Siarka oraz jej związki chemiczne

• Występowanie siarki w przyrodzie:

Siarka jako pierwiastek występujący w przyrodzie w stanie wolnym znana była już w starożytności. Stosowana była w lecznictwie, a palącą się siarkę wykorzystywano do dezynfekcji.

Siarka jest spotykana w przyrodzie zarówno w stanie wolnym, jak i pod postacią związków chemicznych. Siarka wolna (rodzima) może mieć pochodzenie wulkaniczne, jej pokłady mogły powstać także na skutek działania bakterii na różne związki chemiczne. Siarka jest bardzo rozpowszechniona w przyrodzie w postaci związków, a przede wszystkim siarczków, na przykład piryt FeS₂, galenit PbS, blenda cynkowa ZnS. Poza tym siarka jest spotykana w gazach wulkanicznych, gdzie występuje jako siarkowodór H₂S oraz tlenek siarki(VI) SO₂. Wchodzi ona również w skład węgli kopalnych (węgiel kamienny, węgiel brunatny, itd.), które zawierają około 1-1,5% tego pierwiastka.

Siarka to pierwiastek niezbędny do życia, ponieważ jest składnikiem aminokwasów (cysteiny i metioniny) oraz wielu ważnych związków, na przykład witamin.

Siarka podobnie jak węgiel, tlen i inne pierwiastki ulega w przyrodzie pewnym kolejnym przemianom, które tworzą zamknięty cykl. Rośliny pobierają z gleby rozpuszczalne siarczany, ponieważ siarka jest im niezbędna do budowy tkanek. Pewna część roślin stanowi pokarm zwierząt i człowieka, natomiast pozostała część ulega gniciu. Butwienie i gnicie roślin oraz zwierząt powoduje przechodzenie siarki w siarkowodór, a potem w siarczki, które następnie utleniają się do kwasu siarkowego i siarczanów, a te mogą z powrotem z gleby przedostać się do roślin.

Jedne z najbogatszych złóż siarki znajdują się w Polsce w okolicach Tarnobrzegu. Występująca w przyrodzie siarka jest mieszaniną izotopów 32 i 34, zawierającą ślady izotopów 33 i 36. Pozostałe izotopy są promieniotwórcze i wytworzone sztucznie.

• Właściwości fizyczne i chemiczne siarki:

W warunkach normalnych siarka jest ciałem stałym, krystalicznym o żółtym zabarwieniu. Temperatura topnienia siarki wynosi 112, 8°C, natomiast temperatura wrzenia ma wartość 444,5°C. Siarka stanowi zły przewodnik ciepła i prądu elektrycznego. Pierwiastek ten słabo rozpuszcza się w benzynie, alkoholu i eterze i nie jest rozpuszczalny w wodzie. Siarka nie jest zbyt aktywna pod względem chemicznym, ale tworzy bezpośrednio wiele związków chemicznych z niemetalami i metalami.

Siarka występuje w kilku odmianach alotropowych. Wyżej opisane właściwości wykazuje siarka rombowa, która jest trwała w warunkach normalnych. Ogrzewanie siarki rombowej powoduje jej powolne przechodzenie w odmianę jednoskośną, czyli pryzmatyczną. Temperatura, w której zachodzi to przejście to powyżej 95,6°C. Odwrotnie siarka jednoskośna poniżej temperatury 95,8°C przechodzi w odmianę rombową. Obydwie odmiany mogą istnieć obok siebie tylko w punkcie przejścia. Temperatura topnienia siarki jednoskośnej wynosi 119,2°C. Ogrzewana siarka rombowa topi się w temperaturze 112,8°C. Stopiona siarka jest na początku dosyć ruchliwą cieczą i ma barwę jasnożółtą. Przy dalszy stopniowym ogrzewaniu siarka przechodzi w temperaturze 160°C w odmianę ciemnobrunatną i tak zawiesistą, że nie można jej wylać z naczynia. Ta zawiesistość jest zachowana do temperatury 260°C, powyżej której staje się znowu ruchliwa, a w temperaturze 444,5°C siarka wrze. Powolne oziębianie powoduje przejście z powrotem przez wszystkie opisane wyżej odmiany. Jednak jeżeli ciekła siarkę (powyżej 260°C) nagle oziębimy poprzez wlanie jej do zimnej wody, wówczas otrzyma się tzw. siarkę plastyczną. Siarka plastyczna to bezpostaciowa odmiana siarki, która ma właściwości podobne do kauczuku, jest zatem elastyczna i ciągliwa. Przemiana siarki bezpostaciowej w krystaliczną zachodzi bardzo powoli w niskich temperaturach, natomiast nieco szybciej w wyższych. W odmianie rombowej atomy siarki są złączone ze sobą w postaci ośmioczłonowych pierścieni, tworząc cząsteczkę o wzorze S₈.

