Žveplo je eden najpogostejših elementov zemeljske skorje. Najpogosteje ga najdemo v sestavi mineralov, ki poleg nje vsebujejo tudi kovine. Zelo zanimivi so procesi, ki nastanejo, ko se doseže vrelišče in tališče žvepla. Te procese in težave, povezane z njimi, bomo analizirali v tem članku. Toda najprej se poglobimo v zgodovino odkritja tega elementa.
Zgodovina
Žveplo je v svoji izvorni obliki, pa tudi po sestavi mineralov poznano že od antike. V starogrških besedilih je opisan strupen učinek njegovih spojin na človeško telo. Žveplov dioksid, ki se sprošča pri zgorevanju spojin tega elementa, je lahko za ljudi res smrtonosen. Okoli 8. stoletja so na Kitajskem začeli uporabljati žveplo za izdelavo pirotehničnih mešanic. Nič čudnega, saj se domneva, da so izumili smodnik v tej državi.
Že v starem Egiptu so ljudje poznali metodo praženja rude, ki vsebuje žveplo, na osnovi bakra. Tako so kopali kovino. Žveplo je uhajalo v obliki strupenega plina SO2.
Kljub temu, da je znano že od antičnih časov, je znanje o tem, kaj je žveplo, prišlo po zaslugi dela francoskega naravoslovca AntoineaLavoisier. On je bil tisti, ki je ugotovil, da je element, njegovi produkti zgorevanja pa so oksidi.
Tukaj je tako kratka zgodovina spoznavanja ljudi s tem kemičnim elementom. Nato bomo podrobno govorili o procesih, ki potekajo v zemeljskih črevesjih in vodijo do tvorbe žvepla v obliki, v kateri je zdaj.
Kako nastane žveplo?
Obstaja splošno napačno prepričanje, da se ta element najpogosteje nahaja v izvorni (torej čisti) obliki. Vendar to ni čisto res. Samorodno žveplo se najpogosteje nahaja kot vključek v drugi rudi.
Trenutno obstaja več teorij o izvoru elementa v njegovi najčistejši obliki. Namigujejo na razliko v času nastanka žvepla in rudi, v katerih je vmešano. Prva, teorija singeneze, predvideva nastanek žvepla skupaj z rudami. Po njenem mnenju so nekatere bakterije, ki živijo v oceanu, zmanjšale sulfate v vodi v vodikov sulfid. Slednji pa se je dvignil, kjer je bil s pomočjo drugih bakterij oksidiran v žveplo. Padla je na dno, pomešana z muljem, nato pa sta skupaj tvorila rudo.
Bistvo teorije epigeneze je, da je žveplo v rudi nastalo pozneje kot sam. Tukaj je več podružnic. Govorili bomo le o najpogostejši različici te teorije. Sestavljen je iz tega: podtalnica, ki teče skozi akumulacije sulfatnih rud, je obogatena z njimi. Nato se sulfatni ioni pri prehodu skozi naftna in plinska polja zaradi ogljikovodikov reducirajo v vodikov sulfid. Vodikov sulfid, ki se dvigne na površje, se oksidiraatmosferski kisik v žveplo, ki se usede v kamnine in tvori kristale. Ta teorija je v zadnjem času našla vedno več potrditev, a vprašanje kemije teh transformacij ostaja odprto.
Od procesa nastanka žvepla v naravi, preidimo na njegove modifikacije.
Alotropija in polimorfizem
Žveplo, tako kot mnogi drugi elementi periodnega sistema, obstaja v naravi v več oblikah. V kemiji jih imenujemo alotropne modifikacije. Obstaja rombično žveplo. Njegovo tališče je nekoliko nižje kot pri drugi modifikaciji: monoklini (112 in 119 stopinj Celzija). In se razlikujejo po strukturi osnovnih celic. Rombično žveplo je bolj gosto in stabilno. Lahko, ko se segreje na 95 stopinj, preide v drugo obliko - monoklinično. Element, o katerem razpravljamo, ima analoge v periodnem sistemu. Znanstveniki še vedno razpravljajo o polimorfizmu žvepla, selena in telurja. Med seboj imajo zelo tesen odnos in vse modifikacije, ki jih tvorijo, so si zelo podobne.
