Сі́рка, су́льфур (, хімічний знак — S) — хімічний елемент з атомним номером 16, що належить до 16-ї групи, 3-го періоду періодичної системи хімічних елементів. Проста речовина — сі́рка, неметал, жовта кристалічна речовина. Трапляється в природі в самородному стані та у вигляді сульфідів важких металів, піриту та інших. Сірку застосовують переважно у хімічній промисловості для виробництва сірчаної кислоти, синтетичного волокна, сірчистих барвників, димного пороху, у гумовій промисловості, також у сільському господарстві, фармацевтиці тощо.
Завдяки здатності створювати дисульфідні зв'язки, сірка виконує важливу роль у складі білків. Ртуть порушує ці зв'язки, тому вона є токсичною.
Походження назви Назва елемента походить або від санскритського «sulvere», або від латинського «sulfurium».
Історія Слово «сірка» походить з латини, що означає «палаючий камінь», і використовувалося майже як взаємозамінник терміну «вогонь». Через свою горючість сірку використовували для різних цілей щонайменше 4000 років тому (Cunningham 1935).»
Сірку використовували язичницькі жерці за 2000 років до народження Христа. Доримські цивілізації використовували палену сірку як ліки, а «цеглини» сірки використовували як фуміганти, відбілювачі та ладан у релігійних обрядах. Пліній повідомляв, що сірка була «найбільш унікальним видом землі та агентом великої сили для інших речовин», і мала «лікувальні властивості» (Cunningham 1935:17). Римляни використовували сірку або пари від її згоряння як інсектицид, а також для очищення хворої кімнати та очищення повітря від скверни (Cunningham 1935). Таке ж використання було описано Гомером у «Одіссеї» за 1000 рік до нашої ери.
Греки та римляни відкрили, що сірку можна використовувати для розпалювання вогню та піротехнічних вистав, пов'язаних з римським цирком. Римляни також експериментували з використанням сірки з дьогтем, каніфоллю, бітумом та іншими горючими речовинами. Їхня робота призвела до виробництва запальної зброї, але ці знання зниклі з занепадом Римської імперії. Хрестоносці, які повернулися зі Святої Землі на початку 1300-х років, привезли з собою знання про порох, який був розроблений китайцями за часів Конфуція шляхом змішування сірки з іншими речовинами (Yellow Magic 1937; Mason 1938; Shelton1979). Озброєні знаннями про порох, європейці вимагали все більшої кількості сірки, починаючи з 12 століття. Найбільший поштовх у промисловому використанні сірки збігається з зародженням хімії в 1700-х роках та визнанням сірчаної кислоти як важливої та універсальної мінеральної кислоти.
Елементарну природу сірки встановив Антуан Лавуазьє в своїх дослідах зі спалювання.
Наприкінці 1800-х років почав діяти процес Фраша – гірничодобувна техніка, яка дозволяє видобувати від 75% до 92% видобутої сірки соляних куполів (Bodenlos 1973: 615).
Загальна характеристика Сірка нестабільні ізотопи сірки з атомною масою 49.
Сірка належить до халькогенів, за новою класифікацією до 16-ї, а за старою до VI групи елементів періодичної таблиці. Сірка є неметалом.
Відомі кілька алотропних форм сірки. За звичайних умов стабільною є ромбічна сірка — блідо-жовтого кольору, з густиною 2070 кг/м³, tплав = 112,8 °С, tкип = 444,6 °С. У всіх рідких і твердих станах сірка діамагнітна. Термодинамічні та інші властивості сірки різко змінюються при 160 °C, що пов'язано зі зміною молекулярної будови рідкої сірки. В'язкість сірки з підвищенням температури сильно зростає (від 0,0065 Па•с при 155 °C до 93,3 Па•с при 187 °C), а потім падає (до 0,083 Па•с при 444,6 °C).
Сірка реагує майже з усіма металами.
Поширення в природі Сірка — досить поширений елемент, на нього припадає близько 0,1 % маси земної кори. Середній вміст сірки в земній корі 4,7•10−2 мас. %, при цьому основна кількість природної сірки зосереджена в осадових гірських породах (0,3 мас. %). У інших гірських породах середній вміст сірки такий: дуніти, перидотити, піроксеніти — 0,01 %; базальти, габронорити, діабази — 0,03 %; діорити, андезити — 0,02 %.