• Zastosowanie siarki:

Siarka znalazła zastosowanie w przemyśle oraz rolnictwie. Wykorzystywana jest do otrzymywania kwasu siarkowego, do produkcji zapałek, prochu strzelniczego, ultramaryny oraz do wulkanizacji kauczuku. Stosuje się ją także w lecznictwie, pirotechnice oraz jako środka do zwalczania pleśni. Używana jest też w cieplarniach i sadach (do zwalczani roślinnych pasożytów) oraz do produkcji włókien sztucznych.

• Związki siarki:

Siarka reaguje z wodorem tworząc siarkowodór H₂S. Jednak metoda otrzymywania siarkowodoru na skutek bezpośredniej syntezy z pierwiastków jest odwracalna i mało wydajna. W praktyce laboratoryjnej siarkowodór jest otrzymywany w aparacie Kippa na skutek reakcji kwasu solnego i siarczku żelaza. Siarkowodór jest to bezbarwny gaz o charakterystycznym nieprzyjemnym zapachu zgniłych jaj. Wdychanie niewielkich ilości tego gazu przyczynia się do wystąpienia bólów głowy, mdłości i zawrotów głowy. Wdychanie dużych ilości tego gazu może spowodować śmierć przez zatrucie. Siarkowodór jest gazem cięższym od powietrza. Słabo rozpuszcza się w wodzie. W powietrzu pali się niebieskim płomieniem.

Innym ważnym związkiem siarki jest tlenek siarki(IV). Otrzymywany jest na skalę laboratoryjna w wyniku reakcji wodorosiarczanu(IV) sodu z kwasem siarkowym(VI), albo w wyniku redukcji stężonego H₂SO₄ przy użyciu miedzi metalicznej. W warunkach normalnych dwutlenek siarki jest gazem o charakterystycznym drażniącym zapachu. Łatwo można go skroplić na bezbarwną ciecz. Ciekły tlenek siarki(IV) znalazł zastosowanie w chłodnictwie, ponieważ charakteryzuje się dużym ciepłem parowania. Jest on także stosowany jako rozpuszczalnik wielu substancji nieorganicznych i organicznych. Wodne roztwory tlenku siarki(IV) posiadają kwaśny odczyn i przewodzą prąd elektryczny. Jest to wynikiem powstawania kwasu siarkowego(IV) o wzorze H₂SO₃.

Kwas siarkowy(VI) to kolejny ważny związek zawierający siarkę. Bezwodny, czysty kwas siarkowy jest to bezbarwna, oleista ciecz. Kwas ten przy oziębianiu krzepnie w temperaturze -10,5°C. Temperatura wrzenia kwasu siarkowego(VI) to 338°C. Jest on trudno lotną cieczą i miesza się z wodą w każdym stosunku, tworząc roztwór, który jest znacznie trwalszy niż stężony kwas siarkowy. Podczas rozcieńczania kwasu siarkowego wydziela się duża ilość ciepła, dlatego czynność tę należy wykonywać bardzo ostrożnie. Stężony kwas siarkowy jest wykorzystywany jako środek osuszający, ponieważ silnie pochłania on wodę. Kwas ten znalazł bardzo wiele zastosowań. Jest on najważniejszym produktem nieorganicznego przemysłu chemicznego. Duże ilości kwasu siarkowego(VI) zużywa przemysł nawozów sztucznych. Jest on również stosowany do otrzymywania kwasu solnego, kwasu octowego i mrówkowego, barwników, środków farmaceutycznych i półproduktów organicznych. Znalazł także zastosowanie w koksownictwie, gazownictwie i przemyśle materiałów wybuchowych.