לגופרית שימושים תעשייתיים. התרכובת החשובה ביותר היא חומצה גופרתית (H2SO4) המכונה גם "סוס העבודה של התעשייה הכימית". חומצה גופרתית מופקת בארצות הברית בכמויות גדולות יותר מכל כימיקל אחר. לגופרית שימוש בייצור סוללות, דטרגנטים, גומי (הטיפול בגופרית נקרא גיפור), גפרורים, אבק שרפה, זיקוקים ודשני זרחן; היא משמשת כחומר משמר ביין, חומר קוטל פטריות, וחומר להלבנת נייר. לנתרן או אמוניום תיוסולפט שימוש בתור חומר מקבע בצילום. למלח אנגלי (מגנזיום גופרתי, MgSO4·7H2O) שימוש ברפואה בתור חומר משלשל וכתוסף דישון לצמחים.
תפקיד ביולוגי.
גופרית היא חומר חיוני לכל היצורים החיים: חומצות האמינו ציסטאין ומתיונין מכילות גופרית, ולפיכך כל הפוליפפטידים, החלבונים והאנזימים המכילים את חומצות האמינו הללו – מכילים אותה. ל"גשרי גופרית" (קשרים דיסולפידיים בין שיירי ציסטאין) חשיבות רבה בעיצוב התלת-ממדי של חלבונים ובייצובם. כמה סוגי חיידקים משתמשים במימן גופרתי (H2S) במקום מים בתור תורם פרוטונים בתהליך פרימיטיבי שמזכיר את הפוטוסינתזה. בנוסף אחד הסוגים של הם, הם c, מכיל שני אטומים של גופרית.
גופרית נקלטת על ידי צמחים מהאדמה בצורת יוני גופרה (סולפט, SO42-). ראו גם: מחזור הגופרית.
תרכובות ושמות.
בכימיה, ובמיוחד בכימיה אורגנית, משמשות שתי קידומות לציון גופרית:
סביבה.
שריפת פחם ונפט על ידי מפעלי תעשייה ותחנות כוח משחררת כמויות עצומות של גופרית דו-חמצנית (SO2). חומר זה מגיב עם החמצן והמים שבאטמוספירה ויוצר חומצה גופרתית. חומצה זו יוצרת גשם חומצי ולאחר מכן מורידה את רמת ה-pH של האדמה ושל מקווי מים. בדרך כלל בדלק תקני הגופרית מזוקקת מדלק המאובנים על-מנת למנוע תופעה זו.
היסטוריה.
גופרית (בלועזית: Sulfur, כנראה משורש הודו-אירופי קדום שמשמעותו "לבעור") ידועה מימי קדם ואף הוזכרה בתורה. הומרוס (מחבר האיליאדה והאודיסיאה) הזכיר בכתביו "גופרית מזיקה לצמחים". הרופא הירושלמי אלתמימי בן המאה העשירית מתאר מסחר בגופרית מים המלח במרחב הארץ ישראלי. במאה ה-12 הסינים המציאו את אבק השרפה, שהוא תערובת של אשלגן חנקתי (KNO3), פחמן וגופרית. אלכימאים נתנו לגופרית סימול מיוחד – צלב שבראשו משולש. ב-1770 אנטואן לבואזיה שכנע את הקהילה המדעית שגופרית היא יסוד ולא תרכובת. ב-1867 התגלתה גופרית במרבץ תת-קרקעי בלואיזיאנה בטקסס.
בימי השלטון הבריטי בארץ ישראל.
בשנת 1930 קיבל האנגלי ל.ל. ויליאמס רישיון לניצול הגופרית מדרום-מזרח לעזה. הוא יסד חברה אנגלית-ערבית בשם "החברה הארצישראלית למכרות גפרית בע"מ" (Palestine Sulphur Quarrie).
עד שנת 1936 הגיעה התפוקה ל-5,767 טונה. בשנת 1938 ירדה התפוקה ל-1,225 טונה. עומק המכרות הגיע ל-20 מטר וריכוז הגופרית הגיע ל-98%. הגופרית נשלחה לשוקי מצרים, טורקיה, יוון ו-הודו. מקצתה נמכרה גם בארץ-ישראל ובסוריה. המחירים היו 20–40 לירה ארץ ישראלית לטונה. בימי מלחמת העולם השנייה חלה ירידה בתפוקה עד כדי השבתת המכרות. עם הגופרית במכרות נמצאה גם כמות קטנה של אלום.
צורה בטבע.
