Síra je jedným z najbežnejších prvkov zemskej kôry. Najčastejšie sa nachádza v zložení minerálov obsahujúcich okrem neho aj kovy. Veľmi zaujímavé sú procesy, ktoré sa vyskytujú pri dosiahnutí bodu varu a teploty topenia síry. V tomto článku budeme analyzovať tieto procesy, ako aj ťažkosti s nimi spojené. Najprv sa však ponorme do histórie objavu tohto prvku.
História
V pôvodnej forme, ako aj v zložení minerálov je síra známa už od staroveku. V starogréckych textoch sa opisuje jedovatý účinok jeho zlúčenín na ľudský organizmus. Oxid siričitý uvoľnený pri spaľovaní zlúčenín tohto prvku môže byť pre ľudí skutočne smrteľný. Približne v 8. storočí sa v Číne začala používať síra na výrobu pyrotechnických zmesí. Niet divu, pretože práve v tejto krajine sa verí, že bol vynájdený pušný prach.
Už v starovekom Egypte ľudia poznali metódu praženia rudy obsahujúcej síru na báze medi. Takto sa ťažil kov. Síra unikla vo forme jedovatého plynu SO2.
Napriek tomu, že je známa už od staroveku, poznanie toho, čo je síra, prišlo vďaka práci francúzskeho prírodovedca AntoinaLavoisier. Bol to on, kto zistil, že ide o prvok a jeho produkty spaľovania sú oxidy.
Tu je taká krátka história zoznámenia ľudí s týmto chemickým prvkom. Ďalej si podrobne povieme o procesoch, ktoré prebiehajú v útrobách zeme a vedú k tvorbe síry v podobe, v akej sa nachádza teraz.
Ako vzniká síra?
Existuje všeobecná mylná predstava, že tento prvok sa najčastejšie nachádza v jeho natívnej (čiže čistej) forme. Nie je to však celkom pravda. Natívna síra sa najčastejšie nachádza ako súčasť inej rudy.
V súčasnosti existuje niekoľko teórií o pôvode prvku v jeho najčistejšej forme. Naznačujú rozdiel v čase vzniku síry a rúd, v ktorých je rozptýlená. Prvá, teória syngenézy, predpokladá vznik síry spolu s rudami. Podľa nej niektoré baktérie, ktoré žijú v oceáne, zredukovali sírany vo vode na sírovodík. Tá zas povstala, kde sa za pomoci iných baktérií oxidovala na síru. Spadla na dno, zmiešala sa s bahnom a následne spolu vytvorili rudu.
Podstatou teórie epigenézy je, že síra v rude vznikla neskôr ako ona sama. Je tu viacero pobočiek. Budeme hovoriť len o najbežnejšej verzii tejto teórie. Pozostáva z tohto: podzemná voda, ktorá preteká nahromadením síranových rúd, je nimi obohatená. Potom sa pri prechode ropnými a plynovými poliami síranové ióny redukujú na sírovodík v dôsledku uhľovodíkov. Sírovodík stúpajúci na povrch sa oxidujevzdušný kyslík na síru, ktorá sa usadzuje v horninách a vytvára kryštály. Táto teória v poslednej dobe nachádza stále viac a viac potvrdení, ale otázka chémie týchto premien zostáva otvorená.
Od procesu vzniku síry v prírode prejdime k jej modifikáciám.
Alotropia a polymorfizmus
Síra, podobne ako mnohé iné prvky periodickej tabuľky, existuje v prírode v niekoľkých formách. V chémii sa nazývajú alotropné modifikácie. Existuje kosoštvorcová síra. Jeho teplota topenia je o niečo nižšia ako teplota topenia druhej modifikácie: monoklinická (112 a 119 stupňov Celzia). A líšia sa štruktúrou elementárnych buniek. Kosoštvorcová síra je hustejšia a stabilnejšia. Po zahriatí na 95 stupňov môže prejsť do druhej formy - monoklinickej. Prvok, o ktorom diskutujeme, má analógy v periodickej tabuľke. O polymorfizme síry, selénu a telúru vedci stále diskutujú. Majú medzi sebou veľmi blízky vzťah a všetky modifikácie, ktoré tvoria, sú veľmi podobné.
