Síra je jedním z nejběžnějších prvků zemské kůry. Nejčastěji se nachází ve složení minerálů obsahujících kromě něj kovy. Velmi zajímavé jsou procesy, ke kterým dochází při dosažení bodu varu a bodu tání síry. Tyto procesy, stejně jako potíže s nimi spojené, rozebereme v tomto článku. Nejprve se ale ponořme do historie objevu tohoto prvku.
Historie
Ve své přirozené formě, stejně jako ve složení minerálů, je síra známá již od starověku. Ve starořeckých textech je popsán jedovatý účinek jeho sloučenin na lidský organismus. Oxid siřičitý uvolňovaný při spalování sloučenin tohoto prvku může být pro lidi skutečně smrtelný. Kolem 8. století se v Číně začala používat síra k výrobě pyrotechnických směsí. Není divu, protože právě v této zemi se věří, že byl vynalezen střelný prach.
Už ve starověkém Egyptě znali lidé způsob pražení rudy obsahující síru na bázi mědi. Tak se těžil kov. Síra unikla ve formě jedovatého plynu SO2.
Přestože jsou známé již od starověku, znalost toho, co je síra, přišla díky práci francouzského přírodovědce AntoinaLavoisier. Byl to on, kdo zjistil, že jde o prvek a jeho produkty spalování jsou oxidy.
Zde je taková krátká historie seznámení lidí s tímto chemickým prvkem. Dále si podrobně povíme o procesech probíhajících v útrobách Země a vedoucích k tvorbě síry v podobě, ve které se nyní nachází.
Jak vzniká síra?
Obvyklá mylná představa, že tento prvek se nejčastěji vyskytuje ve své nativní (to znamená čisté) formě. Není to však tak docela pravda. Nativní síra se nejčastěji vyskytuje jako součást jiných rud.
V současné době existuje několik teorií o původu prvku v jeho nejčistší podobě. Naznačují rozdíl v době vzniku síry a rud, ve kterých je rozptýlena. První, teorie syngeneze, předpokládá vznik síry spolu s rudami. Podle ní některé bakterie, které žijí v oceánu, redukovaly sírany ve vodě na sirovodík. Ten zase povstal, kde se za pomoci dalších bakterií oxidoval na síru. Spadla na dno, smíchala se s bahnem a následně společně vytvořili rudu.
Podstatou teorie epigeneze je, že síra v rudě vznikla později než ona sama. Je zde několik poboček. Budeme mluvit pouze o nejběžnější verzi této teorie. Skládá se z toho: podzemní voda, protékající akumulací síranových rud, je jimi obohacena. Poté, procházející ropnými a plynovými poli, jsou síranové ionty redukovány na sirovodík díky uhlovodíkům. Sirovodík stoupající na povrch je oxidovánatmosférický kyslík na síru, která se usazuje v horninách a tvoří krystaly. Tato teorie v poslední době nachází stále více potvrzení, ale otázka chemie těchto transformací zůstává otevřená.
Od procesu vzniku síry v přírodě přejděme k jejím modifikacím.
Alotropie a polymorfismus
Síra, stejně jako mnoho dalších prvků periodické tabulky, existuje v přírodě v několika formách. V chemii se nazývají alotropní modifikace. Existuje rombická síra. Jeho bod tání je o něco nižší než u druhé modifikace: monoklinické (112 a 119 stupňů Celsia). A liší se strukturou elementárních buněk. Kosočtverečná síra je hustší a stabilnější. Po zahřátí na 95 stupňů může přejít do druhé formy - monoklinické. Prvek, o kterém diskutujeme, má analogy v periodické tabulce. O polymorfismu síry, selenu a teluru vědci stále diskutují. Mají mezi sebou velmi úzký vztah a všechny modifikace, které tvoří, jsou velmi podobné.
Poté budeme analyzovat procesy, ke kterým dochází při tavení síry. Než ale začnete, měli byste se trochu ponořit do teorie struktury krystalové mřížky a jevů, ke kterým dochází při fázových přechodech hmoty.
Z čeho je krystal vyroben?
Jak víte, v plynném stavu je látka ve formě molekul (nebo atomů), náhodně se pohybujících v prostoru. v tekuté hmotějeho základní částice jsou seskupeny, ale stále mají poměrně velkou volnost pohybu. V pevném stavu agregace je vše trochu jinak. Zde se stupeň uspořádání zvyšuje na maximální hodnotu a atomy tvoří krystalovou mřížku. Samozřejmě, že jsou v něm výkyvy, ale mají velmi malou amplitudu a to nelze nazvat volným pohybem.
Jakýkoli krystal lze rozdělit na elementární buňky - takové po sobě jdoucí sloučeniny atomů, které se opakují v celém objemu sloučeniny vzorku. Zde stojí za to objasnit, že takové buňky nejsou krystalovou mřížkou a zde jsou atomy umístěny uvnitř objemu určitého obrázku, a ne v jeho uzlech. Pro každý krystal jsou individuální, ale lze je rozdělit do několika hlavních typů (syngonie) v závislosti na geometrii: triklinický, jednoklonný, kosočtverečný, romboedrický, tetragonální, šestihranný, krychlový.
