Pierwiastek z piekła rodem
Doświadczenie 1
Do emaliowanego garnuszka (nie wykorzystuj go już do celów spożywczych) wsyp 2–3 łyżki siarki granulowanej (dostępna w sklepach ogrodniczych). Ostrożnie podgrzewaj na najmniejszym płomieniu kuchenki. Obserwuj, co się dzieje. Wyłącz palnik natychmiast, gdy tylko cała siarka się stopi. Siarka nie jest łatwopalna, ale unikaj jej rozsypania, szczególnie na palnik. Zapalona płonie spokojnie, ale wydziela gryzące opary tlenków siarki. W takim przypadku zasyp ją sodą oczyszczoną i wywietrz pomieszczenie.
Wyjaśnienie: Siarka topi się w temperaturze 112– 119°C – zatem niewiele wyższej niż temperatura wrzenia wody. Dlatego do przemysłowego wydobycia siarki wykorzystuje przegrzaną do ponad 150°C wodę (podwyższone ciśnienie zapobiega wrzeniu w tej temperaturze). Wtłoczona w podziemny pokład siarki, upłynnia ją, a wtłoczone osobnym kanałem powietrze spienia i obniża gęstość, umożliwiając wypompowanie produktu na powierzchnię. Metodę tę opracował chemik Herman Frasch. Warto zwrócić uwagę, że stopiona siarka ma barwę czerwoną, ciemniejącą wraz z dalszym wzrostem temperatury.
Doświadczenie 2
Do emaliowanego garnuszka wsyp 3–4 łyżki siarki granulowanej i umieść w piekarniku nastawionym na 170°C. Postaraj się mieć dobry widok na topiącą się siarkę. Gdy uzyska ciemnobrązową barwę, otwórz piekarnik i ostrożnie wlej do garnuszka 60 ml wody. W gumowych rękawiczkach zbadaj konsystencję powstałego produktu.
Uwaga! Stan siarki trzeba cały czas monitorować. Nie wolno dopuścić do przegrzania cieczy, gdyż może ona spontanicznie zapalić się w temperaturze ok. 200°C. Jeśli to nastąpi, należy zasypać siarkę sodą oczyszczoną (1 opakowanie) i dobrze wywietrzyć pomieszczenie.
Wyjaśnienie: W temperaturze pokojowej siarka występuje w postaci krystalicznej (ośmioatomowe pierścienie). Powyżej 160°C następuje rozerwanie tych pierścieni, co uwalnia siarkowe „nici”, tworzące lepką ciemnobrązową ciecz. Jeśli taka ciecz zostanie gwałtownie schłodzona, to w efekcie powstanie tzw. siarka plastyczna – czerwonawy produkt o gumowatej konsystencji. Jest amorficzna, czyli podobnie jak szkło nie ma budowy krystalicznej. Jednak w ciągu kilku kolejnych godzin ta niestabilna forma siarki powoli krystalizuje, staje się krucha i żółta. Zjawisko powstawania plastycznej siarki opisali w 1953 r. Jacob Schenk i Jan Albert Prins.
Doświadczenie 3
W pojemniku na mocz zmieszaj 2 łyżki środka do udrożniania rur (bez aktywatora) zawierającego NaOH oraz kilkanaście granulek siarki. Zakręć pojemnik i odczekaj tydzień.
Wyjaśnienie: Wokół granulek siarki pojawia się żółtoczerwony płyn – to powstałe w reakcji wielosiarczki, czyli „nici” powiązanych atomów siarki, oflankowanych na końcu atomami sodu.
Doświadczenie 4
Do emaliowanego garnuszka wsyp 3 łyżki siarki granulowanej i włóż miedzianą mufkę (ze sklepu z artykułami wodno-kanalizacyjnymi). Podgrzewaj na najmniejszym płomieniu kuchenki, a gdy siarka się stopi, drewnianym patyczkiem nanieś ją na mufkę. Wyłącz ogrzewanie i poczekaj, aż mieszanina wystygnie. Przełóż mufkę do pojemnika na mocz, umieść na niej podobnej wielkości zgnieciony kawałek folii aluminiowej i zasyp 2–3 łyżeczkami soli kuchennej, dodaj łyżeczkę octu. Ostrożnie zalej wrzątkiem.
Wyjaśnienie: Siarka może reagować z metalami i ich tlenkami, tworząc siarczki, które budują wiele ciekawych minerałów (galena, sfaleryt). Występują one powszechnie w przyrodzie, często stanowiąc cenne rudy. W podwyższonej temperaturze na powierzchni tworzy się warstewka opalizującego czarnego siarczku miedzi. W pojemniku na mocz dochodzi do procesów elektrochemicznych, których efektem jest uwolnienie z siarczku metalicznej miedzi i siarkowodoru o charakterystycznym zapachu (zachowaj ostrożność, jest toksyczny, nie zaciągaj się nim), kojarzącym się ze zgniłymi jajami lub niektórymi wodami leczniczymi. Glin w folii jako metal bardziej aktywny elektrochemicznie łatwiej się utlenia, oddając elektrony konieczne do wydzielenia metalicznej miedzi i uwolnienia siarkowodoru.
