گوگرد چیست: کاربرد و خواص
گوگرد
گوگرد چیست: گوگرد عنصر شیمیایی نافلز با عدد اتمی ۱۶ است که در کشاورزی و صنایع گوناگون کاربرد دارد. با گوگرد محصولات مهم و متنوعی تولید می‌شود. ضمنا گوگرد ماده معدنی مغذی و حیاتی برای انسان و گیاهان و جانوران است. گوگرد خالص بی‌مزه، بی‌بو و زردرنگ و در پوسته زمین فراوان است. گوگرد، هم از ذخایر سطحی زمین و هم از ذخایر زیرزمینی استخراج می‌شود اما بیشترین گوگرد دنیا به‌شکل محصول جانبی در صنایع نفت و گاز و طی فرآیند پالایش تولید می‌شود. در شرایط عادی گوگرد عمدتا به‌شکل مولکول S۸ است که از پیوند ۸ اتم گوگرد پدید می‌آید. در ادامه با جزئیات بیشتر توضیح می‌دهیم که گوگرد چیست و چه کاربردی دارد. لذا با خواص گوگرد، کاربرد گوگرد و فواید گوگرد بیشتر آشنا می‌شویم. (توضیح عکس ابتدای مقاله: ذخایر طبیعی و دست‌نخورده گوگرد)
به گوگرد در انگلیسی سولفور (sulfur یا sulphur) می‌گویند و آن را با نماد S نشان می‌دهند. در متون شیمی، ترکیباتی که نام‌شان حاوی یکی از واژه‌های «سولفور»، «سولفات»، «سولفید» یا مانند آن است، حاوی گوگرد هستند.
خواص گوگرد چیست: خواص شیمیایی و فیزیکی گوگرد
بعضی از خواص شیمیایی و فیزیکی گوگرد چنین است:
- عدد اتمی گوگرد ۱۶ است. یعنی هر اتم گوگرد در هسته خود ۱۶ پروتون دارد.
- گوگردِ خالص، بی‌مزه و بی‌بو و رنگش زرد روشن و مات است.
- گوگردی که ناخالصی‌های کربنی داشته باشد، هنگام جوشیدن سیاه می‌شود. حتی وجود ۰.۰۵ درصد ماده کربنی در گوگرد نیز تا حد زیادی رنگ آن‌را تیره می‌کند.
- گوگرد در دمای عادی به حالت جامد و بلوری است.
- گوگرد نافلز است.
- گوگرد عضو گروه شانزدهم جدول تناوبی عناصر است و با اکسیژن هم‌گروه است.
- چگالی گوگرد دو برابر چگالی آب است.
- گوگرد در آب حل نمی‌شود اما در دی‌سولفیدکربن بسیار راحت حل می‌شود.
- رنگ شعله گوگرد آبی است.
- گوگرد شانزدهمین یا هفدهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است. در واقع، ۰.۰۳۸۴ درصد پوسته زمین از گوگرد است.
- گوگرد دهمین عنصر فراوان در کیهان و منظومه شمسی است.
- میل ترکیبی الکترون گوگرد ۲۰۰ کیلوژول بر مول است.
- الکترونگاتیوی گوگرد ۲.۵۸ است.
- گوگرد تُرد و شکننده و سبک و نرم است.
- جابه‌جایی و نگهداری گوگرد باید با احتیاط انجام شود.
- گوگرد عنصر چندظرفیتی است.
- گوگرد مبرّد (سردکننده) است.
گفتنی است که گوگرد به شکل‌های مختلف در زمین یافت می‌شود. این ماده هم به‌شکل خالص در معدن، هم به‌شکل ترکیبات ارگانو در نفت و زغال سنگ، هم به‌شکل H۲S در گاز طبیعی و هم به‌شکل سولفیدها و سولفات‌های معدنی در طبیعت وجود دارد.
معمولا در ذخایر حاوی نفت سیاه نیز گوگرد وجود دارد. گوگرد اگر مرطوب باشد با هیدروژن ترکیب می‌شود و سولفید هیدروژن تشکیل می‌دهد و درنتیجه گوگرد خراب می‌شود. برای جلوگیری چنین آسیبی گوگرد را باید دور از رطوبت نگه داشت. ضمنا اگر گوگرد در معرض گرمای ملایم (مثل نور طبیعی و حتی گرمای بدن) قرار بگیرد، ممکن است ترک بردارد.
