Circuitul Biogeochimic al Sulfului

I.Istoric

În anul 900 î.Hr., Homer menționează în Iliada și în Odiseea, despre arderea sulfului pentru fumigari la dezinfecții. Bioxidul de sulf se mai întrebuința la înălbirea unor țesături.

În textele asiriene, din biblioteca lui Assurbanipan din Ninive (668- 626 i.Hr.), s-a specificat faptul că sulful se obținea din apele izvoarelor fierbinți de pe malul Tigrului.

În Biblie, este menționat sulful în sensul că orașele Sodoma și Gomora ar fi fost nimicite de o ploaie de sulf, probabil, provocată de o erupție vulcanică.

Pliniu a arătat că dacă se arde sulf la întuneric, flacăra sa lividă va transmite pe fețele asistenților paloarea mortii.

Alchimiștii arabi numeau sulful "Kibrit" și susțineau că toate metalele sunt formate din Kibrit (sulf) sau "zibak" (sulf și mercur). Această idee avea să fie reluată, mai târziu, de Becher și Stahl, la baza teoriei flogistice. Sulful era privit ca unul din "elementele" metalelor. Termenul general de sulf dsemnează o întreagă grupă de substanțe diferite, dar cu proprietatea de a arde. În perioada alchimiștilor arabi, se considera că toate corpurile combustibile sunt o condensare a materiei focului, sulful fiind un "principiu al focului".Din acest motiv, proprietățile sulfului și a altor combinații ale sale (SO2) au fost intens cercetate în Evul .

Apariția prafului de pușcă, al cărui descoperitor este considerat a fi călugărul Roger Bacon (1210 – 1292), care ar fi obținut sulful pe baza unor rețete alchimice arabe găsite la Paris în timpul celor 10 ani cât a stat în capitala Franței. Rețeta acestui praf de pușcă era, inițial, cea de 75 părți de KNO3( azotat de potasiu), 12 părți sulf și 13 părți cărbune. Mai târziu, azotatul de potasiu a fost înlocuit cu clorat de potasiu (KClO3).

II. Caractere generale

Fig.1.Imagine sulf-http://www.health-andthecity.ro

Sulful are ca simbol chimic litera S și număr atomic 16.Masa atomică a sulfului este 32 și are în constituția sa 16 protoni și 16 neutroni.

De asemenea, sulful prezintă 5 izotopi: S32,S33, S34, S35, S36, dintre care doar S-35 nu este stabil.Perioada acestuia de înjumătățire este de 87,2 zile.

În stare nativă, sulful s-a format mai ales în regiunile vulcanice, sub formă de hidrogen sulfurat și dioxid de sulf. El este amestecat cu roci calcaroase, ghips, nisip și reprezintă 0,0052 % din litosferă. În apa mărilor se găsește în proporție de 0,009%.

Este un nemetal multivalent răspîndit în natură(zăcăminte sau izvoare sulfuroase). Se găsește și ca element pur, dar mai ales în compuși chimici, de exemplu sulfați și sulfuri. Este un element esențial în fiziologia organismelor vii.Intră în componența a numeroase substanțe de interes economic: acid sulfuric, îngrășăminte, praf de pușcă, chibrituri, insecticide, fungicide, baterii, detergenți, cauciuc vulcanizat, etc. Prezintă o moleculă alcătuită din 8 atomi de sulf, dispuși într-o forma de coroană.

Este o substanță solidă , de culoare galbenă, insolubilă în apă, dar solubilă în sulfură de carbon, bezen și petrol, densitatea ei este mai mare decât apa.Este un slab conductor termic și electric, este casant și se prezintă sub două forme cristaline diferite: rombic și monoclinic, iar încălzit se topește ușor și devine vâscos.Sulful turnat în apă rece se transformă într-o masă elastică de culoare brună.

Cantități mari de sulf există sub formă combinată, în principal, sub formă de sulfuri metalice: Fe2S( pirită), ZnS ( blendă), Sb2S3( stibină, Mo2S( molibdenită), CuS ( calcozină), Cu2SFe2S3 ( calcopirită) și sulfați, ca de exemplu BeSO4( baritină).

Sulful se găsește și în unele substanțe organice cum ar fi petrolul, cărbunii, plantele și chiar animalele. El este un element constitutiv al organismului; astfel, unele proteine conțin 0,8 – 2,4 % S legat chimic. Mirosul pătrunzător al unor plante, cum este ceapa, usturoiul, se datorează unor combinații cu S ( mercaptani și sulfuri) rezultate din proteine.

II. Forme chimice ale sulfului în natură

II.1.Dioxid de sulf- SO2

Fig.2.Structură dioxid de sulf (SO3)-http://fashions-cloud.com/

Dioxidul de sulf –SO2- este anhidrida acidului sulfuric H2SO4. El este un gaz incolor, iritant al mucoaselor, cu un miros înțepător și gust acrișor. Gazul este toxic, se dizolvă bine în apă, formând acizi sulfuroși. Dioxidul de sulf ia naștere prin arderea materialelor fosile ce conțin 4% sulf, ca și cărbuni sau petrol. Aceste procese duc la poluarea intensă a mediului fiind cauza ploilor acide.