Potom budeme analyzovať procesy, ktoré sa vyskytujú pri tavení síry. Ale skôr ako začnete, mali by ste sa trochu ponoriť do teórie štruktúry kryštálovej mriežky a javov, ktoré sa vyskytujú pri fázových prechodoch hmoty.
Z čoho je vyrobený kryštál?
Ako viete, v plynnom stave je látka vo forme molekúl (alebo atómov), ktoré sa náhodne pohybujú v priestore. v tekutej hmotejeho častice sú zoskupené, ale stále majú dosť veľkú voľnosť pohybu. V pevnom stave agregácie je všetko trochu inak. Tu sa stupeň usporiadania zvyšuje na maximálnu hodnotu a atómy tvoria kryštálovú mriežku. Samozrejme, existujú v ňom výkyvy, ale majú veľmi malú amplitúdu a to sa nedá nazvať voľným pohybom.
Akýkoľvek kryštál možno rozdeliť na elementárne bunky – také po sebe idúce zlúčeniny atómov, ktoré sa opakujú v celom objeme zlúčeniny vzorky. Tu stojí za to objasniť, že takéto bunky nie sú kryštálovou mriežkou a tu sa atómy nachádzajú vo vnútri objemu určitého útvaru, a nie v jeho uzloch. Pre každý kryštál sú individuálne, ale možno ich rozdeliť do niekoľkých hlavných typov (syngónia) v závislosti od geometrie: triklinický, monoklinický, kosoštvorcový, romboedrický, tetragonálny, šesťuholníkový, kubický.
Poďme stručne analyzovať každý typ mriežok, pretože sú rozdelené do niekoľkých poddruhov. A začnime tým, ako sa môžu navzájom líšiť. Po prvé, toto sú pomery dĺžok strán a po druhé, uhol medzi nimi.
Triklinická syngónia, najnižšia zo všetkých, je teda elementárna mriežka (rovnobežník), v ktorej všetky strany a uhly nie sú rovnaké. Ďalším zástupcom takzvanej nižšej kategórie syngónií sú jednoklonné. Tu sú dva rohy bunky 90 stupňov a všetky strany majú rôzne dĺžky. Ďalším typom patriacim do najnižšej kategórie je rombická syngónia. Má tri nerovnaké strany, ale všetky uhly postavysú rovné 90 stupňom.
Prejdime do strednej kategórie. A jeho prvým členom je tetragonálna syngónia. Tu je analogicky ľahké uhádnuť, že všetky uhly obrázku, ktorý predstavuje, sú rovné 90 stupňom a tiež dve z troch strán sú si navzájom rovné. Ďalším zástupcom je romboedrická (trigonálna) syngónia. Tu sú veci o niečo zaujímavejšie. Tento typ je definovaný tromi rovnakými stranami a tromi uhlami, ktoré sú rovnaké, ale nie rovné.
Posledným variantom strednej kategórie je šesťuholníková syngónia. Ešte ťažšie je to definovať. Táto možnosť je postavená na troch stranách, z ktorých dve sú rovnaké a zvierajú uhol 120 stupňov a tretia je v rovine kolmej na ne. Ak vezmeme tri bunky šesťuholníkovej syngónie a spojíme ich k sebe, dostaneme valec so šesťhrannou základňou (preto má taký názov, pretože „hexa“v latinčine znamená „šesť“).
No, vrchol všetkých syngónií, ktorý má symetriu vo všetkých smeroch, je kubický. Ako jediná patrí do najvyššej kategórie. Tu môžete hneď uhádnuť, ako sa to dá charakterizovať. Všetky uhly a strany sú rovnaké a tvoria kocku.
Takže sme dokončili analýzu teórie o hlavných skupinách syngónií a teraz si povieme podrobnejšie o štruktúre rôznych foriem síry a vlastnostiach, ktoré z toho vyplývajú.
Štruktúra síry
Ako už bolo spomenuté, síra má dve modifikácie: kosoštvorcovú a monoklinickú. Po časti o teóriiUrčite sa ukázalo, ako sa líšia. Ide však o to, že v závislosti od teploty sa štruktúra mriežky môže meniť. Celý bod je v samotnom procese premien, ku ktorým dochádza pri dosiahnutí bodu topenia síry. Potom je kryštálová mriežka úplne zničená a atómy sa môžu pohybovať viac-menej voľne v priestore.
