СЯРА: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2026

На сяра е на неметални елементи води, по кислород, групата на халогените от периодичната таблица. Той е специално разположен в група 16 с период 3 и е представен от химическия символ S. От естествените му изотопи ³² S е най-изобилният (около 94% от всички серни атоми).

Той е един от най-разпространените елементи на Земята, съставляващ около 3% от общата му маса. С други думи, ако се вземе цялата сяра на планетата, биха могли да се построят две жълти луни; би имало три сателита вместо един. Той може да приема различни окислителни състояния (+2, -2, +4 и +6), така че солите му са многобройни и обогатяват земната кора и ядрото.

Сярни кристали. Източник: Pixabay

Сярата е синоним на жълто, лоши миризми и ад. Основната причина за лошите му миризми се дължи на неговите производни съединения; особено газирани и органични. От останалите минералите му са твърди и имат цветове, които включват жълто, сиво, черно и бяло (между другото).

Той е един от елементите, който най-много представя голям брой алотропи. Тя може да се намери като малки отделни молекули на S ₂ или S ₃; като пръстени или цикли, като орторомбичната и моноклинната сяра S _{8 е} най-стабилната и изобилна от всички; и като спирални вериги.

Не се намира само в земната кора под формата на минерали, но и в биологичните матрици на нашите тела. Например, той е в аминокиселините цистин, цистеин и метионин, в железни протеини, кератин и в някои витамини. Той също присъства в чесъна, грейпфрута, лука, зелето, броколите и карфиола.

Химически той е мек елемент, а при липса на кислород образува серни минерали и сулфати. Той гори със синкав пламък и може да изглежда като аморфно или кристално твърдо вещество.

Въпреки че е от съществено значение за синтеза на сярна киселина, силно корозивно вещество и има неприятни миризми, всъщност е доброкачествен елемент. Сярата може да се съхранява във всяко пространство без големи предпазни мерки, стига да се избягват пожари.

История на сярата

В Библията

Сярата е един от най-старите елементи в историята на човечеството; дотолкова, че откритието му е несигурно и не се знае коя от древните цивилизации го е използвала за първи път (4000 години преди Христос). В самите страници на Библията той може да се намери придружаващ адски огън и ад.

Предполагаемата миризма на сяра от ада се смята, че има общо с вулканичните изригвания. Първият му откривател сигурно е попаднал на мини от този елемент, като прахови земи или жълти кристали в близост до вулкан.

античност

Това жълтеникаво твърдо вещество скоро демонстрира забележителни лечебни ефекти. Например, египтяните използвали сяра за лечение на възпаление на клепачите. Освен това облекчава краста и акне, приложение, което може да се види днес в серни сапуни и други дерматологични предмети.

Римляните използвали този елемент в своите ритуали, като фумигант и белина. Когато гори, той отделя SO ₂, газ, който наводнява стаите, смесвайки се с влажността и осигурява антибактериална среда, способна да убива насекоми.

Римляните, подобно на гърците, открили високата горимост на сярата, поради което тя станала синоним на огъня. Цветът на синкавите му пламъци сигурно е освещавал римските циркове. Смята се, че гърците от своя страна са използвали този елемент за създаване на запалителни оръжия.

Китайците от своя страна научиха, че чрез смесване на сяра със селетер (KNO ₃) и въглища, те създадоха материалния черен прах, който постави исторически обрат и това предизвика големи искания и интерес към този минерал в народите на времето.

Модерни времена

Сякаш барутът не е достатъчна причина да пожелае сяра, сярна киселина и нейните индустриални приложения скоро се появиха. И с пръчката на сярната киселина количеството богатство или просперитет на една държава се измерваше спрямо нивата на потребление на това съединение.

Едва през 1789 г. блестящият химик Антоан Лавоазие успя да разпознае сярата и да я класифицира като елемент. Тогава през 1823 г. германският химик Ейлард Митчерлих открил, че сярата може да кристализира предимно по два начина: ромбоедричен и моноклиничен.

Историята на сярата следваше същия ход на нейните съединения и приложения. С огромното промишлено значение на сярната киселина, тя беше придружена от вулканизация на каучуци, синтез на пеницилин, експлоатация на мини, рафиниране на суров нефт, богат на сяра, хранене на почвите и др.

Имоти

Външен вид

Чупливо твърдо вещество в прахообразна или кристална форма. Цветът му е тъмно лимоненожълт, безвкусен е и няма мирис.

Течен вид

Течната сяра е уникална с това, че първоначалният й жълт цвят става червеникав и се засилва и потъмнява, ако е подложен на високи температури. Когато гори, той излъчва яркосин пламък.

Моларна маса

32 g / mol.

Точка на топене

115,21 ° C.

Точка на кипене

445 ° C.

точка на запалване

160 ° С.

Температура на автоматично запалване

232 ° С.

