גופרית היא אחד היסודות הנפוצים ביותר בקרום כדור הארץ. לרוב, הוא נמצא בהרכב של מינרלים המכילים מתכות בנוסף אליו. התהליכים המתרחשים כאשר מגיעים לנקודת הרתיחה וההיתוך של גופרית מעניינים מאוד. ננתח תהליכים אלו, כמו גם את הקשיים הקשורים בהם, במאמר זה. אבל ראשית, בואו נצלול לתוך ההיסטוריה של גילוי היסוד הזה.
היסטוריה
בצורתה המקומית, כמו גם בהרכב המינרלים, גופרית ידועה עוד מימי קדם. בטקסטים יווניים עתיקים מתוארת ההשפעה הרעילה של תרכובותיו על גוף האדם. הגופרית הדו-חמצנית המשתחררת במהלך הבעירה של תרכובות של יסוד זה אכן יכולה להיות קטלנית לאנשים. בסביבות המאה ה-8 החלו להשתמש בגופרית בסין לייצור תערובות פירוטכניות. לא פלא, כי במדינה הזו מאמינים כי הומצא אבק שריפה.
אפילו במצרים העתיקה, אנשים הכירו שיטה לקליית עפרות המכילות גופרית על בסיס נחושת. כך נכרה המתכת. גופרית נמלטה בצורה של גז רעיל SO2.
למרות היותו מפורסם מאז ימי קדם, הידע מהי גופרית, הגיע הודות לעבודתו של חוקר הטבע הצרפתי אנטואןלבואזיה. הוא זה שקבע שזהו יסוד, ותוצרי הבעירה שלו הם תחמוצות.
הנה היסטוריה קצרה כל כך של היכרות של אנשים עם היסוד הכימי הזה. לאחר מכן, נדבר בהרחבה על התהליכים המתרחשים בבטן האדמה ומובילים להיווצרות גופרית בצורה שבה היא נמצאת כעת.
איך נוצרת גופרית?
ישנה טעות נפוצה לפיה אלמנט זה נמצא לרוב בצורתו המקורית (כלומר, הטהורה). עם זאת, זה לא ממש נכון. גופרית מקומית נמצאת לרוב כהכללה בעפרה אחרת.
כרגע, קיימות מספר תיאוריות לגבי מקור היסוד בצורתו הטהורה ביותר. הם מציעים הבדל בזמן היווצרות הגופרית ובעפרות שבהן היא משובצת. הראשון, התיאוריה של סינגנזה, מניחה היווצרות של גופרית יחד עם עפרות. לדבריה, כמה חיידקים שחיים באוקיינוס, הפחיתו את הסולפטים במים למימן גופרתי. האחרון, בתורו, קם, שם, בעזרת חיידקים אחרים, הוא התחמצן לגופרית. היא נפלה לקרקעית, מעורבבת בסחף, ולאחר מכן הם יחד יצרו עפרה.
מהות תורת האפיגנזה היא שגופרית בעפרה נוצרה מאוחר יותר ממנה. יש כאן כמה סניפים. נדבר רק על הגרסה הנפוצה ביותר של תיאוריה זו. הוא מורכב מזה: מי תהום, הזורמים דרך הצטברויות של עפרות סולפט, מועשרים בהם. לאחר מכן, עוברים בשדות נפט וגז, יוני סולפט מופחתים למימן גופרתי עקב פחמימנים. מימן גופרתי, העולה אל פני השטח, מתחמצןחמצן אטמוספרי לגופרית, השוקע בסלעים ויוצר גבישים. תיאוריה זו מצאה לאחרונה יותר ויותר אישושים, אך שאלת הכימיה של התמורות הללו נותרה פתוחה.
מתהליך המקור של גופרית בטבע, בואו נעבור לשינויים שלו.
אלוטרופיה ופולימורפיזם
גופרית, כמו יסודות רבים אחרים בטבלה המחזורית, קיימת בטבע בכמה צורות. בכימיה הם נקראים שינויים אלוטרופיים. יש גופרית מעוינת. נקודת ההיתוך שלו נמוכה במקצת מזו של השינוי השני: מונוקלינית (112 ו-119 מעלות צלזיוס). והם נבדלים זה מזה במבנה של תאים יסודיים. גופרית מעוינת צפופה ויציבה יותר. זה יכול, כאשר מחומם ל-95 מעלות, לעבור לצורה שנייה - מונוקלינית. לאלמנט שאנו דנים בו יש אנלוגים בטבלה המחזורית. הפולימורפיזם של גופרית, סלניום וטלוריום עדיין נדון על ידי מדענים. יש להם מערכת יחסים קרובה מאוד זה עם זה, וכל השינויים שהם יוצרים דומים מאוד.
