גופרית: היסטוריה, תכונות, מבנה, השגה, שימושים - כִּימִיָה - 2025

הגופרית הוא מוביל אלמנט אל מתכתי, תחת חמצן, הקבוצה של chalcogens של הטבלה המחזורית. הוא ממוקם באופן ספציפי בקבוצה 16 עם תקופה 3, והוא מיוצג על ידי הסמל הכימי S. מהאיזוטופים הטבעיים שלו, ³² S הוא ללא ספק השופע ביותר (כ 94% מכלל אטומי הגופרית).

זהו אחד האלמנטים השופעים ביותר בכדור הארץ, המהווה כ -3% מהמסה הכוללת שלו. במילים אחרות, אם כל הגופרית בכדור הארץ נלקחה, ניתן היה לבנות שני ירחים צהובים; יהיו שלושה לוויינים במקום אחד. הוא יכול לאמץ מצבי חמצון שונים (+2, -2, +4 ו- +6), כך שמלחיו רבים ומעשירים את קרום כדור הארץ וליבתו.

גבישי גופרית. מקור: Pixabay.

גופרית היא שם נרדף לצהוב, ריחות רעים וגיהינום. הסיבה העיקרית לריחותיו הרעים נובעת מתרכובותיו הנגזרות; במיוחד משקאות מוגזים ואורגניים. מהיתר, המינרלים שלו מוצקים ויש להם צבעים הכוללים צהוב, אפור, שחור ולבן (בין היתר).

זהו אחד המרכיבים המציגים ביותר מספר רב של אלוטרופים. ניתן למצוא אותה כמולקולות קטנות ונפרדות של S ₂ או S ₃ ; כטבעות או מחזורים, בהיותם הגופרית האורתורומומבית והמונוקלינית S ₈ היציבה והשופעת מכולם; וכשרשראות סליליות.

הוא לא נמצא רק בקרום כדור הארץ בצורה של מינרלים, אלא גם במטריצות הביולוגיות של גופנו. לדוגמא, מדובר בחומצות האמינו ציסטין, ציסטאין ומתיונין, בחלבוני ברזל, קרטין ובכמה ויטמינים. הוא קיים גם בשום, אשכוליות, בצל, כרוב, ברוקולי וכרובית.

מבחינה כימית זהו יסוד רך, ובהיעדר חמצן הוא יוצר מינרלים גופרתיים וגופרתיים. זה נשרף עם להבה כחלחל ועשוי להופיע כמוצק אמורפי או גבישי.

למרות היותו חיוני לסינתזה של חומצה גופרתית, חומר מאכל מאוד, ובעל ריחות לא נעימים, הוא למעשה יסוד שפיר. ניתן לאחסן גופרית בכל חלל ללא אמצעי זהירות עיקריים, כל עוד נמנעות שריפות.

היסטוריה של גופרית

במקרא

הגופרית היא אחד היסודות העתיקים ביותר בתולדות האנושות; עד כדי כך שגילויו אינו ברור ולא ידוע מי מבין התרבויות העתיקות השתמשו בו לראשונה (4000 שנה לפני ישו). ממש בדפי המקרא, ניתן למצוא אותו המלווה גיהינום וגיהינום.

על פי ההערכה, ריח הגופרית מהגיהינום קשור להתפרצויות געש. המגלה הראשון שלה בוודאי נתקל במוקשים של אלמנט זה כמו אדמות אבק או גבישים צהובים בסביבת הר געש.

יָמֵי קֶדֶם

מוצק צהבהב זה הדגים עד מהרה השפעות ריפוי מדהימות. לדוגמא, המצרים השתמשו בגופרית לטיפול בדלקת העפעפיים. כמו כן הקלה על גרדת אקנה, יישום שניתן לראות כיום בסבוני גופרית ובפריטים דרמטולוגיים אחרים.