плътност

2.1 g / mL. Другите алотропи обаче могат да бъдат по-малко плътни.

Моларен топлинен капацитет

22,75 J / mol K

Ковалентен радиус

105 ± 3 pm.

Електроотрицателност

2,58 по скалата на Полинг.

полярност

SS връзките са аполарни, защото и двата серни атома имат еднаква електроотрицателност. Това прави всичките му алотропи, циклични или верижни, неполярни; и следователно взаимодействията му с водата са неефективни и не могат да бъдат разтворени в нея.

Въпреки това, сяра може да бъде разтворен в неполярни разтворители като въглероден дисулфид, CS ₂, и ароматни (бензен, толуен, ксилен и т.н.).

йон

Сярата може да образува различни йони, обикновено аниони. Най-известната от всички е сярата, S ^2-. S ^2- се характеризира с това, че е обемна и има мека основа на Люис.

Тъй като това е мека основа, теорията гласи, че ще има тенденция да образува съединения с меки киселини; като катиони на преходните метали, включително Fe ²⁺, Pb ²⁺ и Cu ²⁺.

Структура и електронна конфигурация

Сярната корона

S8 молекула, най-стабилният и най-обилен алотроп на сяра. Източник: Benjah-bmm27.

Сярата може да се среща в голямо разнообразие от алотропи; и те от своя страна имат кристални структури, които се модифицират при различни налягания и / или температури. Следователно сярата е елемент, богат на алотропи и полиморфи и изследването на нейните твърди структури представлява безкраен източник на теоретико-експериментална работа.

Защо такава структурна сложност? Като начало, ковалентните връзки в сярата (SS) са много силни, като се надминават само от тези на въглерод, СС и на водород, НН.

Сярата, за разлика от въглерода, не е склонна да образува тетраедри, а бумеранги; които с ъглите си се сгъват и звънят, за да стабилизират сярните вериги. Най-известният пръстен от всички, който също представлява най-стабилния алотроп на сяра, е S ₈, „сярна корона“ (горно изображение).

Обърнете внимание, че всички SS връзки в S ₈ изглеждат като отделни бумеранги, което води до пръстен с плисета и изобщо не е плосък. Тези ₈ корони взаимодействат чрез силите на Лондон, като се ориентират по такъв начин, че създават структурни модели, които определят орторомбичен кристал; наречен S ₈ α (S-α, или просто орторомбична сяра).

Polymorphs

Сярната корона е един от многото алотропи за този елемент. S ₈ α е полиморф на тази корона. Има две други (сред най-важните), наречени S ₈ β и S ₈ γ (S-β и S-γ, съответно). И двата полиморфа кристализират в моноклинични структури, като S ₈ γ е по-плътен (гама сяра).

И трите са жълти твърди вещества. Но как да получите всеки полиморф поотделно?

S ₈ β се получава чрез нагряване S ₈ α до 93 ° С, след което позволява неговото бавно охлаждане до забави прехода обратно към орторомбична фаза (на а). А S ₈ γ, от друга страна, се получава, когато S ₈ α се стопи при 150 ° C, което отново му позволява да се охлажда бавно; тя е най-гъстата от полиморфите на серната корона.

Други циклични алотропи

Короната S ₈ не е единственият цикличен алотроп. Има и други като S ₄, S ₅ (аналогичен на циклопентан), S ₆ (представен от шестоъгълник като циклохексан), S ₇, S ₉ и S _10-20; последният означава, че може да има пръстени или цикли, съдържащи от десет до двадесет сярни атома.

Всеки от тях представлява различни циклични алотропи на сяра; и от своя страна, за да се подчертае, те имат разновидности на полиморфи или полиморфни структури, които зависят от налягането и температурата.

Например, S ₇ има до четири известни полиморфа: α, β, γ и δ. Членове или корони на по-високо молекулни маси са продукти на органичен синтез и не преобладават в природата.

Сярни вериги

Сярна верига. Източник: OpenStax

Тъй като повече серни атоми са включени в структурата, тяхната склонност към пръстен намалява и серните вериги остават отворени и приемат спирални конформации (сякаш са спирали или винтове).

И така се появява още едно обемно семейство от серни алотропи, което не се състои от пръстени или цикли, а от вериги (като тази на изображението по-горе).

Когато тези SS вериги се подредят паралелно в кристала, те улавят примесите и в крайна сметка определят влакнесто твърдо вещество, наречено влакнеста сяра, или S-ψ. Ако между тези паралелни вериги има ковалентни връзки, които ги свързват (както се случва с вулканизацията на каучук), имаме ламинарна сяра.

Когато сярата S _{8 се} стопи, се получава жълтеникава течна фаза, която може да потъмнее, ако температурата се повиши. Това е така, защото SS връзките са скъсани и поради това възниква процес на термична деполимеризация.

