Siarka jest jednym z najczęstszych elementów skorupy ziemskiej. Najczęściej znajduje się w składzie minerałów zawierających oprócz niego metale. Bardzo interesujące są procesy zachodzące po osiągnięciu temperatury wrzenia i topnienia siarki. W tym artykule przeanalizujemy te procesy, a także związane z nimi trudności. Ale najpierw zagłębmy się w historię odkrycia tego pierwiastka.
Historia
W swojej rodzimej postaci, a także w składzie minerałów, siarka jest znana od starożytności. W starożytnych tekstach greckich opisano trujące działanie jego związków na organizm ludzki. Dwutlenek siarki uwalniany podczas spalania związków tego pierwiastka rzeczywiście może być śmiertelny dla ludzi. Około VIII wieku siarkę zaczęto wykorzystywać w Chinach do wytwarzania mieszanek pirotechnicznych. Nic dziwnego, ponieważ uważa się, że właśnie w tym kraju wynaleziono proch strzelniczy.
Nawet w starożytnym Egipcie ludzie znali metodę prażenia rudy zawierającej siarkę na bazie miedzi. W ten sposób wydobywano metal. Siarka uciekła w postaci trującego gazu SO2.
Pomimo sławy od czasów starożytnych, wiedza o tym, czym jest siarka, przyszła dzięki pracy francuskiego przyrodnika Antoine'aLavoisiera. To on ustalił, że jest to pierwiastek, a produktami jego spalania są tlenki.
Oto tak krótka historia znajomości tego pierwiastka chemicznego przez ludzi. Następnie porozmawiamy szczegółowo o procesach zachodzących we wnętrzu ziemi i prowadzących do powstania siarki w takiej postaci, w jakiej jest teraz.
Jak powstaje siarka?
Istnieje powszechne błędne przekonanie, że ten pierwiastek najczęściej występuje w swojej rodzimej (czyli czystej) formie. Nie jest to jednak do końca prawdą. Siarka rodzima jest najczęściej znajdowana jako inkluzja w innej rudzie.
W tej chwili istnieje kilka teorii dotyczących pochodzenia pierwiastka w jego najczystszej postaci. Sugerują różnicę w czasie powstawania siarki i rudach, w których jest ona przeplatana. Pierwsza, teoria syngenezy, zakłada powstawanie siarki wraz z rudami. Według niej niektóre bakterie żyjące w oceanie zredukowały siarczany w wodzie do siarkowodoru. Ten z kolei powstał, gdzie przy pomocy innych bakterii został utleniony do siarki. Opadła na dno, zmieszana z mułem, a następnie razem utworzyły rudę.
Istotą teorii epigenezy jest to, że siarka w rudzie powstała później niż ona sama. Jest tu kilka oddziałów. Porozmawiamy tylko o najczęstszej wersji tej teorii. Składa się z tego: wody gruntowe, przepływając przez nagromadzenia rud siarczanowych, są nimi wzbogacane. Następnie, przechodząc przez pola naftowe i gazowe, jony siarczanowe są redukowane do siarkowodoru z powodu węglowodorów. Siarkowodór unoszący się na powierzchnię ulega utlenieniutlen atmosferyczny do siarki, która osadza się w skałach tworząc kryształy. Teoria ta znajduje ostatnio coraz więcej potwierdzeń, ale kwestia chemii tych przemian pozostaje otwarta.
Z procesu powstawania siarki w naturze przejdźmy do jej modyfikacji.
Alotropia i polimorfizm
Siarka, podobnie jak wiele innych elementów układu okresowego, istnieje w przyrodzie w kilku formach. W chemii nazywa się je modyfikacjami alotropowymi. Jest rombowa siarka. Jego temperatura topnienia jest nieco niższa niż w przypadku drugiej modyfikacji: jednoskośnej (112 i 119 stopni Celsjusza). I różnią się budową komórek elementarnych. Siarka rombowa jest bardziej gęsta i stabilna. Po podgrzaniu do 95 stopni może przejść w drugą formę - jednoskośną. Omawiany pierwiastek ma odpowiedniki w układzie okresowym. Polimorfizm siarki, selenu i telluru jest wciąż przedmiotem dyskusji naukowców. Mają ze sobą bardzo bliskie relacje, a wszelkie modyfikacje, które tworzą, są bardzo podobne.
