елементів. Будова атома сірки дає можливість даної речовини знаходитися в чистому вигляді (у певних природних умовах). Але в більшості випадків вона входить до складу різних руд, у з`єднаннях утворює сульфіди і сульфати. Найбільш поширені її зв`язку з металами: залізний колчедан (пірит), кіновар, свинцевий блиск (галеніт), цинкова обманка (сфалерит). У Світовому океані присутні сульфати магнію, кальцію, натрію. На сьогоднішній день визначено понад 200 найменувань мінералів. Другий - по масовій частці змісту - групою є гіпс, кізерит, глауберової сіль. Сірка входить до складу білкових молекул, т. Е. Міститься в організмах тварин. Дуже широко представлені органічні сполуки: нафта, гази і природний вугілля. Основним джерелом утворення сірки та її похідних є виверження вулканів, але діяльність людини (виробнича, господарська) прискорила і збагатила цей процес. Значна кількість даної речовини накопичено в підземних водах, глинах, гіпсі, на дні озер і морів, в нафти, природному газі та вугіллі, в солончаках і у водах океанів. Кругообіг сірки в біосфері відбувається за допомогою мікроорганізмів, сприяє цьому і волога, яка випаровується з поверхні величезного водного простору, випадає у вигляді опадів і зі стічними потоками річок йде назад в моря і океани.

Назва

У період розвитку алхімії існувало кілька назв, яким позначали сучасний хімічний елемент сірка. Яка речовина малося на увазі під ними - не зовсім ясно, можливо, йшлося про з`єднаннях, руді або сірчистому газі. У періодичній системі Менделєєва сірка позначена символом S (Sulfur). Дане латинське найменування не має ясного походження, ймовірно, воно було запозичене з давньогрецької мови, а перевести його можна як «горіння». У терміна, що вживається в російській мові, дуже давнє коріння. Словом «сірка» позначалися неприємно пахнуть речовини, горючі суміші. Також є версія про походження назви від кольору речовини: «світло-жовтий», «сірий», т. Е. не певен. Так називали всі смоли. Друга назва речовини, що не застосовується в сучасності, - «жупел». Також несе в собі визначення поняттям горючість і поганий запах. Філологи прийшли до висновку про наявність в цьому слові санскритського кореня «вбивати», що, ймовірно, пов`язано з властивостями сірчистого газу.

Фізичні властивості сірки

Залежно від аллотропной модифікації, варіюються зв`язку всередині елемента. Прийнято виділяти три утворених виду решітки (стійкої ланцюжка атомів): ромбічна, пластична, моноклінна. Колір, фізичні властивості речовини сірка залежать від модифікації. Найбільш стабільними і поширеними є циклічні сполуки S<sub>8</sub>. Саме такий вид ланцюжка характерний для кристалічної сірки - крихкого речовини, що має жовтуватий відтінок. Пластична і моноклінна модифікації є нестабільними і переходять в циклічну структуру мимовільно через деякий час після отримання. Формула сірки в даному випадку містить символ S<sub>4</sub> або S<sub>6</sub>. За нормальних умов (кімнатна температура) стійким з`єднанням є ромбічна ланцюжок: в процесі нагрівання речовина переходить у рідкий агрегатний стан, потім густіє. Поступове охолодження утворює голчасті кристали моноклінної сірки, які мають темно-жовтий колір. При взаємодії розплавленого речовини з холодною водою утворюється пластична аллотропная модифікація, яка має структуру, подібну гумі, і складається з декількох полімерних ланцюжків, має брудно-жовтий (темний) колір. Найбільш часто зустрічається опис сірки як твердого жовтого речовини, яка не взаємодіє з водою, залишаючись на її поверхні. Як розчинник можуть застосовуватися органічні сполуки: скипидар, сірковуглець і т. Д. Сірка в якості простого речовини в нормальних умовах має наступні термодинамічні властивості:

1. Відносна щільність - 2,070 г / см³.
2. Теплопровідність - 300 К.
3. Температура плавлення - 112 ^проС.
4. Молярна теплоємність - 22,6 Дж.
5. Температура кипіння - 444 ^проС.
6. Молярний об`єм - 15,5 см³/ Моль.

В процесі нагрівання число атомів сірки в молекулі зменшується. При 300 ^проЗ вона є досить активно рухається рідиною, для отримання парів температуру збільшують до 450 ^проС. одноатомні сірку можна отримати в процесі нагрівання речовини до 1760 ^проС (S₈ - S₆ - S₄ - S₂ - S). Дана речовина є поганим провідником електричного струму і тепла, що широко використовується при його застосуванні.

Хімічні властивості

Сірка вступає в реакцію з усіма металами, в результаті чого утворюються сульфіди. У більшості випадків для хімічної реакції необхідний каталізатор, в якості якого виступає нагрів. За нормальних умов (кімнатна температура) з`єднання відбувається тільки зі ртуттю. Дана властивість використовується для знешкодження її парів, які утворюються в результаті взаємодії крапель металу з киснем. Не взаємодіє елемент з платиною, иридием, золотом. Отримані сульфіди є пожежонебезпечними сполуками, які при підпалюванні досить інтенсивно горять. Сірка, очищена на відкритому повітрі, реагує з киснем. Дане з`єднання характеризується процесом утворення безбарвного газу (сірчистого ангідриду) і горінням. Оборотна реакція взаємодії з воднем відбувається при нагріванні (за аналогією з вуглецем і кремнієм), що утворюються гази називають сірководнем, сірковуглецем. Як і всі інші елементи VI групи таблиці Менделєєва, сірка взаємодіє в запаяній трубці з галогенами (фтор, бром, хлор, фосфор). При кімнатній температурі реакція можлива тільки з фтором. Хлорид сірки є речовиною, найбільш широко застосовуваним в хімічній промисловості. З водою і розчинами кислот не взаємодіє, з`єднання з лугом оборотні - вони утворюються при дії каталізатора. Багато існуючі кислоти і солі утворені в результаті з`єднання (обов`язковою умовою є температура) сірки з киснем і воднем.