Nato bomo analizirali procese, ki se pojavljajo med taljenjem žvepla. Toda preden začnete, se morate malo potopiti v teorijo strukture kristalne mreže in pojavov, ki se pojavljajo med faznimi prehodi snovi.
Iz česa je kristal?
Kot veste, je snov v plinastem stanju v obliki molekul (ali atomov), ki se naključno gibljejo v vesolju. v tekoči snovinjeni sestavni delci so združeni, vendar imajo še vedno precej veliko svobodo gibanja. V trdnem agregatnem stanju je vse malo drugače. Tu stopnja urejenosti naraste do svoje največje vrednosti in atomi tvorijo kristalno mrežo. Seveda obstajajo nihanja, vendar imajo zelo majhno amplitudo in tega ne moremo imenovati prostega gibanja.
Vsak kristal lahko razdelimo na elementarne celice - takšne zaporedne spojine atomov, ki se ponavljajo po celotnem volumnu vzorčne spojine. Tukaj je vredno pojasniti, da takšne celice niso kristalna mreža in tukaj se atomi nahajajo znotraj volumna določene figure in ne na njenih vozliščih. Za vsak kristal so individualni, vendar jih lahko glede na geometrijo razdelimo na več glavnih tipov (singonija): triklinski, monoklinski, rombični, romboedrični, tetragonalni, heksagonalni, kubični.
Na kratko analizirajmo vsako vrsto rešetk, ker so razdeljene na več podvrst. In začnimo s tem, kako se lahko razlikujejo med seboj. Prvič, to so razmerja dolžin stranic, in drugič, kot med njima.
Tako je triklinska singonija, najnižja od vseh, elementarna mreža (paralelogram), v kateri vse stranice in koti niso enaki drug drugemu. Še en predstavnik tako imenovane nižje kategorije singonij je monokliničen. Tukaj sta dva vogala celice 90 stopinj in vse strani imajo različne dolžine. Naslednja vrsta, ki spada v najnižjo kategorijo, je rombična singonija. Ima tri neenake stranice, vendar vse kote figureso enaki 90 stopinjam.
Pojdimo na srednjo kategorijo. In njen prvi član je tetragonalna singonija. Tukaj je po analogiji enostavno uganiti, da so vsi koti figure, ki jo predstavlja, enaki 90 stopinj, prav tako pa sta dve od treh strani enaki druga drugi. Naslednji predstavnik je romboedrična (trigonalna) singonija. Tu postanejo stvari malo bolj zanimive. Ta tip je opredeljen s tremi enakimi stranicami in tremi koti, ki so enaki, vendar ne ravni.
Zadnja varianta srednje kategorije je heksagonalna singonija. Še več težav je pri opredelitvi. Ta možnost je zgrajena na treh straneh, od katerih sta dve enaki in tvorita kot 120 stopinj, tretja pa je v ravnini, pravokotni nanje. Če vzamemo tri celice heksagonalne singonije in jih pritrdimo med seboj, bomo dobili valj s šesterokotno osnovo (zato ima tako ime, ker "hexa" v latinščini pomeni "šest").
No, vrh vseh singonij, ki ima simetrijo v vseh smereh, je kubičen. Je edina, ki spada v najvišjo kategorijo. Tukaj lahko takoj uganete, kako ga je mogoče opisati. Vsi koti in stranice so enaki in tvorijo kocko.
Torej smo končali analizo teorije o glavnih skupinah singonij, zdaj pa bomo podrobneje povedali o strukturi različnih oblik žvepla in lastnostih, ki iz tega sledijo.
Struktura žvepla
Kot že omenjeno, ima žveplo dve modifikaciji: rombično in monoklinično. Po delu o teorijiZagotovo je postalo jasno, v čem se razlikujejo. Toda bistvo je v tem, da se lahko struktura rešetke glede na temperaturo spremeni. Bistvo je v samem procesu transformacij, ki nastanejo, ko je doseženo tališče žvepla. Nato je kristalna mreža popolnoma uničena in atomi se lahko bolj ali manj prosto gibljejo v prostoru.