جدول مشخصات گوگرد
| عدد اتمی گوگرد |
۱۶ |
| نماد شیمیایی |
S |
| جرم اتمی |
۳۲.۰۶۵ گرم بر مول |
| آرایش الکترونی |
[Ne]3s۲, ۳P۴ |
| ترتیب دقیق آرایش الکترونی |
۱s۲, ۲s۲, ۲p۶, ۳s۲, ۳p۴ |
| حالت گوگرد در دمای عادی زمین |
جامد |
| دمای ذوب گوگرد |
۱۱۵.۲۱ درجه سانتی‌گراد |
| دمای جوش گوگرد |
۴۴۴.۶ درجه سانتی‌گراد |
| رنگ گوگرد خالص |
زرد روشن |
| رنگ شعله گوگرد |
آبی |
| تعداد کل ایزوتوپ‌ها |
۲۵ |
| تعداد ایزومرها |
۱ |
| تعداد ایزوتوپ‌های پرتوزا (رادیواکتیو) |
۲۰ |
| تعداد ایزوتوپ‌های پایدار |
۴ |
| میل ترکیبی گوگرد |
۲۰۰ کیلوژول بر مول |
| الکترونگاتیوی گوگرد |
۲.۵۸ |
تفاوت گوگرد و سولفور چیست: گوگرد همان سولفور است و هیچ فرقی با هم ندارند. در واقع گوگرد واژه فارسی و سولفور نام انگلیسی آن است. قاعدتا ما ایرانیان باید از واژه گوگرد استفاده کنیم.
شکل اتم گوگرد
گوگرد عنصرچهارضرفیتی است، یعنی هر اتم گوگرد در لایه ظرفیت خود چهار الکترون جفت‌نشده دارد. لذا گوگرد تقریبا همه عناصر دیگر را با ظرفیت ۲ یا ۴ یا ۶ ترکیب می‌کند.
شکل و فرمول مولکول گوگرد
فرمول مولکول گوگرد S۸ است، یعنی هر مولکول گوگرد ۸ اتم دارد، زیرا در شرایط عادی اتم‌های گوگرد مولکول‌های هشت‌اتمی حلقوی تشکیل می‌دهند.
ایزوتوپ‌های گوگرد چیست؟
به انواع اتم‌های یک عنصر که تعداد نوترون‌های متفاوت دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گویند. گوگرد ۲۵ ایزوتوپ طبیعی دارد که از میان آن‌ها فقط چهار ایزوتوپ، پایدارند. ایزوتوپ‌های پایدار گوگرد چنین هستند:
- ۳۲S: حاوی ۳۲ نوترون
- ۳۳S: حاوی ۳۳ نوترون
- ۳۴S: حاوی ۳۴ نوترون
- ۳۶S: حاوی ۳۶ نوترون
بعضی از ایزوتوپ‌های گوگرد نیز ایزوتوپ پرتوزا یا اصطلاحا رادیواکتیو هستند که از بین آن‌ها ایزوتوپ ۳۵S نیمه عمر نسبتا طولانی‌تری دارد که ۸۵ روز است. سایر ایزوتوپ‌های پرتوزای گوگرد همگی تا حد زیادی ناپایدار هستند.
کانی‌های گوگرد
بعضی از رایج‌ترین کانی‌های گوگرد عبارتند از:
- گچ (gypsum)
- پیریت (pyrite)
- باریت (barite)
- شنگرف یا سینابَر یا گوگرد سیماب (cinaabar)
- گالن (galena)
گوگرد همچنین در محیط طبیعی بویژه در نواحی استوا در اثر هوازدگیِ کانه‌های معدنی آزاد می‌شود. در حال حاضر گوگرد طبیعی را عمدتا از گاز طبیعی، نفت و ذخایر فسیلی استخراج می‌کنند.
رنگ گوگرد: زرد روشن و مات
رنگ گوگرد خالص زرد روشن است. اما اگر ناخالصی داشته باشد ممکن است رنگش کمی تغییر کند و برای مثال تیره‌تر باشد.
رنگ شعله گوگرد: آبی
رنگ شعله گوگرد آبی است، اما چرا؟ چون وقتی گوگرد می‌سوزد، مولکول‌های منفرد S۸ در اثر حرارت برانگیخته می‌شوند و نتیجتا انرژی ساطع می‌کنند. مولکول‌های S۸ نور آبی و بنفش از طیف نور الکترومغناطیسی را جذب می‌کنند. درنتیجه، مولکول برانگیخته S۸ تابش مرئی خود را بشکل نور آبی مایل به بنفش منتشر می‌کند.