Pojďme stručně analyzovat každý typ mřížky, protože se dělí na několik poddruhů. A začněme tím, čím se od sebe mohou lišit. Za prvé jsou to poměry délek stran a za druhé úhel mezi nimi.
Triklinická syngonie, nejnižší ze všech, je tedy elementární mřížkou (paralelogramem), ve které si všechny strany a úhly nejsou rovny. Dalším zástupcem tzv. nižší kategorie syngonií jsou jednoklonné. Zde mají dva rohy buňky 90 stupňů a všechny strany mají různé délky. Dalším typem patřícím do nejnižší kategorie je rombická syngonie. Má tři nestejné strany, ale všechny úhly postavyjsou rovny 90 stupňům.
Přejděme ke střední kategorii. A jeho prvním členem je tetragonální syngonie. Zde je analogicky snadné uhodnout, že všechny úhly obrázku, který představuje, jsou rovny 90 stupňům a také dvě ze tří stran jsou si navzájem rovné. Dalším zástupcem je romboedrická (trigonální) syngonie. Tady jsou věci trochu zajímavější. Tento typ je definován třemi stejnými stranami a třemi úhly, které jsou stejné, ale nejsou rovné.
Poslední variantou střední kategorie je hexagonální syngonie. Ještě obtížnější je to definovat. Tato možnost je postavena na třech stranách, z nichž dvě jsou stejné a svírají úhel 120 stupňů a třetí je v rovině k nim kolmé. Vezmeme-li tři buňky šestihranné syngonie a připojíme je k sobě, dostaneme válec se šestihrannou základnou (proto má takový název, protože „hexa“v latině znamená „šest“).
No, vrchol všech syngonií, mající symetrii ve všech směrech, je kubický. Jako jediná patří do nejvyšší kategorie. Tady hned uhodnete, jak se to dá charakterizovat. Všechny úhly a strany jsou stejné a tvoří krychli.
Takže jsme dokončili analýzu teorie o hlavních skupinách syngonií a nyní si povíme podrobněji o struktuře různých forem síry a vlastnostech, které z toho vyplývají.
Struktura síry
Jak již bylo zmíněno, síra má dvě modifikace: kosočtverečné a monoklinické. Po části teorieJistě se ukázalo, jak se liší. Celé je to ale v tom, že v závislosti na teplotě se může struktura mřížky měnit. Celá podstata je v samotném procesu přeměn, ke kterým dochází při dosažení bodu tání síry. Poté je krystalová mřížka zcela zničena a atomy se mohou více či méně volně pohybovat v prostoru.
Vraťme se ale ke struktuře a vlastnostem takové látky, jako je síra. Vlastnosti chemických prvků do značné míry závisí na jejich struktuře. Například síra má díky zvláštnostem krystalové struktury vlastnost flotace. Jeho částice nejsou smáčeny vodou a vzduchové bubliny, které na nich ulpívají, je vytahují na povrch. Kusová síra tedy při ponoření do vody plave. To je základem některých metod oddělení tohoto prvku od směsi podobných. A pak budeme analyzovat hlavní metody pro extrakci této sloučeniny.
Produkce
Síra se může vyskytovat s různými minerály, a tedy v různých hloubkách. V závislosti na tom se volí různé způsoby extrakce. Pokud je hloubka malá a v podzemí nejsou žádné nahromadění plynů, které by narušovaly těžbu, pak se materiál těží otevřenou metodou: vrstvy hornin jsou odstraněny a po nalezení rudy obsahující síru jsou odeslány ke zpracování. Ale pokud tyto podmínky nejsou splněny a existuje nebezpečí, pak se používá vrtná metoda. Musí dosáhnout bodu tání síry. K tomu se používají speciální instalace. Zařízení pro tavení kusové síry při této metodě je prostě nezbytné. Ale o tomto procesu - trochupozději.
Obecně platí, že při těžbě síry jakýmkoliv způsobem hrozí velké riziko otravy, protože se s ní nejčastěji ukládá sirovodík a oxid siřičitý, které jsou pro člověka velmi nebezpečné.
Abychom lépe porozuměli nevýhodám a výhodám konkrétní metody, pojďme se seznámit se způsoby zpracování rudy obsahující síru.
Extrakce
I zde existuje několik triků založených na zcela odlišných vlastnostech síry. Mezi ně patří termální, extrakční, parovodní, odstředivé a filtrační.
Nejosvědčenější z nich jsou tepelné. Vycházejí z toho, že teploty varu a tání síry jsou nižší než teploty rud, do kterých se „vžene“. Jediný problém je, že spotřebovává hodně energie. Pro udržení teploty bylo dříve nutné část síry spálit. Navzdory své jednoduchosti je tato metoda neúčinná a ztráty mohou dosáhnout rekordních 45 procent.