הרומאים השתמשו באלמנט זה בטקסים שלהם, כחומר סומק ואקונומיקה. כשהוא נשרף הוא משחרר SO ₂ , גז שהציף את החדרים, מתערבב בלחות ומספק מדיום אנטיבקטריאלי המסוגל להרוג חרקים.

הרומאים, כמו היוונים, גילו את הדליקה הגבוהה של הגופרית, וזו הסיבה שהיא הפכה לשם נרדף לאש. צבע להבותיו הכחלחלות כנראה האיר את הקרקסים הרומאים. ההערכה היא שהיוונים מצדם השתמשו באלמנט זה בכדי לייצר נשק תבערה.

הסינים מצידם למדו כי על ידי ערבוב גופרית עם מלח פטר (KNO ₃ ) ופחם, הם יצרו את האבקה השחורה החומרית שקבעה תפנית היסטורית, וזה עורר ביקוש ועניין רב במינרל זה באומות של אז.

זמנים מודרניים

כאילו אבקת שריפה לא הייתה סיבה מספיק לחמוד גופרית, חומצה גופרתית ויישומיה התעשייתיים הופיעו במהרה. ועם המוט של חומצה גופרתית, נמדדה כמות העושר או השגשוג של מדינה ביחס לרמות הצריכה שלה של מתחם זה.

רק ב -1789 הצליח הכימאי המבריק אנטואן לבואהייה להכיר בגופרית ולסווג אותו כאלמנט. ואז בשנת 1823 גילה הכימאי הגרמני אילהרד מיצ'רליך שהגופרית יכולה להתגבש בעיקר בשני אופנים: מעליות ומונוקוליניות.

ההיסטוריה של הגופרית עקבה באותה מהלך של תרכובות ויישומים שלה. עם החשיבות התעשייתית העצומה של חומצה גופרתית, היא לוותה בוולקניזציה של גומי, סינתזה של פניצילין, ניצול מוקשים, זיקוק נפט גולמי עשיר בגופרית, תזונה של קרקעות וכו '.

נכסים

מראה חיצוני

מוצק שביר בצורת אבקה או קריסטל. צבעו צהוב לימון עמום, הוא חסר טעם ואין לו ריח.

מראה נוזלי

גופרית נוזלית ייחודית בכך שצבעו הצהוב הראשוני הופך לאדמדם ומתעצם ומכהה אם הוא נתון לטמפרטורות גבוהות. כשהוא נשרף הוא פולט להבות כחולות בהירות.

מסה מולארית

32 גרם / מול.

נקודת המסה

115.21 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

445 מעלות צלזיוס

נקודת הצתה

160 מעלות צלזיוס

טמפרטורת התלקחות

232 מעלות צלזיוס.

צְפִיפוּת

2.1 גרם / מ"ל. עם זאת, allotropes אחרים עשויים להיות פחות צפופים.

קיבולת חום טוחנת

22.75 J / mol K

רדיוס קוולנטי

105 ± 3 אחר הצהריים.

אלקטרונגטיביות

2.58 בסולם פאולינג.

קוטביות

קשרי SS הם אפולריים מכיוון שלשני אטומי הגופרית יש אותה אלקטרונטיביות זהה. זה הופך את כל האלקטרופיות שלו, למחזוריות או בצורת שרשרת, לא קוטביות; ולכן האינטראקציות שלהם עם מים אינן יעילות ולא ניתן להמיס בהן.

עם זאת, ניתן להמיס גופרית בממסים לא קוטביים כמו פחמן דיסולפיד, CS ₂ וארומטים (בנזן, טולואן, קסילן וכו ').

יוֹן

גופרית יכולה ליצור יונים שונים, בדרך כלל אניונים. הידוע מכולם הוא גופרית, S ^2- . S ^2- מאופיין בכך שהוא מגושם ובעל בסיס לואיס רך.

