ZWAVEL: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, VERKRIJGEN, GEBRUIK - CHEMIE - 2025

De zwavel is een niet-metalen element dat onder zuurstof de groep chalcogenen van het periodiek systeem leidt. Het bevindt zich specifiek in groep 16 met periode 3, en wordt weergegeven door het chemische symbool S. Van zijn natuurlijke isotopen is ³² S verreweg de meest voorkomende (ongeveer 94% van alle zwavelatomen).

Het is een van de meest voorkomende elementen op aarde, goed voor ongeveer 3% van zijn totale massa. Met andere woorden, als alle zwavel op de planeet zou worden ingenomen, zouden er twee gele manen kunnen worden gebouwd; er zouden drie satellieten zijn in plaats van één. Het kan verschillende oxidatietoestanden aannemen (+2, -2, +4 en +6), dus zijn zouten zijn talrijk en verrijken de aardkorst en kern.

Zwavelkristallen. Bron: Pixabay.

Zwavel is synoniem voor geel, slechte geuren en hel. De belangrijkste reden voor zijn slechte geuren is te wijten aan de afgeleide verbindingen; vooral frisdrank en biologische. Van de rest zijn de mineralen solide en hebben ze kleuren zoals geel, grijs, zwart en wit (onder andere).

Het is een van de elementen die het meest een groot aantal allotropen vertoont. Het kan worden gevonden als kleine, afzonderlijke moleculen van S ₂ of S ₃ ; als ringen of cycli, zijnde de orthorhombische en monokliene zwavel S ₈ de meest stabiele en overvloedige van allemaal; en als spiraalvormige kettingen.

Het wordt niet alleen in de aardkorst aangetroffen in de vorm van mineralen, maar ook in de biologische matrices van ons lichaam. Het zit bijvoorbeeld in de aminozuren cystine, cysteïne en methionine, in ijzerproteïnen, keratine en in sommige vitamines. Het is ook aanwezig in knoflook, grapefruit, uien, kool, broccoli en bloemkool.

Chemisch gezien is het een zacht element, en bij afwezigheid van zuurstof vormt het zwavelhoudende mineralen en sulfaten. Het brandt met een blauwachtige vlam en kan verschijnen als een amorfe of kristallijne vaste stof.

Ondanks dat het essentieel is voor de synthese van zwavelzuur, een sterk corrosieve stof, en onaangename geuren heeft, is het eigenlijk een goedaardig element. Zwavel kan in elke ruimte worden opgeslagen zonder grote voorzorgsmaatregelen, zolang branden worden vermeden.

Geschiedenis van zwavel

In de Bijbel

Zwavel is een van de oudste elementen in de geschiedenis van de mensheid; zo erg zelfs dat de ontdekking ervan onzeker is en het niet bekend is welke van de oude beschavingen het voor het eerst gebruikten (4000 jaar voor Christus). Op de bladzijden van de Bijbel kan hij het hellevuur en de hel vergezellen.

De veronderstelde geur van zwavel uit de hel zou te maken hebben met vulkaanuitbarstingen. De eerste ontdekker moet zeker mijnen van dit element zijn tegengekomen, zoals stoflanden of gele kristallen in de buurt van een vulkaan.

Oudheid

Deze gelige vaste stof vertoonde al snel opmerkelijke genezende effecten. Zo gebruikten de Egyptenaren zwavel om ontstekingen van de oogleden te behandelen. Het verlichtte ook schurft en acne, een toepassing die tegenwoordig te zien is in zwavelzepen en andere dermatologische producten.

De Romeinen gebruikten dit element in hun rituelen, als ontsmettingsmiddel en bleekmiddel. Als het verbrandt, komt er SO _{2 vrij} , een gas dat de kamers overstroomt, zich vermengt met de vochtigheid en een antibacteriële omgeving biedt die insecten kan doden.

De Romeinen ontdekten, net als de Grieken, de hoge brandbaarheid van zwavel, waardoor het synoniem werd met vuur. De kleur van de blauwachtige vlammen moet de Romeinse circussen hebben verlicht. Er wordt aangenomen dat de Grieken van hun kant dit element gebruikten om brandwapens te maken.

De Chinezen van hun kant leerden dat door het mengen van zwavel met salpeter (KNO ₃ ) en steenkool, ze het materiaal zwart poeder creëerden dat een historische wending zette en dat in de landen van die tijd grote eisen en belangstelling voor dit mineraal wekte.