В природі сірка зустрічається як у вільному стані — так звана самородна сірка, але значно частіше зустрічається в зв'язаному вигляді, тобто у вигляді різних сполук. Найважливіші з них — залізний колчедан, або пірит FeS2, цинкова обманка ZnS, свинцевий блиск PbS, мідний блиск Cu2S, гіпс CaSO4 · 2H2O, мірабіліт Na2SO4 ·10H2O тощо.
Сірка міститься в кам'яному вугіллі і нафті, а також в усіх рослинних і тваринних організмах, оскільки входить до складу білків.
Вміст сірки в нафті і природному газі оцінюється в 2•109 т, тобто більше, ніж запаси природної сірки. Сірка в нафті присутня у різній формі, від елементної сірки і сірководню до сірчистої органіки, що включає понад 120 сполук. Основні сірковмісні речовини вуглеводневої сировини — сірководень, меркаптани та інші сіркоорганічні сполуки. Сировинною базою для одержання сірки є, як правило, гази з вмістом сірководню не менше 0,1 %.
Зазвичай самородна сірка зустрічається суцільною масою, заповнюючи тріщини і порожнини в гірських породах, або у вигляді натічних, кулястих і гніздоподібних аґреґатів, сталактитів, сталагмітів, нальотів, вицвітів, землистих порошкуватих скупчень. Нерідко вона утворює кристали, які часто згруповуються в зростки, друзи, щітки.
Сірка присутня і на деяких інших планетах Сонячної системи. Так, 30 травня 2024 року, роботизований ровер «Curiosity» виявив на поверхні Марсу в каналі Гедіз Валліс у кратері Ґейла кристали сірки в чистому виглядіВипадкове наукове відкриття: Марсохід Curiosity виявив кристали сірки на Марсі. // Автор: Олена Гриценко. 25.07.2024, 17:45.
Див. також Родовища самородної сірки.
Фізичні властивості
Сірка — кристалічна речовина жовтого кольору. Вона дуже крихка і легко розтирається в дрібнесенький порошок. Густина 2070 кг/м³. tплав = 112,8 °С, tкип = 444,6 °С. У всіх рідких і твердих станах сірка діамагнітна.
Зустрічається в трьох алотропних формах: дві кристалічні (ромбічна і моноклінна, за способом сполучення атомів у кристалі) і аморфна.
α-S (ромбічна) кристалічна модифікація, tплав = 112,8 °C, стійка до 95,6 °C, лимонно-жовта; β-S кристалічна модифікація, tплав = 119 °C, стійка при 95,6-119 °C, медово-жовта. До 160 °C молекули 8-атомні, в парах — 2-атомні (парамагнітна сірка), 4-, 6-, і 8-атомні. Вище 160 °C утворюються спіральні ланцюги μ-S пластичної сірки.
Електричного струму і тепла сірка майже не проводить. Пари сірки при дуже швидкому охолодженні переходять у твердий стан у вигляді дуже тонкого порошку (сіркового цвіту), минаючи рідкий стан. У воді сірка не розчиняється і не змочується водою, але в бензолі C6H6 і особливо в сірковуглеці CS2 розчиняється добре.
Алотропні модифікації Сірка – це елемент з найбільшою кількістю твердих алотропів (близько 30). Більшість із них складаються з нерозгалужених циклічних молекул з розмірами кілець, що містять від 6 до 20 атомів. + Алотропні модифікації сірки Характеристика Ромбічна сірка Моноклінна сірка Пластична сірка Кристалічна структура Ромбічна (октаедричні кристали) Моноклінна (довгі голчасті кристали) Аморфна (ланцюгова полімерна структура) Колір Лимонно-жовтий Темно-жовтий, медовий Темно-коричневий, бурий або чорний Температура плавлення 112,8 °C 119,3 °C Не має чіткої температури (розм'якшується) Густина 2,07 г/см³ 1,96 г/см³ 2,046 г/см³ Стабільність Найстійкіша за кімнатної температури (до 95,6 °C) Стабільна лише в інтервалі від 95,6 °C до 119,3 °C Нестабільна (з часом самочинно кристалізується в ромбічну) Молекулярна формула (кільцева) (кільцева) (довгі відкриті ланцюги) Фізичні властивості Тверда, крихка Крихка Еластична, гумоподібна, тягуча
Ізотопи
Див. Ізотопи сірки
+ Основні ізотопи сірки S Нуклід Z (p) N (n) Маса ізотопу (а.о.м.) Період напіврозпаду Режим розпаду Дочірній ізотоп Спін і парність ядра Поширеність у природі (мольна частка) 32S 16 16 31,97207100(15) Стабільний 0+ 0,9499(26) 33S 16 17 32,97145876(15) Стабільний 3/2+ 0,0075(1) 34S 16 18 33,96786690(12) Стабільний 0+ 0,0425(24) 35S 16 19 34,96903216(11) 87,51 дн. β− 35Cl 3/2+ trace 36S 16 20 35,96708076(20) Стабільний 0+ 0,0001(1) 38S 16 22 37,971163(8) 170,3 хв. β− 38Cl 0+ штучний