Vráťme sa však k štruktúre a vlastnostiam takej látky, akou je síra. Vlastnosti chemických prvkov do značnej miery závisia od ich štruktúry. Napríklad síra má kvôli zvláštnostiam kryštálovej štruktúry vlastnosť flotácie. Jeho častice nie sú zmáčané vodou a vzduchové bubliny, ktoré na nich priľnú, ich ťahajú na povrch. Paušálna síra teda po ponorení do vody pláva. To je základ pre niektoré metódy oddeľovania tohto prvku od zmesi podobných prvkov. A potom analyzujeme hlavné metódy extrakcie tejto zlúčeniny.
Produkcia
Síra sa môže vyskytovať s rôznymi minerálmi, a teda v rôznych hĺbkach. V závislosti od toho sa vyberajú rôzne metódy extrakcie. Ak je hĺbka malá a v podzemí nie sú žiadne akumulácie plynov, ktoré by narúšali ťažbu, potom sa materiál ťaží otvorenou metódou: vrstvy hornín sa odstránia a po nájdení rudy obsahujúcej síru sa posielajú na spracovanie. Ale ak tieto podmienky nie sú splnené a existuje nebezpečenstvo, potom sa používa metóda vrtov. Musí dosiahnuť bod topenia síry. Na tento účel sa používajú špeciálne zariadenia. Zariadenie na tavenie kusovej síry pri tejto metóde je jednoducho nevyhnutné. Ale o tomto procese - trochuneskôr.
Vo všeobecnosti pri extrakcii síry akýmkoľvek spôsobom hrozí veľké riziko otravy, pretože najčastejšie sa pri nej ukladá sírovodík a oxid siričitý, ktoré sú pre človeka veľmi nebezpečné.
Pre lepšie pochopenie nevýhod a výhod konkrétnej metódy sa zoznámime so spôsobmi spracovania rudy obsahujúcej síru.
extrakcia
Aj tu existuje niekoľko trikov založených na úplne iných vlastnostiach síry. Medzi ne patrí termálna, extrakčná, paro-vodná, odstredivá a filtračná.
Najosvedčenejšie z nich sú termálne. Sú založené na skutočnosti, že teploty varu a topenia síry sú nižšie ako teploty rúd, do ktorých sa „vnúti“. Jediným problémom je, že spotrebuje veľa energie. Na udržanie teploty bolo kedysi potrebné časť síry spáliť. Napriek svojej jednoduchosti je táto metóda neúčinná a straty môžu dosiahnuť rekordných 45 percent.
Sledujeme vetvu historického vývoja, takže prechádzame na metódu paro-voda. Na rozdiel od tepelných metód sa tieto metódy stále používajú v mnohých továrňach. Napodiv, sú založené na rovnakej vlastnosti - rozdiele v bode varu a teplote topenia síry od pridružených kovov. Jediný rozdiel je v tom, ako prebieha zahrievanie. Celý proces prebieha v autoklávoch – špeciálnych inštaláciách. Dodáva sa tam obohatená sírová ruda obsahujúca až 80 % ťaženého prvku. Potom sa do autoklávu pod tlakom čerpá horúca voda.para. Zahriatím na 130 stupňov Celzia sa síra roztopí a odstráni sa zo systému. Samozrejme, ostávajú takzvané chvosty – častice síry plávajúce vo vode vznikajúce v dôsledku kondenzácie vodnej pary. Odstránia sa a vrátia späť do procesu, pretože obsahujú aj veľa prvkov, ktoré potrebujeme.
Jedna z najmodernejších metód - centrifúga. Mimochodom, bol vyvinutý v Rusku. Jej podstatou je skrátka to, že tavenina zmesi síry a minerálov, ktorými ju sprevádza, sa ponorí do odstredivky a roztočí sa vysokou rýchlosťou. Ťažšia hornina sa v dôsledku odstredivej sily odkláňa od stredu, zatiaľ čo samotná síra zostáva vyššie. Potom sa výsledné vrstvy jednoducho oddelia od seba.