Тази течност, когато се охлади, показва пластмасови и след това стъклени характеристики; тоест се получава стъкловидна и аморфна сяра (S-χ). Съставът му се състои както от пръстени, така и от серни вериги.

И когато от аморфната сяра се получава смес от влакнест и ламинарен алотроп, се произвежда Crystex, търговски продукт, използван за вулканизация на каучук.

Малки алотропи

Въпреки че са останали последни, те са не по-малко важни (или интересни) от алотропите на по-високи молекулни маси. На S ₂ и S ₃ молекули са сулфурирания версии на О ₂ и О ₃. В първия два серни атома са свързани с двойна връзка, S = S, а във втората има три атома с резонансни структури, S = SS.

Както S ₂ и S ₃ са в газообразно състояние. S ₃ показва вишнево червен цвят. И двамата разполагат с достатъчно библиографски материали, за да обхващат всяка отделна статия.

Електронна конфигурация

Електронната конфигурация за серния атом е:

3s ² 3p ⁴

Той може да спечели два електрона, за да завърши валентния си октет и по този начин да има окислително състояние -2. По същия начин той може да загуби електрони, започвайки с два в своите 3p орбитали, като окислителното му състояние е +2; ако загубите още два електрона, като орбиталите им 3p са празни, вашето окислително състояние ще бъде +4; и ако загубите всички електрони, ще бъде +6.

Получаване

Минералогично

Сярата е част от много минерали. Сред тях са пирит (FeS ₂), галена (PbS), ковелити (CuS) и други сулфатни и сулфидни минерали. Чрез обработката им може да се извлече не само металите, но и сярата след поредица от редуктивни реакции.

Може да се получи по чист начин и във вулканични отвори, където с повишаване на температурата той се топи и се разлива надолу; И ако се запали, ще изглежда като синкава лава през нощта. Чрез тежък труд и упорит физически труд сярата може да се добива точно както се правеше доста често в Сицилия.

Сярата може да се намери и в подземни мини, които са направени за изпомпване на прегрята вода, за да я стопи и премести на повърхността. Този процес на получаване е известен като Frasch Process, понастоящем малко използван.

масло

Днес по-голямата част от сярата идва от нефтената промишленост, тъй като нейните органични съединения са част от състава на суровия нефт и неговите рафинирани производни.

Ако суровият или рафиниран продукт е богат на сяра и се подлага на хидродесулфуризация, той ще отдели големи количества H ₂ S (вонящ газ, който мирише на гнили яйца):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

Н ₂ S след това химически третирани в процеса Clauss, обобщени със следните химически уравнения:

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

Приложения

Някои от употребите на сяра са споменати по-долу и по общ начин:

- Той е съществен елемент както за растенията, така и за животните. Той дори присъства в две аминокиселини: цистеин и метионин.

- Това е суровината за сярна киселина, съединение, участващо в приготвянето на безброй търговски продукти.

- Във фармацевтичната индустрия се използва за синтеза на серни производни, като пеницилинът е най-известният от примерите.

- Позволява вулканизация на каучуци чрез свързване на полимерните вериги със SS връзки.

- Жълтият му цвят и смесите му с други метали го правят желателно в пигментната индустрия.

- Смесени с неорганична матрица, като пясък и скали, бетон и серен асфалт са подготвени за замяна на битум.

Рискове и предпазни мерки

Сярата сама по себе си е безобидно, нетоксично вещество и освен това не представлява потенциални рискове, освен ако не реагира с образуването на други съединения. Сулфатните му соли не са опасни и с тях може да се работи без големи предпазни мерки. Това не е така, обаче, с неговите газообразни производни: SO ₂ и H ₂ S, както силно токсични.

Ако е в течна фаза, това може да причини сериозни изгаряния. Ако се погълне в големи количества, това може да предизвика производството на H ₂ S в червата. В противен случай не представлява риск за тези, които го дъвчат.

Най-общо сярата е безопасен елемент, който не изисква прекалено много предпазни мерки, освен да го пази от огън и силни окислители.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Лора Крапанцано. (2006 г.). Полиморфизъм на сярата: структурни и динамични аспекти. Физика. Университет Йосиф-Фурие - Гренобъл I. Английски. fftel-00204149f
3. Wikipedia. (2019). Алотропи на сяра. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Майер Бийт. (1976). Елементарна сяра. Химически рецензии, том 76, № 3.
5. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти на сярния елемент. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com
6. Доналд У. Дейвис и Рандал А. Детро. (2015). История на сярата. Georgia Gulf Sulphur Corporation. Възстановено от: georgiagulfsulfur.com
7. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (11 януари 2019 г.). 10 интересни факта на сярата. Възстановено от: thinkco.com
8. Boone, C.; Bond, C.; Холман, А.; Jenkins, J. (2017). Обща информация за сярата; Национален информационен център за пестициди, Услуги за разширяване на държавния университет в Орегон. npic.orst.edu