A potem przeanalizujemy procesy zachodzące podczas topienia siarki. Zanim jednak zaczniesz, powinieneś zagłębić się trochę w teorię budowy sieci krystalicznej i zjawiska zachodzące podczas przejść fazowych materii.
Z czego zrobiony jest kryształ?
Jak wiesz, w stanie gazowym substancja ma postać cząsteczek (lub atomów), losowo poruszających się w przestrzeni. w płynnej materiijego cząstki składowe są pogrupowane, ale nadal mają dość dużą swobodę ruchu. W stałym stanie skupienia wszystko jest trochę inne. Tutaj stopień uporządkowania wzrasta do swojej maksymalnej wartości, a atomy tworzą sieć krystaliczną. Oczywiście są w nim wahania, ale mają one bardzo małą amplitudę i nie można tego nazwać swobodnym ruchem.
Każdy kryształ można podzielić na komórki elementarne - takie kolejne związki atomów, które powtarzają się w całej objętości próbki związku. Tutaj warto wyjaśnić, że takie komórki nie są siecią krystaliczną, a tutaj atomy znajdują się w objętości pewnej figury, a nie w jej węzłach. Dla każdego kryształu są one indywidualne, ale można je podzielić na kilka głównych typów (syngonia) w zależności od geometrii: trójskośny, jednoskośny, rombowy, romboedryczny, czworokątny, sześciokątny, sześcienny.
Przeanalizujmy pokrótce każdy rodzaj sieci, ponieważ są one podzielone na kilka podgatunków. I zacznijmy od tego, jak mogą się od siebie różnić. Po pierwsze są to stosunki długości boków, a po drugie kąt między nimi.
Tak więc trójskośna syngonia, najniższa ze wszystkich, jest elementarną kratą (równoległobokiem), w której wszystkie boki i kąty nie są sobie równe. Innym przedstawicielem tzw. niższej kategorii syngonów jest jednoskośna. Tutaj dwa rogi komórki mają 90 stopni, a wszystkie boki mają różne długości. Kolejnym typem należącym do najniższej kategorii jest syngonia rombowa. Ma trzy nierówne boki, ale wszystkie kąty figurysą równe 90 stopni.
Przejdźmy do środkowej kategorii. A jej pierwszym członkiem jest syngonia czworokątna. Tutaj, przez analogię, łatwo zgadnąć, że wszystkie kąty figury, którą reprezentuje, są równe 90 stopni, a także dwa z trzech boków są sobie równe. Kolejnym przedstawicielem jest syngonia romboedryczna (trygonalna). Tutaj sprawy stają się trochę bardziej interesujące. Ten typ jest zdefiniowany przez trzy równe boki i trzy kąty, które są równe, ale nie proste.
Ostatnim wariantem średniej kategorii jest syngonia heksagonalna. Jest jeszcze więcej trudności w zdefiniowaniu tego. Ta opcja jest zbudowana z trzech stron, z których dwie są równe i tworzą kąt 120 stopni, a trzecia jest w płaszczyźnie prostopadłej do nich. Jeśli weźmiemy trzy komórki heksagonalnej syngonii i połączymy je ze sobą, otrzymamy walec o sześciokątnej podstawie (dlatego ma taką nazwę, bo „hexa” po łacinie oznacza „sześć”).
Cóż, wierzchołek wszystkich syngonów, mający symetrię we wszystkich kierunkach, jest sześcienny. Jako jedyna należy do najwyższej kategorii. Tutaj możesz od razu zgadnąć, jak można to scharakteryzować. Wszystkie kąty i boki są równe i tworzą sześcian.
Zakończyliśmy więc analizę teorii na temat głównych grup syngonów, a teraz opowiemy bardziej szczegółowo o budowie różnych form siarki i właściwościach, które z tego wynikają.
Struktura siarki
Jak już wspomniano, siarka ma dwie modyfikacje: rombową i jednoskośną. Po części poświęconej teoriiZ pewnością stało się jasne, czym się różnią. Ale chodzi o to, że w zależności od temperatury struktura sieci może się zmieniać. Cały punkt tkwi w samym procesie przemian, które zachodzą po osiągnięciu temperatury topnienia siarki. Wtedy sieć krystaliczna zostaje całkowicie zniszczona, a atomy mogą poruszać się mniej lub bardziej swobodnie w przestrzeni.
Wróćmy jednak do struktury i właściwości takiej substancji jak siarka. Właściwości pierwiastków chemicznych w dużej mierze zależą od ich struktury. Na przykład siarka, ze względu na specyfikę struktury krystalicznej, ma właściwość flotacji. Jej cząsteczki nie są zwilżane wodą, a przylegające do nich pęcherzyki powietrza wyciągają je na powierzchnię. W ten sposób zbrylona siarka unosi się po zanurzeniu w wodzie. To jest podstawa niektórych metod oddzielania tego pierwiastka od mieszaniny podobnych. A potem przeanalizujemy główne metody ekstrakcji tego związku.
Produkcja
Siarka może występować z różnymi minerałami, a zatem na różnych głębokościach. W zależności od tego wybierane są różne metody ekstrakcji. Jeżeli głębokość jest płytka i pod ziemią nie ma nagromadzeń gazów zakłócających wydobycie, wówczas materiał wydobywany jest metodą otwartą: warstwy skalne są usuwane i po znalezieniu rudy zawierającej siarkę kierowane są do przerobu. Ale jeśli te warunki nie są spełnione i istnieją zagrożenia, stosuje się metodę odwiertu. Musi osiągnąć temperaturę topnienia siarki. W tym celu stosuje się specjalne instalacje. Aparat do topienia siarki bryłowej w tej metodzie jest po prostu niezbędny. Ale o tym procesie - trochępóźniej.
Ogólnie rzecz biorąc, podczas ekstrakcji siarki w jakikolwiek sposób istnieje wysokie ryzyko zatrucia, ponieważ najczęściej osadzają się z nią siarkowodór i dwutlenek siarki, które są bardzo niebezpieczne dla ludzi.
Aby lepiej zrozumieć wady i zalety konkretnej metody, zapoznajmy się z metodami przetwarzania rudy zawierającej siarkę.
Ekstrakcja
Tutaj też jest kilka sztuczek opartych na zupełnie innych właściwościach siarki. Wśród nich są termiczne, ekstrakcyjne, parowo-wodne, odśrodkowe i filtracyjne.
Najbardziej sprawdzone z nich są termiczne. Opierają się one na fakcie, że temperatury wrzenia i topnienia siarki są niższe niż rud, z którymi się ona „ślubia”. Jedynym problemem jest to, że zużywa dużo energii. Aby utrzymać temperaturę konieczne było spalenie części siarki. Mimo swojej prostoty metoda ta jest nieskuteczna, a straty mogą sięgać rekordowych 45 procent.
Podążamy za gałęzią rozwoju historycznego, więc przechodzimy do metody parowo-wodnej. W przeciwieństwie do metod termicznych, metody te są nadal stosowane w wielu fabrykach. Co dziwne, opierają się na tej samej właściwości - różnicy w temperaturze wrzenia i temperaturze topnienia siarki w porównaniu z metalami towarzyszącymi. Jedyna różnica polega na tym, jak odbywa się ogrzewanie. Cały proces odbywa się w autoklawach - specjalnych instalacjach. Dostarczana jest tam wzbogacona ruda siarki zawierająca do 80% wydobywanego pierwiastka. Następnie pod ciśnieniem do autoklawu pompowana jest gorąca woda.parowy. Podgrzewając się do 130 stopni Celsjusza, siarka topi się i jest usuwana z układu. Oczywiście pozostają tzw. ogony - cząsteczki siarki unoszące się w wodzie powstałe w wyniku kondensacji pary wodnej. Są one usuwane i umieszczane z powrotem w procesie, ponieważ zawierają również wiele potrzebnych nam elementów.
Jedna z najnowocześniejszych metod - wirówka. Nawiasem mówiąc, został opracowany w Rosji. Krótko mówiąc, jego istotą jest to, że roztopiona mieszanina siarki i minerałów, z którymi jest ona związana, zostaje zanurzona w wirówce i wiruje z dużą prędkością. Cięższa skała ma tendencję do oddalania się od środka z powodu siły odśrodkowej, podczas gdy sama siarka pozostaje wyższa. Następnie powstałe warstwy są po prostu oddzielane od siebie.
Istnieje inna metoda, która jest również stosowana w produkcji do dnia dzisiejszego. Polega na oddzieleniu siarki od minerałów poprzez specjalne filtry.