Vendar se vrnimo k strukturi in značilnostim takšne snovi, kot je žveplo. Lastnosti kemičnih elementov so v veliki meri odvisne od njihove strukture. Na primer, žveplo ima zaradi posebnosti kristalne strukture lastnost flotacije. Njegovih delcev voda ne zmoči, zračni mehurčki, ki so se nanje oprijeli, pa jih potegnejo na površje. Tako grudasto žveplo plava, ko je potopljeno v vodo. To je osnova za nekatere metode ločevanja tega elementa iz mešanice podobnih. Nato bomo analizirali glavne metode za pridobivanje te spojine.
Proizvodnja
Žveplo se lahko pojavi z različnimi minerali in zato v različnih globinah. Glede na to se izberejo različne metode ekstrakcije. Če je globina plitva in pod zemljo ni kopičenja plinov, ki bi ovirali rudarjenje, potem se material izkoplje z odprto metodo: plasti kamnin se odstranijo in ob odkritju rude, ki vsebuje žveplo, pošljejo v predelavo. Če pa ti pogoji niso izpolnjeni in obstajajo nevarnosti, se uporablja metoda vrtine. Doseči mora tališče žvepla. Za to se uporabljajo posebne naprave. Aparat za taljenje žvepla v obliki žvepla pri tej metodi je preprosto potreben. Toda o tem procesu - malokasneje.
Na splošno obstaja pri kakršnih koli načinih pridobivanja žvepla velika nevarnost zastrupitve, saj se pri njem največkrat odlagata vodikov sulfid in žveplov dioksid, ki sta zelo nevarna za človeka.
Za boljše razumevanje slabosti in prednosti posamezne metode se seznanimo z metodami predelave žveplove rude.
Izvleček
Tudi tukaj obstaja več trikov, ki temeljijo na popolnoma različnih lastnostih žvepla. Med njimi so termični, ekstrakcijski, parno-vodni, centrifugalni in filtracijski.
Najbolj preizkušeni med njimi so termični. Temeljijo na dejstvu, da sta vrelišče in tališče žvepla nižje kot pri rudah, v katere se »popelje«. Edina težava je, da porabi veliko energije. Za vzdrževanje temperature je bilo včasih treba sežgati del žvepla. Kljub svoji preprostosti je ta metoda neučinkovita, izgube pa lahko dosežejo rekordnih 45 odstotkov.
Sledimo veji zgodovinskega razvoja, zato prehajamo na parno-vodno metodo. Za razliko od termičnih metod se te metode še vedno uporabljajo v številnih tovarnah. Nenavadno je, da temeljijo na isti lastnosti - razliki v vrelišču in tališču žvepla od tistih za sorodne kovine. Edina razlika je, kako poteka ogrevanje. Celoten proces poteka v avtoklavih – posebnih napravah. Tam se dobavlja obogatena žveplova ruda, ki vsebuje do 80 % izkopanega elementa. Nato se vroča voda pod pritiskom črpa v avtoklav.paro. Če se segreje na 130 stopinj Celzija, se žveplo stopi in odstrani iz sistema. Seveda ostanejo tako imenovani repi - delci žvepla, ki plavajo v vodi, ki nastanejo zaradi kondenzacije vodne pare. Odstranijo jih in jih vrnemo v postopek, saj vsebujejo tudi veliko elementov, ki jih potrebujemo.
Ena najsodobnejših metod - centrifugiranje. Mimogrede, razvit je bil v Rusiji. Skratka, njeno bistvo je, da se talina mešanice žvepla in mineralov, s katero spremlja, potopi v centrifugo in se vrti z veliko hitrostjo. Težja kamnina se zaradi centrifugalne sile nagiba stran od središča, samo žveplo pa ostaja višje. Nato so nastale plasti preprosto ločene drug od drugega.