ואז ננתח את התהליכים המתרחשים במהלך המסת גופרית. אבל לפני שמתחילים, כדאי לצלול קצת לתיאוריה של מבנה סריג הגביש ולתופעות המתרחשות במהלך מעברי פאזה של החומר.
ממה עשוי קריסטל?
כפי שאתם יודעים, במצב גזי, החומר הוא בצורת מולקולות (או אטומים), הנעים באקראי בחלל. בחומר נוזליהחלקיקים המרכיבים אותו מקובצים, אך עדיין יש להם חופש תנועה גדול למדי. במצב מוצק של צבירה, הכל קצת שונה. כאן מידת הסדר עולה לערכה המקסימלי, והאטומים יוצרים סריג גבישי. כמובן, יש בו תנודות, אבל יש להם משרעת מאוד קטנה, ואי אפשר לקרוא לזה תנועה חופשית.
ניתן לחלק כל גביש לתאים יסודיים - תרכובות עוקבות כאלה של אטומים שחוזרות על עצמן לאורך כל נפח התרכובת המדגם. כאן כדאי להבהיר שתאים כאלה אינם סריג קריסטל, וכאן האטומים ממוקמים בתוך נפח של דמות מסוימת, ולא בצמתים שלה. עבור כל גביש, הם אינדיבידואליים, אך ניתן לחלק אותם למספר סוגים עיקריים (סינגוני) בהתאם לגיאומטריה: טריקליניים, מונוקליניים, מעוינים, מעוינים, טטראגונליים, משושה, מעוקבים.
בואו ננתח בקצרה כל סוג של סריג, מכיוון שהם מחולקים למספר תת-מינים. ובואו נתחיל עם איך הם יכולים להיות שונים זה מזה. ראשית, אלו הם היחסים של אורכי הצלעות, ושנית, הזווית ביניהן.
לכן, הסינגוניה הטריקלינית, הנמוכה מכולן, היא סריג יסודי (מקבילית), שבו כל הצלעות והזוויות אינן שוות זו לזו. נציג נוסף של מה שנקרא הקטגוריה התחתונה של syngonies הוא מונוקליני. כאן, שתי פינות של התא הן 90 מעלות, ולכל הצדדים יש אורכים שונים. הסוג הבא השייך לקטגוריה הנמוכה ביותר הוא ה-Singony המעוינים. יש לו שלוש צלעות לא שוות, אבל כל זוויות הדמותשווים ל-90 מעלות.
בוא נעבור לקטגוריה האמצעית. והחבר הראשון שלו הוא הסינגוניה הטטראגונית. כאן, באנלוגיה, קל לנחש שכל הזוויות של הדמות שהיא מייצגת שוות ל-90 מעלות, וגם שתיים משלוש הצלעות שוות זו לזו. הנציג הבא הוא הסינגוניה המעוינת (טריגונלית). כאן הדברים נעשים קצת יותר מעניינים. סוג זה מוגדר על ידי שלוש צלעות שוות ושלוש זוויות שוות אך לא ישרות.
הגרסה האחרונה של הקטגוריה האמצעית היא הסינגוניה המשושה. יש עוד יותר קושי להגדיר את זה. אפשרות זו בנויה משלוש צלעות, שתיים מהן שוות ויוצרות זווית של 120 מעלות, והשלישית במישור המאונך אליהן. אם ניקח שלושה תאים של הסינגוניה המשושה ונחבר אותם זה לזה, נקבל גליל עם בסיס משושה (בגלל זה יש לו שם כזה, כי "הקסה" בלטינית פירושו "שש").
ובכן, החלק העליון של כל הסינגונים, בעל סימטריה לכל הכיוונים, הוא מעוקב. היא היחידה המשתייכת לקטגוריה הגבוהה ביותר. כאן אתה יכול מיד לנחש איך אפשר לאפיין אותו. כל הזוויות והצלעות שוות ויוצרות קובייה.
לכן, סיימנו את ניתוח התיאוריה על הקבוצות העיקריות של סינגוניות, וכעת נספר ביתר פירוט על המבנה של צורות שונות של גופרית ועל התכונות הנובעות מכך.
מבנה הגופרית
כפי שכבר הוזכר, לגופרית יש שני שינויים: מעוין ומונוקליני. אחרי הקטע בתיאוריהבוודאי התברר במה הם שונים. אבל כל העניין הוא שבהתאם לטמפרטורה, מבנה הסריג יכול להשתנות. כל העניין הוא בתהליך של טרנספורמציות המתרחשות כאשר מגיעים לנקודת ההיתוך של גופרית. ואז סריג הגביש נהרס לחלוטין, והאטומים יכולים לנוע פחות או יותר בחופשיות בחלל.