גופרית בצורתה החופשית ניתן למצוא במעיינות חמים ואזורים געשיים במקומות רבים בעולם, במיוחד לאורך "טבעת האש" של האוקיינוס השקט. מרבץ משמעותי אחר של מלחי גופרית נמצא לאורך מפרץ מקסיקו. גופרית נמצאת במקומות נוספים בסלעי משקע, למשל במזרח אירופה ובמערב אסיה. מקור גופרית זו הוא בפעולה של חיידק אנארובי שחי על מינרלי גופרית, במיוחד גבס. מרבצים אלו הם המקור העיקרי של גופרית לארצות כמו ארצות הברית, פולין, רוסיה, טורקמניסטן ואוקראינה.
תרכובות גופרית טבעיות כוללות סולפידים מתכתיים, כמו פיריט (ברזל גופרי, FeS2), צינובר (כספית גופרית, HgS), גלניט (עופרת גופרית, PbS), אבץ גופרי (ZnS), אנטימון גופרי (Sb2S3) ועוד. מימן גופרי (H2S) הוא גז שאחראי על ריחן של ביצים סרוחות; הוא מופיע בפליטות וולקניות, הידרותרמיות וכתוצאה מפעולת חיידקים.
אמצעי זהירות.
CS2, H2S ו-SO2 מצריכים טיפול מיוחד. אף על פי שגופרית דו-חמצנית בטוחה לשימוש בשימור מזון בכמויות קטנות, בריכוז גבוה היא מגיבה עם לחות ויוצרת חומצה גופריתית שבזמן שאיפה יכולה לגרום לנזק לריאות, לעיניים ולרקמות אחרות.
מימן גופרי הוא רעיל ביותר (יותר מציאניד); תחילה הוא מקהה את חוש הריח (כך קורבנות פוטנציאליים אינם מודעים לנוכחותו) ולאחר מכן פוגע.
גז אציל
גזים אצילים הם יסודות כימיים המשתייכים לטור השמיני ולקבוצה ה-18 בטבלה המחזורית. יסודות אלה הם אל-מתכות והם מופיעים כגזים בתנאים סטנדרטיים. ששת הגזים האצילים הנמצאים בטבע הם: הליום (He), ניאון (Ne), ארגון (Ar), קריפטון (Kr), קסנון (Xe) והיסוד הרדיואקטיבי רדון (Rn). עד כה, שלושה אטומים נוספים של היסוד הבא בקבוצה, אוגאנסון (Og), יוצרו במאיץ החלקיקים, אך מעט מאוד ידוע על תכונותיו בשל הכמות המועטה שיוצרה וזמן מחצית החיים הקצר שלו. הגז האציל הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ הוא ארגון, המהווה 1.29% (משקלי) מהאטמוספירה.
מבחינה כימית, הגזים האצילים יציבים מאוד מכיוון שהם מכילים 8 אלקטרוני ערכיות בקליפת האלקטרונים החיצונית שלהם, שהוא המספר המקסימלי שהקליפה החיצונית יכולה להכיל (פרט להליום שבו 2 אלקטרונים בקליפה החיצונית). כתוצאה מכך הם ממעטים להשתתף בתגובות כימיות, ומכאן שמם.
בתנאים סטנדרטיים, הגזים האצילים חסרי ריח, חסרי צבע ומונטומיים . נקודות ההתכה והרתיחה של כל גז אציל קרובות אחת לשנייה, עם הפרש של פחות מ C° 10; כתוצאה מכך, הגזים האצילים מופיעים כנוזלים בטווח טמפרטורות קטן בלבד. הגזים האצילים מפגינים תגובתיות מועטה מאוד ולכן מאות אחדות בלבד של תרכובות שלהם יוצרו מתחילת 2008.
ניאון, ארגון, קריפטון וקסנון מתקבלים מהאוויר באמצעות ניזול גזים וזיקוק זעיר. הליום בדרך כלל מופרד מגז טבעי, ורדון לרוב מבודד מהדעיכה הרדיואקטיבית של תרכובות מומסות של רדיום. לגזים אצילים יש יישומים חשובים בתעשיות התאורה, הריתוך וחקר החלל. לעיתים קרובות הליום משמש במתקני נשימה לצלילה כתחליף לחלק מתערובת הנשימה. בנוסף, ההליום החליף את המימן בספינות אוויר מסוג צפלין ובבלוני חמצן, לאחר שהסיכונים שנגרמו עקב דליקותו של המימן התבהרו.
היסטוריה ואטימולוגיה.