شعله‌های آبی آتشفشانی
در مناطق آتشفشانی چنانچه گازهای گوگردی (سولفوریک) با گدازه‌های مذاب آتشفشان ترکیب شوند، رنگ گدازه را به آبی تغییر می‌دهند. گاهی به چنین پدیده‌ای گدازه آبی (blue lava) می‌گویند، اما آنچه به رنگ آبی می‌بینیم واقعا گدازه نیست بلکه گازهای گوگرد هستند که می‌سوزند و چون رنگ شعله گوگرد آبی است، طبیعتا گازهای گوگرد نیز در اثر دمای زیاد و مجاورت با اکسیژن شعله‌ور می‌شوند و با رنگ آبی می‌سوزند. گازهای گوگرد از شکاف‌های آتشفشان و با فشار زیاد بیرون می‌آیند. دمای گاز گاهی تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد و ارتفاع بعضی از شعله‌ها به ۵ متر نیز می‌رسد. بخارهای ناشی از سوختن گازهای گوگردی که در هوا منتشر می‌شوند، سمی هستند و اگر کسانی در آن حوالی باشند، باید ماسک گاز بپوشند.
یکی از معروف‌ترین نقاط جهان برای مشاهده شعله‌های آبی گوگردی، آتشفشان کاوا ایجن (Kawah Ijen) در جزیره جاوه در اندونزی است. وقتی هوا روشن است، رنگ شعله‌ها چندان مشخص نیست اما هوا که تاریک می‌شود، رنگ آبی شعله‌ها خودنمایی می‌کند.
آیا گوگرد در آب حل می‌شود؟
خیر، در شرایط عادی گوگرد در آب حل نمی‌شود زیرا مولکول‌های گوگرد با مولکول‌های آب واکنش نمی‌دهند.
گوگرد طبیعی غیرسمی است اما بعضی از ترکیبات آن خطرآفرین هستند
گوگرد طبیعی (گوگردی که در اثر تماس هیدروکربن‌ها با مواد معدنی گوگرددار در آب مایع تشکیل می‌شود) غیرسمی است اما هنگامی که در آب قرار بگیرد یا حرارت ببیند، محصولات جانبی (اسید سولفوریک و دی‌اکسید گوگرد) تولید می‌کند که تماس با آن‌ها یا استنشاق آن‌ها مضر است. پس باید مراقب باشید.
کشف گوگرد
گوگرد از زمان‌های قدیم عنصری شناخته شده بود. از قرن ششم قبل از میلاد حضرت مسیح علیه السلام در کیمیاگری هندی و همچنین در طب سنتی چین به کار می‌رفت. بعدها چینی‌ها برای ساختن باروت از آن استفاده کردند. در چین و یونان گوگرد با مواد ضدانگلی و موم پوست مخلوط می‌شد و به عنوان بخور سوزانده می‌شد. سرانجام لاوازیه در سال ۱۷۷۷ دریافت که گوگرد عنصر شیمیایی است و مشخصات شیمیایی آن را طبقه‌بندی کرد.
کاربرد گوگرد چیست؟
گوگرد در کشاورزی و صنایع مختلف کاربردهای مهمی دارد. ابتدا بعضی از موارد استفاده گوگرد را فقط نام می‌بریم و سپس شماری از آن‌ها را با جزییات بیشتر توضیح می‌دهیم.
بعضی از موارد کاربرد گوگرد:
- تصفیه آب
- در تولید کودهای کشاورزی
- تولید اسید سولفوریک
- تولید اسید هیدروفلوئوریک
- پالایش نفت
- سفیدکردن کاغذ
- تولید الیاف
- صنعت تولید رنگ
- استخراج مواد معدنی
- ولکانیزه کردن لاستیک سیاه
- داروسازی
- تولید مواد شوینده
- تولید فلزات غیرآهنی
- اسیدشویی فولاد
- ساخت باتری خودرو
- تولید سیمان
- تولید باروت
- تولید دی‌سولفید کربن
خواص گوگرد در کشاورزی چیست؟
گوگرد یکی از هفده ماده غذایی ضروری برای رشد گیاهان و تمام محصولات زراعی است. بعضی از فواید و خواص گوگرد برای گیاهان چنین است:
- تولید سبزینه (کلروفیل): گوگرد در گیاهان سبزینه (کلروفیل) تشکیل می‌دهد و سبزینه عامل انجام فتوسنتز در گیاهان است. گیاهان در اثر فرآیند فتوسنتز نشاسته، قندها، روغن‌ها، چربی‌ها، ویتامین‌ها و دیگر ترکیبات‌شان را تولید می‌کنند.
- تولید پروتئین: گوگرد ترکیبی از سه اسید آمینه‌ی سیستئین (cysteine)، سیستین (cysteine) و متیونین (methionine) است که اجزی سازنده پروتئین هستند.