Електронна структура

Будова атома сірки дає можливість елементу проявляти себе в якості окислювача і відновника, а при хімічної реакції мати різну валентність. Це обумовлено розподілом електронів за рівнями. Ядро атома має заряд +16 при атомній масі 32 (16 протонів і нейтронів), радіус - 127 пм. Схема сірки (електронна) виглядає наступним чином: S + 16) 2) 8) 6- в спокійному стані - 1S²2S²2P⁶3S²3P⁴. На третьому рівні атом сірки має п`ять незайнятих орбіталей, тому валентність в його з`єднаннях варіюється в таких межах: -2, +2, + 4, + 6, які залежать від ступеня її порушення.

Місце Народження

Кількість видобутої сірки збільшується щорічно. Це пов`язано з досить широким колом її застосування, який постійно зростає за рахунок технологічних проривів і більш ретельного дослідження вже відомих хімічних елементів. У природі сірка міститься в самородному вигляді і входить до складу великої кількості руд. Залежно від цього застосовуються різні способи її видобутку. Стратіформниє родовища поширені в США, Іраку, середньому Поволжі та Прикарпатті. Вони є найбільш рентабельними в процентному відношенні, там добувають від 50 до 60% сірки. Карбонатні і сульфатні породи пролягають величезними пластами, що досягають десятків метрів у глибину і декількох сотень - у довжину. Солянокупольних родовища характерні для регіонів інтенсивного видобутку нафтопродуктів. До найбільших покладів відносять зону Мексиканської затоки, яку паралельно розробляють США, Чилі та Мексика. Найбільш сучасними, нещодавно сформованими родовищами є вулканогенні поклади. Їх походження пов`язане з тектонічними розломами земної кори і дією вулканів. Відповідно, дані родовища розташовуються в Тихому океані. Активно освоюють дані зони Японія і Росія. На території Євразії більш поширені поклади самородної сірки, яка має досить давнє походження і переважно розташовується в поверхневих шарах. Уральські гори, острів Сицилія, Поволжя, Львівська область є освоєними родовищами, які розробляються до сьогоднішнього дня. Світовий видобуток сірки становить понад 50 млн тонн на рік, при цьому 30% - самородки, 33% - газ і нафтопродукти, 14% - переробка виробничих викидів, 16% - з сульфідів, 6% - з сульфатів.

Способи видобутку

Залежно від глибини залягання серосодержащей руди використовують різні методи її вилучення і подальшої переробки. Фізичні властивості сірки на перший план, незалежно від способу видобутку, виводять безпеку процесу. Як правило, поклади даної речовини супроводжуються великим скупченням отруйних газів, також не виключаються випадки самозаймання. Поверхневі рудні шари знімаються пластами за допомогою екскаваторів - цей спосіб найменш небезпечний (при дотриманні всіх технологічних вимог). Сірка очищена виходить в результаті її подальшої переробки на відповідних підприємствах, куди вона доставляється з кар`єрів. Способи очищення і збагачення різноманітні: термічні, центрифугальні, фільтраційні, пароводяні, екстракційні.

Набагато складніше проводити видобуток сірки, яка міститься в підземних шарах. Шахтний метод - за рахунок виділення супутнього газу - практично недоступний, тому досить успішно з 1895 року застосовується метод Германа Фраша. Він найбільш продуктивний при розробці багатих родовищ і дає суттєву економію транспортних витрат і витрат на подальшу переробку руди, так як припускає вихід чистої речовини. Принцип установки простий: рудні шари, що містять сірку, піддаються обробці гарячою водою, яка подається по трубі. Всередині неї розташовуються ще два циліндричних відокремлених судини, які призначені для подачі газу і виходу готового продукту. За рахунок низької температури плавлення на поверхню під тиском виходить сірка з невеликою кількістю домішок.

Застосування

Основним споживачем сірки є хімічна промисловість, яка не може існувати без кислот на основі даного елемента. Текстильні, нафтопереробні, харчові, целюлозні, гірничодобувні сегменти виробництва не можуть обійтися без цієї речовини. Формула сірки дає можливість застосовувати її сполуки для виготовлення вибухівки, сірників, гуми, косметичних засобів, ліків і т. Д. У сільському господарстві розглядається нами речовина входить до складу добрив для грунту (підвищує відсоток засвоєного фосфору) і отрут, якими обробляють насіння від різних шкідників. Для виробництва барвників і світних складів використовується очищена сірка. За ступенем видобутку, переробки і використання цього елемента можна судити про промисловий потенціал всієї держави. Більшість новітніх розробок в багатьох наукомістких секторах економіки засноване на використанні сірки та її сполук. Складно оцінити весь потенціал застосування даного хімічного елемента, який використовується людством з давніх часів і продовжує брати активну участь у технологічному еволюційному процесі.