Moderne tijden

Alsof buskruit niet genoeg reden was om zwavel te begeren, zwavelzuur en de industriële toepassingen ervan kwamen al snel op. En met de staaf van zwavelzuur werd de hoeveelheid rijkdom of welvaart van een land gemeten in relatie tot het niveau van consumptie van deze verbinding.

Pas in 1789 kon de briljante chemicus Antoine Lavoisier zwavel herkennen en het als een element classificeren. Toen ontdekte de Duitse chemicus Eilhard Mitscherlich in 1823 dat zwavel overwegend op twee manieren kan kristalliseren: rhombohedraal en monoklien.

De geschiedenis van zwavel volgde hetzelfde verloop van zijn verbindingen en toepassingen. Met het enorme industriële belang van zwavelzuur ging het gepaard met de vulkanisatie van rubbers, de synthese van penicilline, de exploitatie van mijnen, de raffinage van ruwe olie die rijk is aan zwavel, de voeding van bodems, enz.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

Brosse vaste stof in poeder- of kristalvorm. De kleur is dof citroengeel, het is smaakloos en heeft geen geur.

Vloeibaar uiterlijk

Vloeibare zwavel is uniek omdat de aanvankelijke gele kleur roodachtig wordt en intenser en donkerder wordt bij blootstelling aan hoge temperaturen. Als het brandt, geeft het helderblauwe vlammen af.

Molaire massa

32 g / mol.

Smeltpunt

115,21 ° C.

Kookpunt

445 ° C.

ontstekingspunt

160 ° C.

Zelfontbranding temperatuur

232 ° C.

Dichtheid

2,1 g / ml. Andere allotropen kunnen echter minder dicht zijn.

Molaire warmtecapaciteit

22,75 J / mol K

Covalente straal

105 ± 15 uur.

Elektronegativiteit

2,58 op de schaal van Pauling.

Polariteit

SS-bindingen zijn apolair omdat beide zwavelatomen dezelfde elektronegativiteit hebben. Dit maakt al zijn allotropen, cyclisch of kettingvormig, niet-polair; en daarom zijn zijn interacties met water inefficiënt en kan het er niet in worden opgelost.

Zwavel kan echter worden opgelost in niet-polaire oplosmiddelen zoals koolstofdisulfide, CS ₂ en aromaten (benzeen, tolueen, xyleen, enz.).

Ion

Zwavel kan verschillende ionen vormen, meestal anionen. De bekendste is zwavel, S ^2- . S ^2- wordt gekenmerkt door omvangrijk te zijn en heeft een zachte Lewis-basis.

Omdat het een zachte basis is, stelt de theorie dat het de neiging zal hebben om verbindingen te vormen met zachte zuren; zoals overgangsmetaalkationen, waaronder Fe ²⁺ , Pb ²⁺ en Cu ²⁺ .

Structuur en elektronische configuratie

De zwavelkroon

S8-molecuul, de meest stabiele en overvloedige allotroop van zwavel. Bron: Benjah-bmm27.

Zwavel kan in een grote verscheidenheid aan allotropen voorkomen; en deze hebben op hun beurt kristallijne structuren die onder verschillende drukken en / of temperaturen worden gemodificeerd. Daarom is zwavel een element dat rijk is aan allotropen en polymorfen, en de studie van zijn vaste structuren vertegenwoordigt een eindeloze bron van theoretisch-experimenteel werk.

Waarom zo'n structurele complexiteit? Om te beginnen zijn de covalente bindingen in zwavel (SS) erg sterk, en worden alleen overtroffen door die van koolstof, CC, en door die van waterstof, HH.

Zwavel heeft, in tegenstelling tot koolstof, niet de neiging om tetraëders te vormen, maar boemerangs; dat met hun hoeken vouwen en ring om de zwavelketens te stabiliseren. De bekendste ring van allemaal, die ook de meest stabiele allotroop van zwavel vertegenwoordigt, is S ₈ , de "zwavelkroon" (bovenste afbeelding).

Merk op dat alle SS-schakels in de S ₈ eruit zien als individuele boemerangs, wat resulteert in een ring met plooien en helemaal niet plat. Deze S _8- kronen werken samen door Londense krachten en oriënteren zichzelf zodanig dat ze structurele patronen creëren die een orthorhombisch kristal definiëren; genaamd S ₈ α (S-α, of gewoon orthorhombische zwavel).

Polymorfen

De zwavelkroon is een van de vele allotropen voor dit element. S ₈ α is een polymorf van deze kroon. Er zijn twee andere (onder de belangrijkste) genaamd S ₈ β en S ₈ γ (respectievelijk S-β en S-γ). Beide polymorfen kristalliseren tot monokliene structuren, waarbij S ₈ γ dichter is (gamma-zwavel).