Obstaja še ena metoda, ki se do danes uporablja tudi v proizvodnji. Sestoji iz ločevanja žvepla od mineralov s posebnimi filtri.
V tem članku bomo obravnavali izključno termične metode za pridobivanje elementa, ki je za nas nedvomno pomemben.
Proces taljenja
Proučevanje prenosa toplote med taljenjem žvepla je pomembno vprašanje, saj je to eden najbolj ekonomičnih načinov pridobivanja tega elementa. Med ogrevanjem lahko kombiniramo parametre sistema, izračunati moramo njihovo optimalno kombinacijo. V ta namen se izvaja študija prenosa toplote in analiza značilnosti procesa taljenja žvepla. Za ta postopek obstaja več vrst instalacij. Kotel za taljenje žvepla je eden izmed njih. S tem izdelkom dobite predmet, ki ga iščete- samo pomočnik. Vendar pa danes obstaja posebna naprava - aparat za taljenje žvepla. Lahko se učinkovito uporablja v proizvodnji za proizvodnjo žvepla visoke čistosti v velikih količinah.
Za zgornji namen je bila leta 1890 izumljena naprava, ki omogoča, da se žveplo tali na globini in črpa na površje s pomočjo cevi. Njegova zasnova je precej preprosta in učinkovita: dve cevi sta nameščeni drug v drugem. Skozi zunanjo cev kroži para, pregreta na 120 stopinj (tališče žvepla). Konec notranje cevi doseže usedline elementa, ki ga potrebujemo. Ko se segreje z vodo, se žveplo začne topiti in izhajati. Vse je precej preprosto. V sodobni različici instalacija vsebuje še eno cev: v notranjosti cevi je žveplo, skozi katero teče stisnjen zrak, zaradi česar se talina hitreje dviga.
Obstaja več metod in ena od njih doseže tališče žvepla. Dve elektrodi sta spuščeni pod zemljo in skoznje teče tok. Ker je žveplo tipičen dielektrik, ne prevaja toka in se začne zelo segrevati. Tako se stopi in se s pomočjo cevi, kot pri prvi metodi, izčrpa. Če želijo žveplo poslati v proizvodnjo žveplove kisline, potem ga pod zemljo zažgejo in nastali plin odpeljejo ven. Nadalje se oksidira v žveplov oksid (VI) in nato raztopi v vodi, pri čemer dobimo končni produkt.
Analizirali smo taljenje žvepla, taljenje žvepla in metode njegovega pridobivanja. Zdaj je čas, da ugotovimo, zakaj so potrebne tako zapletene metode. Dejansko je analiza procesa taljenja žvepla inSistem za nadzor temperature je potreben za dobro čiščenje in učinkovito uporabo končnega produkta ekstrakcije. Konec koncev je žveplo eden najpomembnejših elementov, ki igrajo ključno vlogo na mnogih področjih našega življenja.
Prijava
Nima smisla povedati, kje se uporabljajo žveplove spojine. Lažje je reči, kje se ne uporabljajo. Žveplo najdemo v vseh gumah in izdelkih iz gume, v plinu, ki se dovaja v domove (tam je potrebno ugotoviti puščanje, če pride). To so najpogostejši in preprosti primeri. Dejansko je uporab žvepla nešteto. Našteti vse je preprosto nerealno. Toda če se tega lotimo, se izkaže, da je žveplo eden najpomembnejših elementov za človeštvo.
Sklep
Iz tega članka ste izvedeli, kaj je tališče žvepla, zakaj je ta element tako pomemben za nas. Če vas ta proces in njegovo preučevanje zanimata, ste se verjetno naučili nekaj novega zase. To so lahko na primer značilnosti taljenja žvepla. Vsekakor pa ni meja do popolnosti in poznavanje procesov, ki potekajo v industriji, ne bo motilo nikogar od nas. Samostojno lahko nadaljujete z obvladovanjem tehnoloških zapletenosti procesov pridobivanja, pridobivanja in predelave žvepla in drugih elementov, ki jih vsebuje zemeljska skorja.