- تشکیل روغن‌ها: گوگرد از عوامل مهمی است که گیاه به‌واسطه آن روغن تولید می‌کند. به‌همین سبب گیاهانی مثل ذرت و سویا و کلزا که دانه‌های روغنی تولید می‌کنند حتما باید به‌اندازه کافی با گوگرد تغذیه شوند.
- فعال‌سازی آنزیم‌ها: گوگرد آنزیم‌هایی را که به انجام واکنش‌های زیست‌شیمیایی در گیاه کمک می‌کنند، فعال می‌کند.
- افزایش بازده و بهبود کیفیت: تغذیه گیاه با گوگرد کافی، هم بازده محصول و هم کیفیتش را بهبود می‌دهد.
- بهبود درصد پروتئین و روغن در بذر: گوگرد مواردی مثل درصد پروتئین و روغن در بذر، کیفیت غلات برای آسیاب و پخت و ارزش غذایی علوفه دام را بهبود می‌دهد.
کاربرد گوگرد در تولید اسید سولفوریک چیست؟
گوگرد (سولفور) ماده اصلی در تولید اسید سولفوریک است و اسید سولفوریک از مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین مواد شیمیایی در دنیا است. سالانه میلیون‌ها تن اسید سولفوریک در دنیا تولید می‌شود. از اسید سولفوریک برای تولید فسفات‌ها و نیز کودهای گوگرددار (سولفاته) و نیتروژن‌دار و پتاسیم‌دار استفاده می‌شود. اسید سولفوریک در تولید کود و مواد مغذی برای محصولات زراعی بسیار کاربرد دارد. اسید سولفوریک سنگ فسفات را به محلول فسفات تبدیل می‌کند تا گیاهان بتوانند آن‌را جذب کنند. حدود ۹۰ درصد کودهای گوگرددار دنیا با همین روش موسوم به روش مرطوب تولید می‌شوند. اسید سولفوریک در تولید فسفات آمونیوم نیز به‌کار می‌رود که از دیگر کودهای مهم در کشاورزی است. همچنین در صنایع مختلف و برای تولید محصولات شیمیایی گوناگون از اسید سولفوریک استفاده می‌شود.
فواید گوگرد برای سلامتی چیست؟
گوگرد بعد از کلسیم و فسفر، فراوان‌ترین ماده معدنی موجود در بدن انسان است. تقریبا تمام گوگرد بدن از پروتئین‌ها استخراج می‌شود و از ۲۰ نوع اسید آمینه موجو در پروتئین‌ها فقط دو اسید آمینه یعنی متیونین (methionine) و سیستین (cysteine) حاوی گوگرد هستند. دو اسید آمینه دیگر موسوم به هوموسیستین (homocysteine و تائورین (taurine) نیز گوگرد دارند اما داخل پروتئین‌ها نیستند. گوگرد ماده مغذی مهم برای انسان و سایر جانداران است و ضمنا گندزدا است و خاصیت ضدعفونی‌کنندگی دارد و مُسَکِّن است. گوگرد از قدیم برای سم‌زدایی از بدن، تسکین التهاب، کاهش ورم و بهبود بیماری‌های پوستی و از بین بردن عفونت‌ها استفاده می‌شده است.
[هشدار]: گوگرد را هرگز نباید مستقیما به‌شکل خوراکی مصرف کرد، چون در آن‌صورت گوگرد به دی‌اکسید گوگرد یا تری‌اکسید گوگرد تبدیل می‌شود و یا طی واکنش شیمیایی در معده انسان، سولفید هیدروژن یا احتمالا اسید سولفوریک تولید می‌کند. تمام ترکیب‌های مذکور هم بوی بد دارند و هم برای بدن خطرناک هستند.
کدام غذاها گوگرد دارند؟
بهترین راه تامین گوگرد بدن، خوردن خوراکی‌ها و غذاهای حاوی این ماده غذایی است. انواع سیر، سبزی‌های چلیپایی (مثل کلم، گل‌کلم و کلم بروکلی)، پروتئین‌های حیوانی، لبنیات، حبوبات، آجیل و دانه‌های خوراکی (مثل دانه کتان، تخم کدو تنبل، تخم آفتابگردان و دانه کنجد) حاوی گوگرد هستند.