W tym artykule rozważymy wyłącznie termiczne metody ekstrakcji elementu, który jest dla nas bez wątpienia ważny.
Proces topienia
Badanie wymiany ciepła podczas topienia siarki jest ważnym zagadnieniem, ponieważ jest to jeden z najbardziej ekonomicznych sposobów ekstrakcji tego pierwiastka. Możemy łączyć parametry systemu podczas ogrzewania i musimy obliczyć ich optymalną kombinację. W tym celu prowadzone są badania wymiany ciepła oraz analiza cech procesu topienia siarki. Istnieje kilka rodzajów instalacji dla tego procesu. Jednym z nich jest kocioł do topienia siarki. Zdobycie przedmiotu, którego szukasz za pomocą tego produktu- tylko pomocnik. Jednak dzisiaj istnieje specjalna instalacja - aparat do topienia siarki bryłowej. Może być skutecznie stosowany w produkcji do produkcji siarki o wysokiej czystości w dużych ilościach.
W tym celu w 1890 r. wynaleziono instalację, która umożliwia topienie siarki na głębokości i pompowanie rurą na powierzchnię. Jego konstrukcja jest dość prosta i skuteczna w działaniu: dwie rury znajdują się w sobie. Przez rurę zewnętrzną krąży para przegrzana do 120 stopni (temperatura topnienia siarki). Koniec rury wewnętrznej dociera do osadów potrzebnego nam pierwiastka. Po podgrzaniu wodą siarka zaczyna się topić i wydobywać. Wszystko jest dość proste. W nowoczesnej wersji instalacja zawiera jeszcze jedną rurę: znajduje się ona wewnątrz rury z siarką, przez którą przepływa sprężone powietrze, co sprawia, że roztopiony materiał rośnie szybciej.
Istnieje jeszcze kilka metod, a jedna z nich osiąga temperaturę topnienia siarki. Dwie elektrody są opuszczane pod ziemię i przepływa przez nie prąd. Ponieważ siarka jest typowym dielektrykiem, nie przewodzi prądu i zaczyna się bardzo nagrzewać. W ten sposób topi się i za pomocą rury, jak w pierwszej metodzie, jest wypompowywany. Jeśli chcą wysłać siarkę do produkcji kwasu siarkowego, wówczas zostaje ona podpalona pod ziemią, a powstały gaz jest usuwany. Jest dalej utleniany do tlenku siarki (VI), a następnie rozpuszczany w wodzie, otrzymując produkt końcowy.
Przeanalizowaliśmy topnienie siarki, topnienie siarki i metody jej ekstrakcji. Teraz nadszedł czas, aby dowiedzieć się, dlaczego tak złożone metody są potrzebne. W rzeczywistości analiza procesu topienia siarki isystem kontroli temperatury jest potrzebny w celu dobrego oczyszczenia i skutecznego nałożenia końcowego produktu ekstrakcji. W końcu siarka jest jednym z najważniejszych pierwiastków, które odgrywają kluczową rolę w wielu dziedzinach naszego życia.
Aplikacja
Nie ma sensu mówić, gdzie używane są związki siarki. Łatwiej powiedzieć, gdzie nie mają zastosowania. Siarka znajduje się w każdej gumie i wyrobach gumowych, w gazie dostarczanym do domów (tam należy zidentyfikować wyciek, jeśli taki wystąpi). To są najczęstsze i najprostsze przykłady. W rzeczywistości zastosowania siarki są niezliczone. Wymienienie ich wszystkich jest po prostu nierealne. Ale jeśli się do tego podejmiemy, okaże się, że siarka jest jednym z najistotniejszych pierwiastków dla ludzkości.
Wniosek
Z tego artykułu dowiedziałeś się, jaka jest temperatura topnienia siarki, dlaczego ten pierwiastek jest dla nas tak ważny. Jeśli jesteś zainteresowany tym procesem i jego badaniem, prawdopodobnie nauczyłeś się czegoś nowego dla siebie. Mogą to być na przykład cechy topienia siarki. W każdym razie doskonałość nie ma granic, a znajomość procesów zachodzących w przemyśle nikomu z nas nie będzie przeszkadzać. Możesz samodzielnie kontynuować opanowanie zawiłości technologicznych procesów wydobycia, wydobycia i przetwarzania siarki oraz innych pierwiastków zawartych w skorupie ziemskiej.