מכיוון שמדובר בבסיס רך, התיאוריה קובעת שהיא נוטה ליצור תרכובות עם חומצות רכות; כגון קטיוני מתכת מעבר, כולל Fe ²⁺ , Pb ²⁺ ו- Cu ²⁺ .

מבנה ותצורה אלקטרונית

כתר הגופרית

מולקולת S8, האלוטרופ של הגופרית היציבה והשופעת ביותר. מקור: Benjah-bmm27.

גופרית יכולה להופיע במגוון רחב של אלוטרופים; ואלו בתורם יש מבנים גבישיים שמשתנים תחת לחצים ו / או טמפרטורות שונים. לפיכך, גופרית היא מרכיב עשיר באלוטרופים ופולימורפים, וחקר מבניו המוצקים מהווה מקור אינסופי לעבודה תיאורטית-ניסויית.

מדוע מורכבות מבנית כזו? מלכתחילה, הקשרים הקוואלנטיים בגופרית (SS) הם חזקים מאוד, והם עוברים רק על ידי אלה של פחמן, CC, ועל ידי זה של מימן, HH.

גופרית, שלא כמו פחמן, אינה נוטה ליצור טטרה -דרה אלא בומרנגים; שזוויותיהם מתקפלות ומצלצלות כדי לייצב את שרשרות הגופרית. הטבעת הידועה מכולן, המייצגת גם את האלוטרופ של הגופרית היציבה ביותר, היא S ₈ , "כתר הגופרית" (תמונה עליונה).

שימו לב שכל חולי ה- SS ב- S ₈ נראים כמו בומרנגים בודדים, וכתוצאה מכך טבעת עם קפלים ולא שטוחה בכלל. כתרי S ₈ אלה מתקשרים בין כוחות לונדון, ומכוונים את עצמם בצורה כזו שהם יוצרים דפוסים מבניים המגדירים גביש אורתורומבי; נקרא S ₈ α (S-α, או פשוט גופרית אורתורהומבית).

פולימורפים

כתר הגופרית הוא אחד האלוטרופים הרבים לאלמנט זה. S ₈ α הוא פולימורף של כתר זה. ישנם שני אחרים (מהחשובים ביותר) הנקראים S ₈ β ו- S ₈ γ (S-β ו- S-γ, בהתאמה). שני הפולימורפים מתגבשים למבנים מונוקליניים, כאשר S ₈ γ צפוף יותר (גמא גופרית).

שלושתם מוצקים צהובים. אבל איך משיגים כל פולימורף בנפרד?

S ₈ β מוכנה על ידי חימום של S ₈ α עד 93 מעלות צלזיוס, ואז מאפשרת לקירור האיטי להאט את המעבר שלו חזרה לשלב האורתורומבי (ה- α). ו- S ₈ γ, לעומת זאת, מתקבל כאשר S ₈ α נמס ב 150 מעלות צלזיוס, מה שמאפשר לו להתקרר לאט; זהו הצפיפות ביותר של פולימורפים של כתר הגופרית.

אלוטרופים מחזוריים אחרים

הכתר S ₈ אינו האלוטרופ המחזורי היחיד. ישנם אחרים כמו S ₄ , S ₅ (מקביל לציקלופנטן), S ₆ (המיוצג על ידי משושה כמו ציקלוהקסאן), S ₇ , S ₉ ו- S _10-20 ; זה האחרון אומר שישנם טבעות או מחזורים המכילים עשרה עד עשרים אטומי גופרית.

כל אחד מהם מייצג אלוטרופים מחזוריים שונים של גופרית; בתורו, כדי להדגיש זאת, יש להם זנים של פולימורפים או מבנים פולימורפיים התלויים בלחץ ובטמפרטורה.

לדוגמה, ל- S ₇ יש עד ארבעה פולימורפים מוכרים: α, β, γ ו- δ. החברים או הכתרים של המונים מולקולריים גבוהים יותר הם תוצרים של סינתזה אורגנית ואינם שולטים בטבע.