אבל בואו נחזור למבנה ולתכונות של חומר כמו גופרית. המאפיינים של יסודות כימיים תלויים במידה רבה במבנה שלהם. לדוגמה, לגופרית, בשל המוזרויות של מבנה הגביש, יש את המאפיין של ציפה. חלקיקיו אינם נרטבים במים, ובועות אוויר הנצמדות אליהם מושכות אותם אל פני השטח. לפיכך, גוש גופרית צף כאשר הוא טבילה במים. זהו הבסיס לכמה שיטות להפרדת אלמנט זה מתערובת של דומות. ואז ננתח את השיטות העיקריות להפקת התרכובת הזו.
Production
גופרית יכולה להופיע עם מינרלים שונים, ולכן בעומקים שונים. בהתאם לכך, שיטות מיצוי שונות נבחרות. אם העומק רדוד ואין הצטברויות של גזים מתחת לאדמה המפריעים לכרייה, אזי החומר נכרה בשיטה פתוחה: מסירים שכבות סלע, ומציאת עפרות המכילות גופרית הן נשלחות לעיבוד. אך אם לא מתקיימים תנאים אלו ויש סכנות, אזי משתמשים בשיטת הקידוח. זה צריך להגיע לנקודת ההתכה של גופרית. לשם כך, משתמשים בהתקנות מיוחדות. מנגנון להמסת גופרית גושית בשיטה זו פשוט הכרחי. אבל לגבי התהליך הזה - קצתמאוחר יותר.
באופן כללי, כאשר מפיקים גופרית בכל דרך, קיים סיכון גבוה להרעלה, כי לרוב מושקעים בו מימן גופרתי וגופרית דו-חמצנית, שמסוכנים מאוד לבני אדם.
כדי להבין טוב יותר את החסרונות והיתרונות של שיטה מסוימת, בואו נכיר את שיטות העיבוד של עפרות המכילות גופרית.
Extraction
גם כאן יש כמה טריקים המבוססים על תכונות שונות לחלוטין של גופרית. ביניהם תרמי, מיצוי, קיטור, צנטריפוגלי וסינון.
המוכחים שבהם הם תרמיים. הם מבוססים על העובדה שנקודות הרתיחה וההיתוך של הגופרית נמוכות מאלו של העפרות שאליהן הוא "ננשא". הבעיה היחידה היא שהוא צורך הרבה אנרגיה. כדי לשמור על הטמפרטורה, פעם היה צורך לשרוף חלק מהגופרית. למרות הפשטות שלה, שיטה זו אינה יעילה, וההפסדים יכולים להגיע לשיא של 45 אחוזים.
אנו עוקבים אחר ענף ההתפתחות ההיסטורית, ולכן אנו עוברים לשיטת מי הקיטור. בניגוד לשיטות תרמיות, שיטות אלו עדיין נמצאות בשימוש במפעלים רבים. באופן מוזר, הם מבוססים על אותה תכונה - ההבדל בנקודת הרתיחה ובנקודת ההיתוך של גופרית מאלו של מתכות קשורות. ההבדל היחיד הוא איך מתבצע החימום. כל התהליך מתרחש באוטוקלאבים - התקנות מיוחדות. עפרות גופרית מועשרות המכילות עד 80% מהיסוד הכרות מסופקת שם. לאחר מכן, בלחץ, מים חמים נשאבים לתוך החיטוי.קִיטוֹר. התחממות עד 130 מעלות צלזיוס, גופרית נמסה ומוסרת מהמערכת. כמובן, נשארים מה שנקרא זנבות - חלקיקי גופרית צפים במים שנוצרו עקב עיבוי אדי מים. הם מוסרים ומחזירים אותם לתהליך, מכיוון שהם מכילים גם הרבה מהאלמנט שאנחנו צריכים.
אחת השיטות המודרניות ביותר - צנטריפוגה. אגב, זה פותח ברוסיה. בקיצור, המהות שלו היא שההמסה של תערובת של גופרית ומינרלים שאיתה הוא מלווה טובלת בצנטריפוגה ומסתובבת במהירות גבוהה. הסלע הכבד יותר נוטה להתרחק מהמרכז בגלל כוח צנטריפוגלי, בעוד שהגופרית עצמה נשארת גבוהה יותר. ואז השכבות המתקבלות פשוט מופרדות זו מזו.