Alle drie zijn gele vaste stoffen. Maar hoe krijg je elke polymorf afzonderlijk?

S ₈ β wordt bereid door S ₈ α te verwarmen tot 93 ° C, waarna het langzaam afkoelt om de overgang naar de orthorhombische fase (de α) te vertragen. En S ₈ γ, aan de andere kant, wordt verkregen wanneer S ₈ α smelt bij 150 ° C en het weer langzaam laat afkoelen; het is de dichtste van de zwavel-kroonpolymorfen.

Andere cyclische allotropen

De kroon S ₈ is niet de enige cyclische allotroop. Er zijn andere zoals S ₄ , S ₅ (analoog aan cyclopentaan), S ₆ (voorgesteld door een zeshoek zoals cyclohexaan), S ₇ , S ₉ en S _10-20 ; het laatste betekent dat er ringen of cycli kunnen zijn die tien tot twintig zwavelatomen bevatten.

Elk van hen vertegenwoordigt verschillende cyclische allotropen zwavel; en op hun beurt, om het te benadrukken, ze hebben verschillende polymorfe of polymorfe structuren die afhankelijk zijn van druk en temperatuur.

S ₇ heeft bijvoorbeeld maximaal vier bekende polymorfen: α, β, γ en δ. De leden of kronen van hogere molecuulmassa's zijn producten van organische synthese en overheersen niet in de natuur.

Zwavelkettingen

Zwavel ketting. Bron: OpenStax

Naarmate er meer zwavelatomen in de structuur worden opgenomen, neemt hun neiging tot ringvorming af en blijven de zwavelketens open en nemen ze spiraalvormige conformaties aan (alsof ze spiralen of schroeven zijn).

En zo ontstaat er een andere omvangrijke familie van zwavelallotropen die niet uit ringen of cycli bestaat, maar uit kettingen (zoals die in de afbeelding hierboven).

Wanneer deze SS-kettingen parallel in het kristal staan, vangen ze onzuiverheden op en definiëren ze uiteindelijk een vezelachtige vaste stof die vezelige zwavel of S-ψ wordt genoemd. Als er tussen deze parallelle ketens covalente bindingen zijn die ze met elkaar verbinden (zoals gebeurt bij het vulkaniseren van rubber), hebben we laminaire zwavel.

Wanneer zwavel S ₈ smelt, wordt een geelachtige vloeistoffase verkregen die donker kan worden als de temperatuur wordt verhoogd. Dit komt omdat SS-bindingen worden verbroken en daarom vindt een thermisch depolymerisatieproces plaats.

Deze vloeistof vertoont bij afkoeling plastische en vervolgens glazige eigenschappen; dat wil zeggen, een glasachtig en amorf zwavel (S-χ) wordt verkregen. De samenstelling bestaat uit zowel ringen als zwavelketens.

En wanneer een mengsel van de vezelige en laminaire allotroop wordt verkregen uit de amorfe zwavel, wordt Crystex geproduceerd, een commercieel product dat wordt gebruikt voor de vulkanisatie van rubber.

Kleine allotropen

Hoewel ze als laatste worden gelaten, zijn ze niet minder belangrijk (of interessant) dan de allotropen van hogere moleculaire massa's. De S ₂ en S ₃ moleculen zijn de gezwavelde versies van O ₂ en O ₃ . In de eerste zijn twee zwavelatomen verbonden met een dubbele binding, S = S, en in de tweede zijn er drie atomen met resonantiestructuren, S = SS.

Zowel S ₂ en S ₃ gasvormig. S ₃ toont een kersenrode kleur. Beiden hebben voldoende bibliografisch materiaal om elk een afzonderlijk artikel te behandelen.

Elektronische configuratie

De elektronenconfiguratie voor het zwavelatoom is:

3s ² 3p ⁴

Het kan twee elektronen krijgen om zijn valentie-octet te voltooien, en heeft dus een oxidatietoestand van -2. Evenzo kan het elektronen verliezen, te beginnen met twee in zijn 3p-orbitalen, waarbij zijn oxidatietoestand +2 is; als je nog twee elektronen verliest, met hun 3p-orbitalen leeg, is je oxidatietoestand +4; en als je alle elektronen verliest, is het +6.