שרשראות גופרית

שרשרת גופרית. מקור: OpenStax

ככל שמשתלבים יותר אטומי גופרית במבנה, נטייתם לטבעת פוחתת ושרשראות הגופרית נותרות פתוחות ומאמצות התאמות סליליות (כאילו היו ספירלות או ברגים).

וכך נוצרת משפחה נפוצה נוספת של אלוטרופי גופרית שאינה מורכבת מטבעות או מחזורים אלא משרשראות (כמו זו שבתמונה למעלה).

כאשר שרשראות ה- SS בשורה אחת במקביל בגביש, הן מלכודות זיהומים ובסופו של דבר מגדירות מוצק סיבי המכונה גופרית סיבית, או S-ψ. אם בין שרשראות מקבילות אלה ישנם קשרים קוולנטיים המחברים ביניהם (כמו שקורה בגיפור הגומי), יש לנו גופרית למינרית.

כאשר גופרית S ₈ נמסה, מתקבל שלב נוזלי צהבהב שיכול להחשיך אם הטמפרטורה מוגברת. הסיבה לכך היא שקשרי SS נשברים, ולכן מתרחש תהליך של depolymerization תרמי.

הנוזל הזה בקירור מראה מאפיינים מפלסטיק ואז מזוגגים; כלומר, גופרית זגוגית ואמורפית (S-χ) מתקבלת. הרכבו מורכב משתי טבעות ומשרשראות גופרית.

וכשמתקבלת תערובת של האלוטרופ הסיבי והלמינרי מהגופרית האמורפית, נוצר Crystex, מוצר מסחרי המשמש לוולקניזציה של גומי.

אלוטרופים קטנים

למרות שהם נותרו אחרונים, הם לא פחות חשובים (או מעניינים) מהאלוטרופים של המונים מולקולריים גבוהים יותר. מולקולות S ₂ ו- S ₃ הן הגרסאות הגופרתיות של O ₂ ו- O ₃ . בראשון, שני אטומי גופרית מחוברים עם קשר כפול, S = S, ובשני ישנם שלושה אטומים עם מבני תהודה, S = SS.

שניהם S ₂ ו- S ₃ גזים. S ₃ מציג צבע אדום דובדבן. לשניהם יש מספיק חומר ביבליוגרפי לכל כריכה של מאמר בודד.

תצורה אלקטרונית

תצורת האלקטרונים לאטום הגופרית היא:

3s ² 3p ⁴

הוא יכול להשיג שני אלקטרונים להשלמת שמיניית הערכיות שלו, ובכך יש מצב חמצון של -2. באופן דומה, הוא יכול לאבד אלקטרונים, החל משניים במסלול ה -3p שלו, כאשר מצב החמצון שלו הוא +2; אם תאבד עוד שני אלקטרונים, כאשר האורביטלים 3p שלהם ריקים, מצב החמצון שלך יהיה +4; ואם תאבד את כל האלקטרונים, זה יהיה +6.

להשיג

מינרלוגי

הגופרית היא חלק ממינרלים רבים. ביניהם ניתן למצוא פיריט (FeS ₂ ), גלנה (PbS), קובוליט (CuS) ומינרלים אחרים של גופרת וסולפיד. על ידי עיבודן, לא רק ניתן לחלץ את המתכות, אלא גם את הגופרית לאחר סדרה של תגובות רדוקטיביות.

ניתן להשיג אותו גם בצורה טהורה באוורור וולקני, כאשר ככל שהטמפרטורה עולה הוא נמס ונשפך בירידה; ואם זה יעלה באש, הוא ייראה כמו לבה כחלחל בלילה. באמצעות עבודה מפרכת ועבודה פיזית מאומצת, ניתן לקצור גופרית ממש כפי שהיא נעשתה לעתים קרובות למדי בסיציליה.