Джерело: https://internetri.net/qntm/2021/09/26/poshyrenist-izotopiv-v-pryrodi-i-yih-masa/
Основний та збуджений стан атома + Збуджені стани атома Сульфуру Стан атома Електронна формула зовнішнього рівня Неспарені Валентність Основний 2 II 1-й збуджений 4 IV 2-й збуджений 6 VI
Графічні електронні формули зовнішнього рівня Сульфуру
Основний стан (Валентність II) ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 3s 3p 3d
1-й збуджений стан (Валентність IV) ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ 3s 3p 3d
2-й збуджений стан (Валентність VI) ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 3s 3p 3d
Хімічні властивості Маючи в зовнішньому шарі шість електронів: (+16), 2,8,6 — атоми сірки проявляють властивості окисника і, приєднуючи від атомів інших елементів два електрони, яких їм не вистачає до повністю заповненої зовнішньої оболонки, перетворюються в негативно двовалентні іони: S0 + 2е = S2-. Але сірка — менш активний окисник, ніж кисень, оскільки її валентні електрони віддаленіші від ядра атома і слабіше з ним зв'язані, ніж валентні електрони атомів кисню. На відміну від кисню сірка може проявляти властивості і відновника: S0 — 6e = S6+ або S0 — 4e = S4+. Відновні властивості сірки виявляються при взаємодії з сильнішим від нього окисником, тобто з речовинами, атоми яких мають більшу спорідненість до електрона.
Сірка може безпосередньо реагувати майже з усіма металами (за винятком благородних), але переважно при нагріванні. Так, якщо суміш порошків сірки й заліза нагріти хоч в одному місці, щоб почалася реакція, то далі вся суміш сама собою розжариться (за рахунок теплоти реакції) і перетвориться в чорну крихку речовину — моносульфід заліза: Fe + S = FeS Суміш порошків сірки й цинку при підпаленні реагує дуже бурхливо, зі спалахом. Внаслідок реакції утворюється сульфід цинку: Zn + S = ZnS Із ртуттю сірка реагує навіть при звичайній температурі. Так, при розтиранні ртуті з порошком сірки виникає чорна речовина — сульфід ртуті (ІІ): Hg + S = HgS Реагує із алюмінієм при нагріванні: 2Al + 3S-> Al2S3 При високій температурі сірка реагує також з воднем з утворенням сірководню: H2 + S = H2S.
При взаємодії з металами і воднем сірка відіграє роль окисника, а сама відновлюється до іонів S2- Тому в усіх сульфідах сірка негативно двовалентна. Сірка порівняно легко реагує і з киснем. Так, підпалена сірка горить на повітрі з утворенням діоксиду сірки SO2 (сульфітного ангідриду) і в дуже незначній кількості триоксиду сірки SO3 (сульфатного ангідриду). S + O2 = SO2 2S + 3O2 = 2SO3 При цьому окисником є кисень, а сірка — відновником. У першій реакції атом сірки втрачає чотири, а в другій — шість валентних електронів, внаслідок чого сірки у сполуці SO2 позитивно чотиривалентний, а в SO3 — позитивно шестивалентний.
Сполуки сірки
Органічні похідні
Головними класами органічних похідних сірки є:
тіоли RSH, (їх ще називають меркаптанами), тіоетери R-S-R', сульфоксиди R-S(=O)-R', похідні сульфатної кислоти R-O-SO2-O-R', сірковмісні гетероциклічні сполуки.
Сірка входить до складу білків, сірковмісних амінокислот (цистеїн, цистин, метіонін), є складовою частиною сульфгідрильних груп (), гормонів (інсулін), вітамінів (вітамін В1). Багато сірки у каротині волосся, шерсті, кістках, нервовій тканині тощо. У організмі сірка окислюється з утворенням ендогенної сірчаної кислоти, яка бере участь у нейтралізації отруйних сполук, які утворюються у кишечнику з амінокислот (фенол, крезол, скатол, індол), а також чужорідних сполук, наприклад лікарських препаратів. Тіоли проявляють захисні властивості відносно окисників й активних радикалів. При м'якому окисленні тіолів відбувається утворення дисульфідів: