جزيء الكبريت بالدرجات العادية من الحرارة ثماني الذرة (S8)وله الشكل الحلقي (الشكل-2ب). وعندما ينصهر الكبريت يكون مؤلفاً من جزيئات S8، أما عندما تبلغ درجة الحرارة 159 ْس يطرأ عليه تحول مفاجئ إذ تزداد حرارته النوعية ازدياداً كبيراً وتزداد لزوجته (0.1 بواز عند الدرجة 159 ْس) فتصبح 200 بواز بدرجة 166 ْس. هذه التحولات تطرأ على الكبريت نتيجة لتحول بعض الجزيئات S8 إلى سلاسل مؤلفة من متماثرات (بولميرات) polymers عالية. وعندما يبدأ الكبريت بالغليان يكون بخاره مؤلفاً من جزيئات S8. وبارتفاع درجة الحرارة تتفكك الجزيئات إلى جزيئات أبسط S2,S4,S6 (الشكل-3).
الكبريت في الطبيعة
يشكل الكبريت نحو 0.048% من الغلاف الصخري لقشرة الكرة الأرضية وبهذا يأتي ترتيبه في المرتبة الخامسة عشرة بين عناصر الجدول الدوري. يوجد الكبريت حراً (الشكل-1) في الطبيعة وفي العديد من خامات الكبريتيدات والكبريتات مثل البيريت FeS2 وكبريتيد الرصاص PbS وكبريتيد الزنك (التوتياء) ZnS و الشالكوبيريت CuFeS2 وكبريتات كل من الكالسيوم والباريوم والسترونسيوم. ويوجد أيضاً في الغاز الطبيعي بشكل H2كبريتيد الهدروجين S، وفي النفط بشكل حر أو بشكل مركبات كبريتيدية.
ويوجد الكبريت بمفرده في الطبيعة، وفي الفحم الحجري، والزيت الخام والغاز الطبيعي وصخر الزيت، وفي كثير من المواد المعدنية.
وأكثر المواد المعدنية الكبريتية وجودًا هو مركب الكبريت والحديد الذي يسمى البيريت. ويحتوي الغلاف الجوي للزهرة (فينوس) على الكبريت. ويعتقد بعض العلماء أن جوف المريخ يتألف من كبريتيد الحديد النقي، وهو مركب آخر من الحديد والكبريت. وقد وجد الفلكيون مركبات الكبريت في السحب الواقعة بين النجوم وفي النيازك.
وتحتاج كل النباتات والحيوانات إلى كميات ضئيلة من الكبريت لتبقى على قيد الحياة، وتتحصل النباتات عليه من التربة.وكثيرمن الأطعمة النباتية ومن بينها الكرنب (الملفوف)، والبصل، وطحين الصويا، أطعمة غنية بالكبريت. كما يحتوي المثيونين ـ وهو حمض أميني يحتاجه الإنسان في غذائه ـ على الكبريت أيضًا. ويوجد الكبريت في بعض الأطعمة مثل البيض ومنتجات الألبان واللحوم.
الاستخدامات
كل الكبريت المُستخرج حاليًّا يستخدم في تحضير حمض الكبريتيك، وهو مركب كبريتي، ويُعد أهم مادة كيميائية تجارية في العالم. ويستخدم في إنتاج الأصباغ والدهانات (الطلاء)، والورق والمنسوجات وعدد من الكيميائيات الصناعية. كما يُستخدم أيضًا في إنتاج الفلزات وفي تكرير النفط.
أما المنتجات الأخرى المحتوية على الكبريت، فتشمل بعض أنواع الأسمدة، والمتفجرات ومبيدات الفطر والحشرات، والمطاط، والشامبو، والبطاريات (المراكم) وكذلك المواد الكيميائية المستخدمة في أفلام التصوير. كما يدخل الكبريت في صناعة الأدوية كواحد من المكونات. ويمكن استخدامه في إنشاء الطرق بدلاً من الأسفلت.
الخواص
لكبريت لاطعم له ولارائحة، ووزنه الذري 32,064، وعدده الذري 16. وينصهر عند درجة 120°م إذا سخن تدريجيًا، أمّا إذا سخن بسرعة فينصهر عند درجة 113°م. ويغلي عند درجة 444,6°م، وعند درجات حرارية أعلى من 150°م يصير غليظًا ولزجًا. ويصير أكثر سيولة مرة أخرى بعد أن تصل درجة الحرارة إلى أعلى من 250°م ويتغير لونه من الأصفر إلى الأحمر. أما لونه عند الغليان فهو بني قاتم.
والكبريت عنصر متفاعل جدًا، ويشتعل في الهواء عند درجة 250°م. وباحتراقه يتحد مع الأكسجين ليكون ثاني أكسيد الكبريت، وهو غاز عديم اللّون يوجد بكثرة في الأماكن المكتظّة بالسكان. وقد اقترن هذا الغاز بأمراض التنفُّس وإتلاف المباني والأمطار الحمضيّة انظر: المطر الحمضي.
وأغلب كميّات هذا الغاز الموجودة في الهواء تنتج من احتراق الفحم الحجري المحتوي على الكبريت. وتحُدّ قوانين حماية البيئة في دول كثيرة من كميات الكبريت التي تفرز بوساطة منشآت الطاقة الحارقة للفحم الحجري.
ـ بلورة الكبريت من محلول ثنائي كبريتيد الكربون:
بعد إذابة الكبريت في كبريتيد الكربون CS2 يترك المحلول في طبق قليل العمق مدة طويلة فتتشكل بلورات كبريت معينية صفراء ولكنها مشوهة.
ـ يذوب الكبريت في كبريتيت الصوديوم ويتكون ثيوكبريتات الصوديوم Na2S2O3، وفي السيانيد ويتكون ثيوسيانات SCN، كما يذوب في محاليل كبريتيدات المعادن القلوية[القلويات]، ويذوب في كبريتيد الأمونيوم (NH4)2S ويتكون مزيج من الأيونات العديدة الكبريت:
ـ يتفاعل الكبريت بشدة مع عناصر كثيرة ويكوّن معها مركبات كيمياوية، ويشذ عن ذلك العناصر: الذهب والبلاتين والإريديوم والآزوت (النتروجين) والتلور واليود والغازات النادرة. ويحترق الكبريت في الهواء بسهولة بلهب أزرق معطياً ثنائي أكسيد الكبريت SO2 وهو غاز سام يتميز برائحة كريهة، وقد يرافق التفاعلَ تشكلُ القليل من ثلاثي أكسيد الكبريت SO3.
يدعى محلول SO2 في الماء «حمض الكبريت IV» ولكنه بمعزل عن الماء لا وجود لهذا الحمض لأنه لايمكن فصله. ولكن تعرف أملاحه الحمضية مثال ذلك NaHSO3 وأملاحه المعتدلة مثل Na2SO3.
تفاعل الكبريت مع بعض المعادن والمركبات واللامعادن:
يحترق خليط من الكبريت مع المعادن في تفاعلات ناشرة للحرارة ويتكون كبريتيدات المعادن ويرافق ذلك انطلاق شرارة أو بصيص ضوئي، ومن هذه التفاعلات:
كما يتفاعل الكبريت مع غاز الميتان في الدرجة 700 ْس وبوجود أكسيد الألمنيوم الذي يعمل وسيطاً (حفازاً) معطياً كبريتيد الكربون (CS2)، وهو سائل سام لا لون له.
الأشكال
يوجد الكبريت في أشكال عدّة تُسمى المتآصلات، وأكثر المتآصلات شيوعًا هو الكبريت معيِّني الشكل، وهو مادة متبلِّرة صفراء ليمونيّة اللّون وثابتة عند درجة حرارة الغرفة. أما الكبريت أحادي الميل أو الموشوري، فهو ثابت فقط ما بين درجة 94°م و120°م. وتوجد كبلورات إبريّة طويلة عديمة اللّون تقريبًا.
أما الكبريت غير المتبلر أو البلاستيكي فهو ناعم وليّن ولزج و يتمدد كالمطاط. وكلا النوعين ـ الكبريت أحادي الميل والكبريت غير المتبلر ـ يتحولان إلى الكبريت معيني الشكل عند درجة حرارة الغرفة.
ويمكن تحضير الكبريت معيني الشكل بعدة طُرُق للاستخدام التجاري. فمثلاً تتكون حبيبات الكبريت الناعمة عند تكثيف الكبريت. وتسمى هذه الحبيبات زهور الكبريت لأنها توجد في نسق كالأزهار. ويصنع الكبريت الأسطواني بتقوية الكبريت السائل في قوالب أسطوانية الشكل، أما كتل الكبريت فتحضر برش الكبريت المنصهر في أحواض الماء.
كيفيّة الحصول على الكبريت
حصلت كثير من الصناعات قبل القرن العشرين على الكبريت من الترسبات البركانية ومن مناجم الكبريت في صقلية ومن البيريت المحمّص. وظلّت الولايات المتحدة المنتج الرائد للكبريت منذ عام 1900م. وحتى الخمسينيات من القرن العشرين اعتمد إنتاج الكبريت على طريقة فراش. فقد اكتشف هيرمان فراش، المهندس الكيميائي الأمريكي، عام 1891م، أن بالإمكان صهر الكبريت وهو في باطن الأرض وذلك بوساطة بخار مسخن لأكثر من درجة حرارة غليان الماء. وفي هذه الطريقة يُسخّن الماء تحت الضغط إلى درجة حرارية أعلى من درجة انصهار الكبريت. ويُضخ الماء بوساطة المضخات إلى داخل الأرض حيث يصهر الكبريت إلى سائل مزبد خفيف. ويرفع الكبريت السائل إلى السطح بوساطة الهواء المضغوط. وأغلب الكبريت المنتج بهذه الطريقة له درجة نقاء تتراوح ما بين 99,5% و99,9%.
ومازالت طريقة فراش تستخدم بتوسُّع، إلا أن أغلب كميات الكبريت المنتجة حاليًا تأتي من مركبات الكبريت الموجودة بالزيت والغاز الطبيعي. وتحول هذه المركبات إلى كبريتيد الهيدروجين في موقع المصفاة أو البئر. يسخن الكبريتيد ويحول من بعد ذلك إلى الكبريت بدرجة نقاء 99,99%.
هذه العملية التي تُسمى تحويل كلوس اقترحها المهندس الكيميائي البريطاني س.ف. كلوس عام 1883م.
يُستحصَل الكبريت إما من مناجم الكبريت حيث يوجد حراً في ترسبات ملحية من كبريتات الكلسيوم وكبريتات الكلسيوم المميهة وكربونات الكلسيوم وملح صخري، وإما من غاز كبريتيد الهدروجين الناتج من هدرجة المشتقات النفطي بهدف الحصول على كبريت الهدروجين أولاً ومنه على الكبريت.
ظلت صقلية أهم مصدر للكبريت في العالم حتى أوائل القرن العشرين. والطريقة التي كانت تستعمل لاستحصاله من خاماته الحاوية على 15-20% كبريت هي وضعه في فرن مبني من الآجر، ثم إشعاله، فيحترق 30% منه وينتشر من الحرارة ما يكفي لإذابة القسم الباقي من الكبريت الذي يسيل من جانب الفرن. والكبريت الناتج غير نقي ويجب تقطيره للحصول على كبريت نقي. وفي عام 1867 اكتشف وجود كبريت على عمق 150 متراً تحت طبقة رملية على شاطئ خليج المكسيك ويجري في الطبقة الرملية ماء غني بكبريتيد الهدروجين. وفي أول محاولة لاستخراج هذا الكبريت قتل خمسة من العمال بالغاز الأخير. وفي عام 1890 فكر فراش Frasch وهو كيميائي كان يعمل في إحدى شركات البترول في حفر بئر تصل إلى الطبقة الغنية بالكبريت، ثم صهر الكبريت بوساطة بخار الماء وسحبه بوساطة مضخة.
يدخل الماء المحمَّص بأنبوب خارجي إلى باطن الأرض حيث الكبريت؛ ويؤدي ذلك إلى ذوبان الكبريت وتحوله إلى رغوة تصعد إلى سطح الأرض بوساطة هواء ساخن ضغطه نحو 40 ضغطاً جوياً، ويحتاج الحصول على طن واحد من الكبريت إلى نحو 10-15 طناً من الماء المحمص. يبلغ قطر الأنبوب الخارجي نحو 25سم، وقطر أنبوب الكبريت نحو 15سم، أما قطر أنبوب الهواء الساخن والمضغوط فيبلغ نحو 7.5سم.
وللحصول على الكبريت من غاز كبريتيد الهدروجين تبعاً لطريقة كلاوس Claus في مصافي البترول (الشكل-5) يجب أولاً فصل المواد الضارة العائدة إلى مركبات عضوية فيها مثل الكبريت والأكسجين والآزوت وكذلك المركبات المعدنية، وإن فصل هذه المواد ضروري للأسباب الآتية:
ـ تسمِّم مركبات العناصر المذكورة المواد المحفِّزة المستخدمة في عمليات تكرير البترول.
ـ تسبب تآكل الأجهزة وانسداد الأنابيب بسبب الأملاح، مثال ذلك أملاح الأمونيوم.
ـ تلوث المشتقات النفطية البيئة عند حرقها[بنزين (وقود السيارات) أو مازوت (زيت الوقود) أو كاز] لأنها تطلق أكاسيد الآزوت والكبريت وغيرها.
ـ لهذه المركبات روائح كريهة ولهذا لا يجوز أن توجد في المشتقات البترولية ولا في المواد المصنَّعة منها.
للحصول على الكبريت يجب أولاً الحصول على غاز H2S من المشتقات النفطية عن طريق هدرجتها تبعاً للشروط العامة الآتية: درجة الحرارة: 230-450 ْس، الضغط: 24-60 بار، السرعة الحجمية: 2-20 في الساعة وتعني نسبة الحجم المتدفق من المشتق النفطي مقدَّراً بالمتر المكعب إلى حجم وعاء التفاعل (حجم العمود أو المفاعل) مقدراً بالمتر المكعب في الساعة الواحدة، وتجري العملية بوجود وسيط مناسب.