Doświadczenie 5
Doświadczenie wykonuj w dobrze wentylowanym pomieszczeniu lub na świeżym powietrzu. Do pojemnika na mocz wsyp 4 łyżeczki granulek siarki i zalej 20 ml rozpuszczalnika nitro. Zakręć pojemnik, zostawiając trochę luzu, i umieść go w naczyniu z właśnie zagotowaną wodą. Gdy rozpuszczalnik przestanie wrzeć, a barwa roztworu będzie wyraźnie słomkowożółta, przelej płyn do nowego pojemnika na mocz, zakręć i umieść w zamrażalniku na 30 min. Dobrze wywietrz pomieszczenie.
Wyjaśnienie: Siarka nie rozpuszcza się w wodzie, jedynie trochę w niektórych rozpuszczalnikach organicznych – w tym w toluenie, głównym składniku nitro. Im wyższa temperatura, tym więcej może rozpuścić się siarki. Obniżenie temperatury do ok. –20°C (a tyle panuje w zamrażalniku) pozwala wydzielić rozpuszczoną siarkę w postaci połyskujących krystalicznych igiełek.
dr Paweł Jedynak
Popularyzator nauki i pracownik Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ w Krakowie. Bada nowe możliwości wykorzystania mikroorganizmów w biotechnologii i molekularne mechanizmy rozwoju roślin.
***
Uwaga!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.
***
Zestaw przyrządów i materiałów
soda oczyszczona, mufka miedziana, folia aluminiowa, pojemniki na mocz, sól kuchenna, 10-procentowy ocet spirytusowy, siarka granulowana (ogrodnicza), środek do udrożniania rur (z NaOH), patyczki do szaszłyków, rozpuszczalnik nitro
Niewliczone w cenę: rękawiczki i okulary ochronne, emaliowany garnuszek, źródło ciepła, zamrażarka, czajnik
Czas przygotowania: 4 godz.
Koszt: 45 zł
***
Uwaga!
Dzieci powinny wykonywać doświadczenia wyłącznie pod opieką dorosłych. Używaj okularów i rękawiczek ochronnych. Zachowaj ostrożność, pracując z gorącymi obiektami. NaOH ma działanie żrące – unikaj kontaktu ze skórą i oczami. Po zakończeniu doświadczenia wywietrz pomieszczenia. Niewielkie ilości siarki można wyrzucić do odpadów bio, aluminium i miedź do odpadów metalowych, rozpuszczalniki i odpady chemiczne przekazać do Punktu Selektywnej Zbiórki Odpadów Komunalnych.
***
Wiedza w pigułce
Zachwycający żywym błękitem lapis lazuli był używany po sproszkowaniu przez malarzy do kreowania szat Marii Dziewicy. Nawet nie podejrzewali oni, że niebiańska barwa wynika z obecności siarkowego anionorodnika. Siarkę kojarzymy raczej z piekłem. W Apokalipsie św. Jana szatan strącony zostaje do jeziora ognia i siarki – obrazu aż nazbyt kojarzącego się z aktywnością wulkaniczną. Duże złoża siarki rodzimej znajdziemy m.in. właśnie wokół wulkanów, gdyż wnętrze Ziemi skrywa ogromne (w porównaniu ze skorupą ziemską) jej ilości. W wysokiej temperaturze jest ona dodatkowo bardziej mobilna, a to dzięki stosunkowo niskiej temperaturze topnienia oraz wrzenia (do zagotowania siarki wystarczy zaledwie ok. 444°C).
Zdjęcia płonących zjawiskowym błękitnym płomieniem potoków płynnej siarki, wypływającej z indonezyjskiego wulkanu Kawah Ijen, obiegły cały świat. Ale gryzące opary i uciążliwe gorąco to codzienność ubogich górników zbierających tam „diabelskie złoto” tradycyjnymi metodami. Dla siarki ponoć narażali się też konkwistadorzy pod wodzą Hernána Cortésa, wspinając się na wulkan Popocatépetl. Bez tego składnika prochu dymnego historia podboju państwa Azteków mogłaby wyglądać zupełnie inaczej.
Dziś zapotrzebowanie na siarkę wcale nie maleje. Wykorzystywana bywa do leczenia chorób skóry, w ogrodnictwie (preparaty odkażające) czy w procesie wulkanizacji – siarka może łączyć (sieciować) cząsteczki kauczuku, tworząc wytrzymałą gumę. Alchemicy przypisywali jej mistyczne znaczenie i ogrzewając kryształy siarczanów (witrioli), pierwsi otrzymali stężony kwas siarkowy, kładąc podwaliny współczesnej chemii. Obecnie kwas siarkowy jest najczęściej produktem ubocznym wytapiania metali z rud siarczkowych lub odsiarczania spalin. Kwas ten stosowany jest m.in. w syntezie chemicznej, ale także jako elektrolit w akumulatorach samochodowych. Nadmiar tlenków siarki wydostający się do atmosfery może być przyczyną powstawania smogu typu londyńskiego i kwaśnych deszczy, ale... może też działać jak ekran odbijający światło i przeciwdziałający globalnemu ociepleniu. Bez siarki nie ma też życia – jest składnikiem niezbędnych aminokwasów. W mrocznych jaskiniach Ameryki Południowej znaleziono bakteryjne nacieki – snotyty – w których wytwarzanie energii przez mikroorganizmy polega na utlenianiu siarkowodoru do kwasu siarkowego.