كبريت (S) — العنصر 16: الخصائص والحقائق

Q: ما التوزيع الإلكتروني لـ كبريت؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـكبريت هو [Ne] 3s² 3p⁴، ويشغل 3 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 6. يحتوي غلافه الخارجي على 6 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.

البنية

ذرة كبريت

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

الأغلفة الفرعية — اختر واحدًا لعرضه

الإلكترونات في كل غلاف

n=1 2
n=2 8
n=3 6

يحتوي كبريت على 3 أغلفة مشغولة تضم 16 إلكترونًا في المجموع. ويضم الغلاف الخارجي 6، وهي الإلكترونات التي تُجري التفاعلات الكيميائية.

البروتونات: 16
الإلكترونات: 16
النيوترونات (النظير الأكثر شيوعًا): 16
حالات الأكسدة: -2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع كبريت بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 2.067 g/cm³ 18%

نقطة الانصهار 388.4 K 22%

نقطة الغليان 717.8 K 18%

الحرارة النوعية 0.71 J/g·K

الموصلية الحرارية 0.21 W/m·K 13%

الذرية

نصف القطر الذري 105 pm 9%

نصف القطر التساهمي 105 pm

نصف قطر فان دير فالس 180 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 2.58 92%

طاقة التأين 999.6 kJ/mol 85%

الألفة الإلكترونية 200.7 kJ/mol 91%

الوجود

الوفرة في القشرة 350 mg/kg 86%

الهوية

الرمزS

العدد الذري16

الكتلة الذرية32.06 u

الفئةلافلز

المستوى الفرعيp

البنية البلوريةمعيني قائم

حالات الأكسدة-2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6

سنة الاكتشافPrehistoric

اكتشفهمعروف منذ العصور القديمة

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة كبريت؟

نصف القطر 105 pm — أي 0.105 nm، ولذلك فإن نحو 4.76 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون كبريت سائلًا ضمن مجال 329 K، من 388 K إلى 718 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع كبريت في الدورة 3، والمجموعة 16. تشترك جميع العناصر في المجموعة 16 في العدد نفسه من الإلكترونات الخارجية، ولذلك تتصرف بطريقة متشابهة جدًا.

عناصر اللافلزات الأخرى

1H 6C 7N 8O 15P 34Se

جميع عناصر اللافلزات

القصة

ماهيّة كبريت وكيف اكتشفناه

صلب أصفر ذو رائحة مميزة. ضروري للبروتينات.

اكتشاف كبريت

اكتشاف الكبريت وتاريخه

المعرفة القديمة والاستخدامات المبكرة

يتميز الكبريت بكونه أحد العناصر القليلة التي عرفتها الحضارات القديمة في صورته النقية. أطلق عليه الخيميائيون الصينيون نحو 500 قبل الميلاد اسم «liu huang» (الأصفر المتدفق)، واستخدموه في التركيبات المبكرة للبارود. واستخدم المصريون القدماء الكبريت في التحنيط والطب، بينما وثّق الفيلسوف اليوناني Pliny the Elder (23-79 ميلاديًا) استخدامه للتبخير والأغراض الطبية في كتابه «التاريخ الطبيعي».

يشتق اسم العنصر من اللاتينية «sulfurium»، المرتبطة بكلمة «sulfur» التي تعني «يحترق». عرفه الرومان القدماء باسم «sulphur» وربطوه بالنشاط البركاني، ولا سيما حول جبل فيزوف والجزر البركانية في صقلية.

إسهامات الحضارة الإسلامية في العصور الوسطى

حدد Jabir ibn Hayyan (721-815 ميلاديًا)، أبو الكيمياء، الكبريت باعتباره أحد المبادئ الأساسية للمادة في نظرية الكبريت والزئبق. واقترح هذا العالم الفارسي أن جميع المعادن تحتوي على نسب متفاوتة من الكبريت والزئبق، وهي نظرية هيمنت على الفكر الخيميائي قرونًا. ووصف كتابه «Kitab al-Khawass al-kabir» خصائص الكبريت وطرائق تنقيته.

تصنيف Antoine Lavoisier الثوري

بدأ الفهم الحديث للكبريت مع Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794)، الذي أثبت بصورة قاطعة أن الكبريت عنصر في تجاربه الرائدة عام 1777. وأثبت Lavoisier، أثناء عمله في مختبره في ترسانة باريس، أن الكبريت لا يمكن تفكيكه إلى مواد أبسط، وأدرجه في قائمته الشهيرة التي ضمت 33 عنصرًا عام 1789 في كتاب «Traité Élémentaire de Chimie».

أكد تلميذ Lavoisier، Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)، وزميله Louis Jacques Thénard (1777-1857) الطبيعة العنصرية للكبريت بصورة أكبر عام 1809، بإثبات أن كبريتيد الهيدروجين لا يحتوي إلا على الهيدروجين والكبريت، دون مكونات خفية.