שמו האנגלי של הגז האציל, "Noble gas", הוא פירוש של שם העצם הגרמני "Edelgas", בו נעשה שימוש לראשונה בשנת 1898 על ידי הוגו ארדמן כשהתייחס לרמת התגובתיות הנמוכה בתנאים סטנדרטיים אצל רוב היסודות בקבוצה ה-18 בטבלה המחזורית. הגזים האצילים יוחסו בעבר לגזים אדישים, אך זוהי התייחסות לא מדויקת משום שחלק מהגזים האצילים משתתפים בתגובות כימיות.
קיומם של הגזים האצילים נצפה על ידי הטבלה המחזורית, אך כיוון שהגזים האצילים כמעט ואינם משתתפים בתגובות כימיות קיומם לא התגלה עד שלב מאוחר למדי בהתפתחות הכימיה המודרנית. ההליום התגלה לראשונה בשנת 1868 בניתוח ספקטוגרפי של אור השמש, אך קיומו באטמוספירת כדור הארץ לא הוכח עד 1895. כבר באמצע המאה ה-19 גילה הלורד ריילי כי צפיפותו של החנקן באוויר גדולה מזו של חנקן המופק מתרכובות כימיות, ושיער כי גידול זה נובע מהימצאותו של גז נוסף באוויר, שאינו משתתף בתגובות כימיות. הוא ו-ויליאם רמזי הצליחו לבודד גז זה (ארגון) ולהוכיח את קיומם של הגזים האצילים, ועל כך אף זכו בפרס נובל.
בימינו, כל הגזים האצילים שקיומם נובע מהטבלה המחזורית התגלו ובודדו. האוגאנסון, בניגוד לגזים האחרים, אינו קיים בטבע ורק ב-2006 הוא סונתז בהצלחה. גז זה הוא רדיואקטיבי ולא יציב והאטומים שסונתזו בניסוי דעכו תוך כמה חלקיקי שנייה.
תכונות פיזיקליות ואטומיות.
לגזים האצילים יש קשרים בין-מולקולריים חלשים מאוד, וכתוצאה מכך יש להם נקודות התכה ורתיחה נמוכות מאוד. כל הגזים האצילים הם גזים מונטומיים בתנאים סטנדרטיים, כולל היסודות בעלי מסות אטומיות גדולות מאלה של יסודות מוצקים רגילים. ההליום הוא בעל תכונות ייחודיות בהשוואה ליסודות אחרים: נקודות ההתכה והרתיחה שלו נמוכות מנקודות ההתכה והרתיחה של כל חומר ידוע אחר; הוא היסוד היחיד שנראה כנוזל-על; הוא היסוד היחיד שלא יכול להפוך למוצק על ידי קירור מתחת לתנאים סטנדרטיים - כדי שהליום יהפוך למוצק חייב להתקיים לחץ של 25 אטמוספירות סטנדרטיות (2,500 kPa) בטמפרטורה של K 0.95 (C° 272.2-). לגזים האצילים עד לקסנון יש איזוטופים יציבים רבים. לרדון אין איזוטופים יציבים; האיזוטופ שלו שמתקיים בזמן הרב ביותר, 222Rn, הוא בעל זמן מחצית חיים של 3.8 ימים והוא דועך לצורה של הליום ופולוניום, שבסופו של דבר דועכת לעופרת.
הרדיוסים של אטומי הגזים האצילים, כמו הרדיוסים של אטומי רוב הקבוצות, גדלים בהתמדה בכל מחזור עקב גדילת מספר האלקטרונים ורמות האלקטרונים. גודל האטום קשור לתכונות אחדות. לדוגמה, אנרגיית היינון קטנה ככל שהרדיוס גדל משום שככל שגז אציל גדול יותר, כך אלקטרוני הערכיות שלו מרוחקים יותר מהגרעין, ולכן הם פחות נמשכים אליו. הגזים האצילים הם בעלי אנרגיות היינון הגבוהות ביותר בכל מחזור; עובדה זו משקפת את יציבות תצורת האלקטרונים שלהם ואת הפגנת התגובתיות המועטה (יחסית) שלהם.
נוזל על.
הליום הופך לנוזל רק בטמפרטורה נמוכה מאוד (4.2 קלווין) ואמנם בטמפרטורה של מתחת ל-2.171 קלווין הליום 4 הוא נוזל על: הוא מסוגל לזרום ללא חיכוך כלל (תופעה שממנה נגזרות תופעות פיזיקליות מפתיעות רבות אחרות). הליום-3 הופך לנוזל על בטמפרטורה נמוכה עוד יותר של 1 מילי קלווין.
תכונות כימיות.