ניתן למצוא גופרית גם במכרות תת-קרקעיים, אשר מיועדים לשאוב מים מחוממים על מנת להמיסם ולהעבירם אל פני השטח. תהליך השגה זה מכונה תהליך Frasch, שכיום אינו משמש מעט.

שמן

כיום מרבית הגופרית מגיעה מתעשיית הנפט, שכן התרכובות האורגניות שלו הן חלק מהרכב הנפט הגולמי והנגזרות המזוקקות שלו.

אם מוצר גולמי או מעודן עשיר בגופרית ועובר הידר גופרית, הוא ישחרר כמויות גדולות של H ₂ S (גז מסריח שמריח כמו ביצים רקובות):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

לאחר מכן מטפלים ב- H ₂ S כימית בתהליך קלוס, מסוכמים עם המשוואות הכימיות הבאות:

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

יישומים

חלק מהשימושים בגופרית מוזכרים להלן ובאופן כללי:

- זהו גורם חיוני לצמחים ובעלי חיים כאחד. היא אף קיימת בשתי חומצות אמינו: ציסטאין ומתיונין.

זהו חומר הגלם לחומצה גופרתית, תרכובת המעורבת בהכנת אינספור מוצרים מסחריים.

- בתעשיית התרופות הוא משמש לסינתזה של נגזרות גופרית, כאשר הפניצילין הוא הידוע ביותר מבין הדוגמאות.

- מאפשר גיפור של גומי על ידי חיבור בין שרשראות הפולימר עם קשרי SS.

- צבעו הצהוב ותערובותיו עם מתכות אחרות הופכים אותו לרצוי בתעשיית הפיגמנטים.

- מעורבים במטריקס אורגני, כמו חול וסלעים, בטון ואספלט גופרית מוכנים להחליף ביטומן.

סיכונים ואמצעי זהירות

הגופרית כשלעצמה היא חומר לא מזיק, שאינו רעיל, והיא גם אינה מהווה סיכונים פוטנציאליים, אלא אם היא מגיבה ליצירת תרכובות אחרות. מלחי הגופרתי אינם מסוכנים וניתן לטפל בהם ללא אמצעי זהירות גדולים. אולם זה לא המקרה עם נגזרות הגזים שלו: SO ₂ ו- H ₂ S, שתיהן רעילות ביותר.

אם הוא נמצא בשלב הנוזל, הוא יכול לגרום לכוויות קשות. אם הוא נבלע בכמויות גדולות הוא יכול לעורר ייצור של H ₂ S במעי. אחרת, זה לא מייצג שום סיכון למי לועס אותו.

באופן כללי, גופרית היא יסוד בטוח שאינו דורש יותר מדי אמצעי זהירות, למעט כדי להרחיק אותו מאש ומחומרי חמצון חזקים.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. לורה קרפנזאנו. (2006). פולימורפיזם של גופרית: היבטים מבניים ודינאמיים. פיזיקה. אוניברסיטת ג'וזף-פורייה - גרנובל I. אנגלית. fftel-00204149f
3. ויקיפדיה. (2019). אלוטרופים של גופרית. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. מאיר ביט. (1976). גופרית אלמנטרית. ביקורות כימיות, כרך 76, מס '3.
5. ד"ר דאג סטיוארט. (2019). עובדות יסודות גופרית. כימיקול. התאושש מ: chemicool.com
6. דונלד וו. דייוויס ורנדל א. דטרו. (2015). תולדות הגופרית. תאגיד הגופרית במפרץ ג'ורג'יה. התאושש מ: georgiagulfsulfur.com
7. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (11 בינואר, 2019). 10 עובדות גופרית מעניינות. התאושש מ: thoughtco.com
8. בון, סי .; בונד, סי .; הלמן, א .; Jenkins, J. (2017). גיליון עובדות כללי של גופרית; מרכז המידע הלאומי להדברה, שירותי הרחבה של אוניברסיטת אורגון. npic.orst.edu