II.2. Acidul sulfuric – H2SO4

Fig.3.Structură dioxid de sulf (SO3)-http://fashions-cloud.com/

Acidul sulfuric apare în natură în unele regiuni vulcanice, unde dizolvă apele din apropierea lor ca rezultat al reacției dintre vaporii de apă supraîncălzită și sulfatul de fier(FeSO4) sau de cupru(Cu(SO4)3.

De asemenea , se poate forma și în aer umed, datorită oxidării lente a sulfului la acid sulfuric. Unele molușute secretă mici cantități de acid sulfuric

III. Proprietățile fizice și chimice ale sulfului

Sulful este o substanță solidă, de culoare galbenă, insolubilă în apă, dar solubilă în sulfura de carbon, benzen, toluen sau petrol; acesta are densitate mai mare decât a apei, este rău conducător termic și electric (adică este un izolator), este casant (de duritate mică), și se prezintă sub două forme cristaline diferite (rombic, monoclinic). La încălzire, sulful se topește ușor și astfel devine vâscos, iar turnat în apă rece se transformă într-o masă elastică de culoare brună.

III.1.Proprietăți chimice

Reacția Sulfului cu metale, în urma cărora se formează sulfuri:

2 Al+3S→Al2S3

Hg+S→HgS (www.scribd.com)

Reacția S cu hidrogenul, în urma căreia se formează hidrogenul sulfurat sulfura de hidrogen sau acidul sulfhidric.

S+H2→H2S (www.scribd.com)

Reacția S cu oxigenul, în timpul căreia sulful arde cu o flacără albastră, concomitent cu formarea SO2. Acesta are un miros ciudat, sufocant, de pucioasă arsă.

III. Circuitul biogeochimic al sulfului în mediul înconjurător

Fig.4.Circuitul sulfului în natură-http://www.scritub.com/

Circuitul sulfului în scoarța terestră a fost amplu studiat de la începutul revoluției industriale.În ciuda dezbaterilor profunde referitoare la teoria acestuia, există incertitudini în legătură cu emisiile antropice în atmosferă și în legătură cu extracția și folosirea minereului, cât și a emisiilor de S.

Există o importantă analogie între S și N, microorganismele influențând circuitul lor biogeochimic.Fiecare element tinde să fie prezent în organismele vii, într-o măsură mai mare sau mai mică: N-3, gruparea aminoacizilor, NH2, S-2, dar și gruparea sufhididelor(SH).

Sulful este un constituient secundar al proteinelor și aminoacizilor, capacitatea acestuia de a se constitui sub formă de S-S permițând o conexiune în proteine prin legăturile disulfate.

Dacă S este descopus de bacterii, primul produs rezultat este acidul sulfuric(H2S).

R-SH H2S + RH (Benciu F., 2012)

H2S se oxidează rapid în formă de SO2, iar apoi apare sub formă de SO42-.Acidul sulfuros este, de cele mai multe ori, asociat cu sedimentele anaerobe din mlaștinile și mâlul marin, dar poate fi eliminat și drept gaz în atmosferă.

Fig.6.Moleculă de acid sulfuros (H2S văzută tridimensional-http://fashions-cloud.com/

Culoarea neagră a multor sedimente se datorează prezenței sulfurilor de fier, dar și a resturilor organice.

2Fe(OH)3 + 3H2S 2FeS + S + H2O

FeS + S FeS2 (Benciu F., 2012)

Asocierea sulfurilor, mai ales a piritei, cu sedimentele marine, pot conduce la apariția procesului de aciditate, deoarece acestea sunt expuse condițiilor exogene, oxidarea sulfului conducând la formarea H2SO4.

2FeS2 + 2H2O + 7O2 2FeSO4 + 2H2SO4 (Benciu F., 2007)

Dioxidul de sulf (SO2) apare, în atmosferă, datorită activităților antropice și naturale, reacții ce implică un număr de radicali liberi de NO, HSO3, HSO4), specii ce sunt reactive și conțin un singur electron pe ultimul strat.Aceștia se formează în atmosferă, prin numeroase reacții, în prezența radiațiilor UV(fotoliză), legătura covalentă fiind ruptă de absorbția radiațiilor solare.

Amestecul de SO2 și de SO42- are o durată medie de viață, în atmosferă, de 2-6 zile și poate străbate până la 4000 km.Majoritatea oxizilor de S ce vor intra într-o pătură de ploaie sunt eliminați la maxim 200 km.

Cele mai mari concentrații de sulf domină orașele mari, iar în zonele rurale sunt prezente cantități mici ale acestui element chimic.În zonele rurale, cantitatea de sulf poate ajunge la 10-20% din valoarea cocnentrației din zona urbană.