ישנה שיטה נוספת שמשתמשים בה גם בייצור עד היום. הוא מורכב מהפרדת גופרית ממינרלים באמצעות מסננים מיוחדים.
במאמר זה, נשקול אך ורק שיטות תרמיות לחילוץ אלמנט שללא ספק חשוב לנו.
תהליך התכה
המחקר של העברת חום במהלך המסת גופרית הוא נושא חשוב, מכיוון שזו אחת הדרכים החסכוניות ביותר לחילוץ יסוד זה. אנו יכולים לשלב את הפרמטרים של המערכת במהלך החימום, ועלינו לחשב את השילוב האופטימלי שלהם. לשם כך מתבצע מחקר של העברת חום וניתוח התכונות של תהליך התכת הגופרית. ישנם מספר סוגים של התקנות עבור תהליך זה. דוד המסת הגופרית הוא אחד מהם. השגת הפריט שאתה מחפש עם המוצר הזה- רק עוזר. עם זאת, כיום יש התקנה מיוחדת - מנגנון להמסת גופרית גושית. ניתן להשתמש בו ביעילות בייצור להפקת גופרית בעלת טוהר גבוה בכמויות גדולות.
לצורך הנ ל, בשנת 1890, הומצא מתקן המאפשר להמיס גופרית בעומק ולשאוב אל פני השטח באמצעות צינור. העיצוב שלו די פשוט ויעיל בפעולה: שני צינורות ממוקמים זה בזה. אדים מחוממים ל-120 מעלות (נקודת התכה של גופרית) מסתובבים דרך הצינור החיצוני. קצה הצינור הפנימי מגיע למשקעים של האלמנט שאנו צריכים. כאשר מחומם על ידי מים, גופרית מתחילה להמיס ולצאת החוצה. הכל די פשוט. בגרסה המודרנית, המתקן מכיל צינור נוסף: הוא נמצא בתוך הצינור עם גופרית, ודרכו זורם אוויר דחוס, מה שגורם להיתוך לעלות מהר יותר.
יש עוד כמה שיטות, ואחת מהן מגיעה לנקודת ההתכה של גופרית. שתי אלקטרודות מורידות מתחת לאדמה וזרם מועבר דרכן. מכיוון שגופרית היא דיאלקטרי טיפוסי, היא אינה מוליכה זרם ומתחילה להתחמם מאוד. כך הוא נמס ובעזרת צינור, כמו בשיטה הראשונה, הוא נשאב החוצה. אם הם רוצים לשלוח גופרית לייצור חומצה גופרתית, אז זה מועלה באש מתחת לאדמה ומוציאים את הגז שנוצר. הוא מחומצן עוד יותר לתחמוצת גופרית (VI), ולאחר מכן מומס במים, ומשיג את התוצר הסופי.
ניתחנו את המסת הגופרית, את ההתכה של הגופרית ואת שיטות ההפקה שלה. עכשיו הגיע הזמן לגלות מדוע יש צורך בשיטות כה מורכבות. למעשה, הניתוח של תהליך המסת גופרית ויש צורך במערכת בקרת טמפרטורה על מנת לנקות היטב וביעילות ליישם את התוצר הסופי של המיצוי. אחרי הכל, גופרית היא אחד היסודות החשובים ביותר הממלאים תפקיד מפתח בתחומים רבים בחיינו.
Application
אין הגיון לומר היכן משתמשים בתרכובות גופרית. קל יותר לומר היכן הם לא חלים. גופרית מצויה בכל מוצרי גומי וגומי, בגז שמסופק לבתים (שם יש צורך לזהות נזילה אם מתרחשת). אלו הדוגמאות הנפוצות והפשוטות ביותר. למעשה, היישומים של גופרית הם אינספור. לרשום את כולם זה פשוט לא ריאלי. אבל אם נתחייב לעשות זאת, יתברר שגופרית היא אחד היסודות החיוניים ביותר לאנושות.
מסקנה
מהמאמר הזה, למדת מהי נקודת ההיתוך של גופרית, למה היסוד הזה כל כך חשוב לנו. אם אתה מתעניין בתהליך הזה ובלימודו, אז כנראה שלמדת משהו חדש בעצמך. לדוגמה, אלה עשויים להיות מאפיינים של התכה של גופרית. בכל מקרה, אין גבול לשלמות, והכרת התהליכים המתרחשים בתעשייה לא תפריע לאף אחד מאיתנו. אתה יכול להמשיך לשלוט באופן עצמאי במורכבויות הטכנולוגיות של תהליכי המיצוי, המיצוי והעיבוד של גופרית ואלמנטים אחרים הכלולים בקרום כדור הארץ.