Existuje ešte jeden spôsob, ktorý sa vo výrobe používa dodnes. Spočíva v oddelení síry od minerálov cez špeciálne filtre.
V tomto článku sa budeme zaoberať výlučne tepelnými metódami extrakcie prvku, ktorý je pre nás nepochybne dôležitý.
Proces tavenia
Štúdium prenosu tepla počas tavenia síry je dôležitou otázkou, pretože ide o jeden z najúspornejších spôsobov extrakcie tohto prvku. Parametre systému môžeme pri vykurovaní kombinovať a potrebujeme vypočítať ich optimálnu kombináciu. Na tento účel sa vykonáva štúdia prenosu tepla a analýza vlastností procesu tavenia síry. Pre tento proces existuje niekoľko typov inštalácií. Jedným z nich je kotol na tavenie síry. Získanie položky, ktorú hľadáte s týmto produktom- len pomocník. Dnes však existuje špeciálna inštalácia - zariadenie na tavenie kusovej síry. Môže sa efektívne použiť vo výrobe na výrobu vysoko čistej síry vo veľkých množstvách.
Pre vyššie uvedený účel bolo v roku 1890 vynájdené zariadenie, ktoré umožňuje síru roztaviť v hĺbke a čerpať na povrch pomocou potrubia. Jeho dizajn je pomerne jednoduchý a efektívny v akcii: dve rúry sú umiestnené v sebe. Vonkajšou rúrou cirkuluje para prehriata na 120 stupňov (bod topenia síry). Koniec vnútorného potrubia dosiahne usadeniny prvku, ktorý potrebujeme. Pri zahrievaní vodou sa síra začína topiť a vystupovať. Všetko je celkom jednoduché. V modernej verzii inštalácia obsahuje ďalšie potrubie: je vo vnútri potrubia so sírou a cez ňu prúdi stlačený vzduch, vďaka čomu tavenina stúpa rýchlejšie.
Existuje niekoľko ďalších metód a jedna z nich dosahuje bod topenia síry. Dve elektródy sú spustené pod zem a cez ne prechádza prúd. Keďže síra je typickým dielektrikom, nevedie prúd a začína sa veľmi zahrievať. Tak sa roztaví a pomocou potrubia, ako pri prvom spôsobe, sa odčerpá. Ak chcú poslať síru na výrobu kyseliny sírovej, tak sa pod zemou zapáli a vzniknutý plyn sa odvedie von. Ďalej sa oxiduje na oxid sírový (VI) a potom sa rozpustí vo vode, čím sa získa konečný produkt.
Analyzovali sme tavenie síry, tavenie síry a spôsoby jej extrakcie. Teraz je čas zistiť, prečo sú také zložité metódy potrebné. V skutočnosti analýza procesu tavenia síry aSystém kontroly teploty je potrebný na to, aby sa dobre čistil a efektívne nanášal konečný produkt extrakcie. Koniec koncov, síra je jedným z najdôležitejších prvkov, ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu v mnohých oblastiach nášho života.
Aplikácia
Nemá zmysel hovoriť, kde sa zlúčeniny síry používajú. Jednoduchšie je povedať, kde neplatia. Síra sa nachádza v akejkoľvek gume a gumených výrobkoch, v plyne, ktorý sa dodáva do domácností (tam je potrebné identifikovať únik, ak k nemu dôjde). Toto sú najbežnejšie a najjednoduchšie príklady. V skutočnosti je použitie síry nespočetné. Vymenovať ich všetky je jednoducho nereálne. Ale ak sa zaviažeme, že to urobíme, ukáže sa, že síra je jedným z najdôležitejších prvkov pre ľudstvo.
Záver
Z tohto článku ste sa dozvedeli, aká je teplota topenia síry, prečo je tento prvok pre nás taký dôležitý. Ak máte záujem o tento proces a jeho štúdium, pravdepodobne ste sa naučili niečo nové pre seba. Môžu to byť napríklad znaky topenia síry. V každom prípade neexistuje žiadna hranica dokonalosti a znalosť procesov prebiehajúcich v priemysle nikomu z nás nebude prekážať. Môžete samostatne pokračovať v osvojovaní si technologických jemností procesov získavania, získavania a spracovania síry a iných prvkov obsiahnutých v zemskej kôre.