Sledujeme větev historického vývoje, přecházíme tedy na metodu pára-voda. Na rozdíl od tepelných metod se tyto metody stále používají v mnoha továrnách. Kupodivu jsou založeny na stejné vlastnosti - rozdílu v bodu varu a bodu tání síry od přidružených kovů. Rozdíl je pouze v tom, jak probíhá ohřev. Celý proces probíhá v autoklávech – speciálních instalacích. Dodává se tam obohacená sirná ruda obsahující až 80 % těženého prvku. Poté se do autoklávu pod tlakem čerpá horká voda.pára. Zahřátím na 130 stupňů Celsia síra taje a je odstraněna ze systému. Samozřejmě zůstávají tzv. ocasy – částice síry plovoucí ve vodě vzniklé kondenzací vodní páry. Jsou odstraněny a vloženy zpět do procesu, protože také obsahují mnoho prvků, které potřebujeme.
Jedna z nejmodernějších metod – centrifuga. Mimochodem, byl vyvinut v Rusku. Jeho podstatou je zkrátka to, že tavenina směsi síry a minerálů, kterou doprovází, se ponoří do odstředivky a roztočí se vysokou rychlostí. Těžší hornina se vlivem odstředivé síly od středu odklání, zatímco samotná síra zůstává výše. Poté se výsledné vrstvy jednoduše oddělí od sebe.
Existuje ještě jeden způsob, který se ve výrobě používá dodnes. Spočívá v oddělení síry od minerálů pomocí speciálních filtrů.
V tomto článku se budeme zabývat výhradně tepelnými metodami pro extrakci prvku, který je pro nás nepochybně důležitý.
Proces tavení
Studium přenosu tepla při tavení síry je důležitou otázkou, protože jde o jeden z nejekonomičtějších způsobů získávání tohoto prvku. Parametry systému můžeme při vytápění kombinovat a potřebujeme spočítat jejich optimální kombinaci. Za tímto účelem se provádí studie přenosu tepla a analýza vlastností procesu tavení síry. Pro tento proces existuje několik typů instalací. Jedním z nich je kotel na tavení síry. Získání položky, kterou hledáte, s tímto produktem- jen pomocník. Dnes však existuje speciální zařízení - zařízení pro tavení kusové síry. Lze jej efektivně využít ve výrobě k výrobě vysoce čisté síry ve velkém množství.
Za výše uvedeným účelem bylo v roce 1890 vynalezeno zařízení, které umožňuje síru tavit v hloubce a čerpat ji na povrch pomocí potrubí. Jeho konstrukce je poměrně jednoduchá a efektivní v akci: dvě trubky jsou umístěny v sobě. Vnějším potrubím cirkuluje pára přehřátá na 120 stupňů (bod tání síry). Konec vnitřní trubky dosáhne nánosů prvku, který potřebujeme. Při zahřívání vodou se síra začíná tavit a vystupovat. Všechno je docela jednoduché. V moderní verzi instalace obsahuje další potrubí: je uvnitř potrubí se sírou a proudí jím stlačený vzduch, díky čemuž tavenina stoupá rychleji.
Existuje několik dalších metod a jedna z nich dosahuje bodu tání síry. Dvě elektrody jsou spuštěny pod zem a prochází jimi proud. Vzhledem k tomu, že síra je typickým dielektrikem, nevede proud a začíná se velmi zahřívat. Tím se roztaví a pomocí potrubí, jako u prvního způsobu, se odčerpá. Pokud chtějí poslat síru do výroby kyseliny sírové, pak se pod zemí zapálí a vzniklý plyn se odvede ven. Dále se oxiduje na oxid sírový (VI) a poté se rozpustí ve vodě, čímž se získá konečný produkt.
Analyzovali jsme tavení síry, tavení síry a způsoby její extrakce. Nyní je čas zjistit, proč jsou tak složité metody potřeba. Ve skutečnosti analýza procesu tavení síry aSystém kontroly teploty je nutný pro dobré čištění a efektivní aplikaci konečného produktu extrakce. Koneckonců, síra je jedním z nejdůležitějších prvků, které hrají klíčovou roli v mnoha oblastech našeho života.
Aplikace
Nedává smysl říkat, kde se sloučeniny síry používají. Jednodušší je říci, kde neplatí. Síra se nachází v jakékoli pryži a pryžových výrobcích, v plynu, který je dodáván do domácností (tam je potřeba identifikovat únik, pokud k němu dojde). Toto jsou nejběžnější a nejjednodušší příklady. Ve skutečnosti je použití síry nespočet. Vyjmenovat je všechny je prostě nereálné. Ale pokud se zavážeme, že to uděláme, ukáže se, že síra je jedním z nejdůležitějších prvků pro lidstvo.
Závěr
Z tohoto článku jste se dozvěděli, jaký je bod tání síry, proč je pro nás tento prvek tak důležitý. Pokud vás tento proces a jeho studium zajímá, pravděpodobně jste se pro sebe naučili něco nového. Mohou to být například rysy tavení síry. V každém případě neexistuje žádná hranice dokonalosti a znalost procesů probíhajících v průmyslu nikomu z nás nebude překážet. Můžete samostatně pokračovat v osvojování technologických spletitostí procesů těžby, získávání a zpracování síry a dalších prvků obsažených v zemské kůře.