روش‌های استخراج گوگرد چیست؟
گوگرد خالص گاهی به‌شکل ذخایر معدنی در طبیعت یافت می‌شود اما استخراج گوگرد خالص از زمین طی سالیان گذشته کاهش یافته است. از اوایل قرن بیستم روش فراش (Frasch) در استخراج گوگرد رواج یافت که تا اواخر قرن بیستم ادامه داشت. اما سپس روش دیگری جایگزین شد که تا امروز نیز ادامه دارد و آن، بازیابی گوگرد از منابع نفت و گاز است. در این روش، ضمن پالایش نفت و گاز، چندین محصول جانبی نیز تولید می‌شود که یکی از آن‌ها گوگرد است. امروزه بیشترین گوگرد دنیا با همین روش تولید می‌شود. گفتنی است که در کارخانه‌های ذوب فلزات نیز طی فرآیند ذوب فلزات آهنی و غیرآهنی می‌توان اسید گوگرد یا همان اسید سولفوریک تولید کرد که از ترکیبات حاوی گوگرد است.
گوگرد در سیارات و قمرهای منظومه شمسی
همانطور که گفتیم گوگرد دهمین عنصر فراوان در منظومه شمسی است. بعضی از سیاره‌ها و قمرهای منظومه شمسی مقدار قابل‌توجهی گوگرد دارند. برای مثال مقدار گوگرد موجود در سطح عطارد بیش از مقدار گوگرد موجود در سطح زمین است. حتی احتمال می‌رود که هسته عطارد نیز مقداری گوگرد داشته باشد.
اما در میان اجرام منظومه شمسی، آیو (از قمرهای مشتری) منحصربه‌فرد است، زیرا بیش از هر جرم دیگری در منظومه ما گوگرد دارد. رنگ آیو زرد مایل به نارنجی است و علتش وجود گوگرد فراوانی است که طی میلیون‌ها سال گذشته از دهانه‌های آتشفشانی‌اش به بیرون فوران کرده و سطح قمر را پوشانده است.
گوگرد در ستاره‌های بزرگ و طی هم‌جوشی هسته‌ای بین هسته هلیوم و هسته سیلیسیم (سیلیکون) تولید می‌شود. در مناطق آتشفشانی گوگرد فراوانی می‌توان یافت. حلقه آتش اقیانوس آرام (Pacific Ring of Fire) یکی از ذخایر بزرگ گوگرد است. گوگرد طبیعی روی زمین در اثر فعالیت متابولیکی باکتری‌های بی‌هوازی که مواد معدنی سولفات را تجزیه می‌کنند تشکیل می‌شود.
طیف‌سنجی اتم گوگرد (خطوط طیفی گوگرد و طیف اتمی گوگرد)
اتم‌های هر عنصر خط طیفی منحصربه‌فردی دارند که چیزی شبیه اثر انگشت انسان است. لذا با بررسی هر خط طیفی و مشخص کردن جایگاه هر رنگ نور می‌توان متوجه شد که این خط طیف مربوط به چه عنصری است.
خط طیفی، خطی است که بعضی از نواحی آن تاریک و بعضی دیگر از نواحی آن نورانی هستند. خطوط طیفی نتیجه برهم‌کنش بین یک سامانه کوانتومی با یک پروتون منفرد است. چنین خطی ممکن است یا به‌شکل یک خط نشری یا به‌شکل خط جذبی مشاهده شود. خط نشری نشان می‌دهد که اتم عنصر کدام طول‌موج‌های نور (کدام رنگ‌ها از طیف نور) را منتشر می‌کند. خط جذبی نشان می‌دهد که اتم عنصر کدام طول‌موج‌های نور (کدام رنگ‌ها از طیف نور) را جذب می‌کند.
به چنین روشی طیف‌سنجی هم می‌گوییم. دانشمندان با همین روش می‌توانند ترکیبات شیمیایی هر محیط را شناسایی کنند. چندین عنصر از جمله هلیوم، تالیُم و سزیُم با همین روش یعنی طیف‌سنجی کشف شدند. جالب است بدانیم که اخترشناسان با کمک همین روش می‌توانند عناصر موجود در ستارگان و دیگر اجرام آسمانی را نیز شناسایی کنند. در زیر، تصویر طیف نشری و طیف جذبی اتم گوگرد را می‌بینید.
جمع‌بندی: گوگرد چیست و چه خواص و کاربردهایی دارد؟
توضیح دادیم که گوگرد چیست و گفتیم گوگرد عنصری شیمیایی با عدد اتمی ۱۶ است که در سلامتی انسان، گیاهان و جانوران نقش مهمی دارد. همچنین اشاره کردیم که از گوگرد برای تولید اسیدسولفوریک و به تبع آن، تولید کودهای زراعی بهره می‌برند. همچنین به ساختار اتم و مولکول گوگرد اشاره کردیم و ویژگی‌های این عنصر مثل دمای ذوب و دمای جوش آن را ذکر کردیم.