Het verkrijgen van

Mineralogisch

Zwavel maakt deel uit van veel mineralen. Onder hen zijn pyriet (FeS ₂ ), galena (PbS), covelliet (CuS) en andere sulfaat- en sulfidemineralen. Door ze te verwerken kunnen niet alleen de metalen worden geëxtraheerd, maar ook de zwavel na een reeks reductiereacties.

Het kan ook op een zuivere manier worden verkregen in vulkanische openingen, waar het naarmate de temperatuur stijgt, smelt en bergafwaarts morst; En als het vuur vat, ziet het er 's nachts uit als blauwachtige lava. Door zware arbeid en zware lichamelijke arbeid kan zwavel worden geoogst, net zoals dat op Sicilië heel vaak werd gedaan.

Zwavel kan ook worden gevonden in ondergrondse mijnen, die zijn gemaakt om oververhit water te pompen om het te smelten en naar de oppervlakte te verplaatsen. Dit verkrijgingsproces staat bekend als het Frasch-proces, dat momenteel weinig wordt gebruikt.

Olie

Tegenwoordig is de meeste zwavel afkomstig uit de olie-industrie, omdat de organische verbindingen deel uitmaken van de samenstelling van ruwe olie en zijn geraffineerde derivaten.

Indien een ruw of geraffineerd product is rijk aan zwavel en hydro ondergaat, zal grote hoeveelheden H vrijkomen ₂ S (stinkende gas ruikt rotte eieren):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

De H ₂ S wordt vervolgens chemisch behandeld in het Clauss-proces, samengevat met de volgende chemische vergelijkingen:

3 O ₂ + 2 H ₂ S → 2 SO ₂ + 2 H ₂ O

SO ₂ + 2 H ₂ S → 3 S + 2 H ₂ O

Toepassingen

Enkele van de toepassingen voor zwavel worden hieronder en in algemene zin genoemd:

- Het is een essentieel element voor zowel planten als dieren. Het is zelfs aanwezig in twee aminozuren: cysteïne en methionine.

- Het is de grondstof voor zwavelzuur, een verbinding die wordt gebruikt bij de bereiding van talloze commerciële producten.

- In de farmaceutische industrie wordt het gebruikt voor de synthese van zwavelderivaten, waarvan penicilline de bekendste is.

- Maakt de vulkanisatie van rubbers mogelijk door de polymeerketens met SS-bindingen te verbinden.

- Zijn gele kleur en zijn mengsels met andere metalen maken het wenselijk in de pigmentindustrie.

- Gemengd met een anorganische matrix, zoals zand en rotsen, wordt beton en zwavelasfalt voorbereid ter vervanging van bitumen.

Risico's en voorzorgsmaatregelen

Zwavel is op zichzelf een onschadelijke, niet-giftige stof en vormt ook geen potentiële risico's, tenzij het reageert om andere verbindingen te vormen. De sulfaatzouten zijn niet gevaarlijk en kunnen zonder grote voorzorgsmaatregelen worden gehanteerd. Dit is echter niet het geval met zijn gasvormige derivaten: SO ₂ en H ₂ S, beide zeer giftig.

Als het zich in de vloeibare fase bevindt, kan het ernstige brandwonden veroorzaken. Indien het inslikken van grote hoeveelheden kan het de productie van H triggeren ₂ S in de darmen. Anders vormt het geen enkel risico voor degenen die erop kauwen.

Over het algemeen is zwavel een veilig element dat niet al te veel voorzorgsmaatregelen vereist, behalve om het uit de buurt van vuur en sterke oxidatiemiddelen te houden.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Laura Crapanzano. (2006). Polymorfisme van zwavel: structurele en dynamische aspecten. Natuurkunde .Université Joseph-Fourier - Grenoble I. Engels. fftel-00204149f
3. Wikipedia. (2019). Allotropen van zwavel. Hersteld van: en.wikipedia.org
4. Meyer Beat. (1976). Elementaire zwavel. Chemical Reviews, deel 76, nr. 3.
5. Dr. Doug Stewart. (2019). Feiten over zwavelelementen. Chemicool. Hersteld van: chemicool.com
6. Donald W. Davis en Randall A. Detro. (2015). Zwavel geschiedenis. Georgia Gulf Sulphur Corporation. Hersteld van: georgiagulfsulfur.com
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (11 januari 2019). 10 interessante zwavelfeiten. Hersteld van: thoughtco.com
8. Boone, C.; Bond, C .; Hallman, A.; Jenkins, J. (2017). Algemene informatieblad zwavel; National Pesticide Information Center, Oregon State University Extension Services. npic.orst.edu