Extinderea ploilor acide se datorează folosirii hornurilor înalte care cauzează o dispersie mai mare.Un nivel de SO2 mai ridicat de 500 mg/m3(concentrație ce reprezintă media zilnică) și un nivel al fumului degajat ce depășește 250 µg/m3 va afecta pe cei ce suferă de astm, bronșită.Dioxidul de sulf reacționează mai lent în perioada secetei.

Măsuri de remediere a problemei concentrației de S.

Sursa frecventă de apariție a ploilor acide este arderea combustibililor acizi.

Conținutul de S din cărbune este de 0,6%, din păcură de 0,75-3%, din petrol de 0,04% și din motorină de 0,22%.Gazul natural este fără sulf.

Astfel, o concentrație de 61% S provine din arderea cărbunilor, o concentrație de 1,5% S din topirea minereurilor de blendă și galenă, 25% S din procesare țiței, iar 10% S din topirea minereurilor de calcopirită.De remarcat este faptul că cea mai ridicată concentrație de sulf se obține în urma arderii cărbunilor.

III.1.Desulfurarea gazelor de ardere

Se aplică, cu ușurință, în cazul topirii unde, concentrațiile de oxizi de S din gaze poate fi relativ mare și este posibilă conversia directă în H2S.Concentrația specifică oxizilor de S trebuie să se găsească în intervalul 5-15%.

În cazul arderii combustibililor minerali, concentrația componenților pe bază de S, este de obicei, mai mică de 0,3%, acestea putând fi epurate cu soluții alcaline sau suspensii alcătuite din diferiți compuși.

III.2.Desulfurarea combustibililor

Un procent de 50% din sulful din cărbune este prezent sub formă de pirită (FeS2).O concentrație de 80% din aceasta ar putea fi îndepărtată prin măcinarea cărbunelui, folosind tehnici de separare adecvate.

Îndepărtarea sulfului de natură organică este un procedeu mult mai dificil decât a celui natural, acesta cerând transformarea cărbunelui în combinații gazoase sau lichide.

Petrolul poate fi desulfurat, în rafinării, prin extinderea tehnicilor care sunt utilizate pentru îndepărtarea parțială a S, dar costul acestui proces este destul de mare.

III.3.Substituirea combustibililor

Procedeul are la bază folosirea de combustibili cu nivel scăzut de sulfuri, respectiv de gaze naturale, înlocuirea stațiilor care funcționează pe bază de combustibil mineral cu cele nucleare și introducerea surselor de energie alternativă(energie solară, energia valurilor, energia geoterrmală, energia eoliană)

Acțiunea biologică a SO2 se bazează că în contact cu umiditatea din atmosferă se poate forma acid sulfuros, sau se poate oxida la SO3 .SO3 împreună cu H2O conduce la formarea H2SO4.

Efecte dăunătoare asupra plantelor

Sulful poate ataca clorofila din plante și, de asemenea poate influența precipitarea taninului, absorbția acestuia desfășurându-se în funcție de activitatea fotosintetică, de conținutul de apă și de substanțele alcaline ce participă la proces.Ca indicatori biologici ai poluării cu SO2 se remarcă lichenii și mușchii pentru că absorb o cantitate ridicată de apă.

IV. Curiozități

Sulful este esențial pentru sănătatea părului, pielii și unghiilor, el fiind elementul chimic ce ajută la menținerea balanței de oxigen necesară pentru buna funcționare a creierului. Conlucrează cu vitamina B, complex iîn metabolismul bazal și este o parte importantă a aminoacizilor responsabili cu formarea țesuturilor. Nu s-au stabilit doze necesare, dar un regim alimentar bogat în proteine furnizează cantitatea necesară de sulf.

Alimentele bogate in proteine, precum carnea si pestele, anumite ape, ca si aerul, ne furnizeaza sulful.

Sulful intervine în acțiunile asupra agenților toxici, este legat de proteinele specializate în fabricarea țesutului osos și de cele cu rol în sănătatea unghiilor și a părului, dar se fixează în mai multe toxine, pe care le transformă în substanțe chimice care nu mai sunt toxice.

În concluzie, sulful este benefic pentru o bună funcționare a organismelor vii, dar în concentrații ridicate poate provoca afecțiuni ale acestora, în special afecțiuni asupra sănătății omului. În concentrații ridicate, sulful prezent, în natură, sub diferite combinații, cele mai importante fiind SO2, H2SO4, H2S poate provoca poluarea acesteia.

V.Bibliografie

Benciu F.(2007).Biogeochimie.București:Ed.Didactică și Pedagogică R.A.

Benciu F.(2012).Cicluri globale biogeofizice.București.Ed:Pro Universitaria

http://fashions-cloud.com/

http://www.health-andthecity.ro

http://www.scritub.com/

http://www.health-andthecity.ro

www.scribd.com

ejournal.eduprojects.net

aurelianlupu.blogspot.ro

viataverdeviu.ro