الثورة الصناعية وعملية التلامس

ازدادت الأهمية الصناعية للكبريت بصورة هائلة خلال القرن 19. وحصل Peregrine Phillips، وهو مصنع بريطاني للخل، على براءة اختراع عملية التلامس لإنتاج حمض الكبريتيك في 15 أكتوبر 1831. استخدمت طريقته محفزات البلاتين لتحويل ثاني أكسيد الكبريت إلى ثالث أكسيد الكبريت بكفاءة، مما أحدث ثورة في تصنيع المواد الكيميائية.

كان Nicolas Leblanc (1742-1806) قد طور قبل ذلك عملية Leblanc عام 1791، التي تطلبت كميات هائلة من حمض الكبريتيك لإنتاج كربونات الصوديوم، مما دفع الطلب على الكبريت في أنحاء العالم.

ثورة عملية Frasch

حل الكيميائي الألماني-الأمريكي Herman Frasch (1851-1914) تحدي استخراج الكبريت من الرواسب الجوفية بفضل عمليته المبتكرة الحاصلة على براءة اختراع عام 1894. وأثناء عمله لدى Union Sulfur Company في لويزيانا، طور Frasch طريقة تستخدم الماء فائق التسخين (160°C) لإذابة الكبريت الجوفي والهواء المضغوط لدفعه إلى السطح.

في 26 ديسمبر 1894، أنتج أول بئر بطريقة Frasch كبريتًا منصهرًا في منجم Sulphur Mine بولاية لويزيانا، مما غيّر صناعة الكبريت العالمية. وبحلول عام 1900، ازداد إنتاج الكبريت الأمريكي 100 ضعف، فأصبحت الولايات المتحدة أكبر منتج للكبريت في العالم.

علم الكبريت الحديث

اكتشف Eilhard Mitscherlich (1794-1863) الأشكال المتآصلة للكبريت عام 1823، محددًا البلورات المعينية القائمة وأحادية الميل. وحدد الكيميائي السويدي Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) الوزن الذري للكبريت بقيمة 32.07 عام 1818، وهي قريبة جدًا من القيمة المقبولة حاليًا البالغة 32.065.

شهد القرن 20 فهم دور الكبريت في الكيمياء الحيوية، إذ اكتشف Frederick Gowland Hopkins الحمضين الأمينيين المحتويين على الكبريت السيستين والميثيونين، فنال جائزة Nobel في علم وظائف الأعضاء عام 1929.

الاستخدامات

استخدامات كبريت

التطبيقات الصناعية للكبريت

إنتاج حمض الكبريتيك (85% من استخدام الكبريت)

يحوَّل الكبريت أساسًا إلى حمض الكبريتيك (H₂SO₄) من خلال عملية التلامس، التي اخترعها Peregrine Phillips في عام 1831. تتضمن هذه العملية ذات المراحل الثلاث:

المرحلة 1: حرق الكبريت في الهواء لتكوين ثاني أكسيد الكبريت (S + O₂ → SO₂)
المرحلة 2: أكسدة حفزية باستخدام خامس أكسيد الفاناديوم عند 450°C (2SO₂ + O₂ → 2SO₃)
المرحلة 3: الامتصاص في حمض الكبريتيك المركز لمنع تكوّن رذاذ الحمض

تنتج المصانع الحديثة ما يصل إلى 3,000 طن يوميًا، بكفاءة تحويل تبلغ 99.5%. ومن أكبر المنتجين Mosaic Company (فلوريدا) وNutrien (كندا).

تصنيع الأسمدة

حمض الكبريتيك ضروري لإنتاج الأسمدة الفوسفاتية مثل السوبرفوسفات والسوبرفوسفات الثلاثي. وينتج عن التفاعل Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄ فسفور قابل للذوبان في الماء. تدير شركتا Cargill وCF Industries منشآت ضخمة لتحويل الكبريت إلى أسمدة في أنحاء الغرب الأوسط الأمريكي.

تكرير البترول

يزيل حمض الكبريتيك الشوائب في تكرير البترول من خلال عمليات الألكلة. وتستخدم ExxonMobil وChevron حمض كبريتيك بتركيز 40-60% لتحفيز اتحاد الأيزوبيوتان مع الألكينات، منتجًا مكونات بنزين عالي الأوكتان. تستهلك مصفاة واحدة 200-500 طن من حمض الكبريتيك يوميًا.

معالجة المعادن والتعدين

يستخلص حمض الكبريتيك النحاس من الخامات منخفضة الدرجة من خلال الاستخلاص بالكومة. في عمليات Freeport-McMoRan في أريزونا، تُروى الخامات المسحوقة بحمض الكبريتيك المخفف (pH 1.5-2.0)، فيذيب النحاس على هيئة كبريتات النحاس. تستخلص هذه العملية 60-90% من النحاس من خامات لا تحتوي إلا على 0.4-0.8% من النحاس.

تصنيع المواد الكيميائية

تُعد مركبات الكبريت مواد وسيطة أساسية:

ثاني أكسيد الكبريت (SO₂): مادة حافظة للأغذية (E220) ومطهر للنبيذ
ثنائي كبريتيد الكربون (CS₂): إنتاج حرير الفيسكوز في منشآت Lenzing AG
كبريتيد الهيدروجين (H₂S): مصدر للكبريت النقي عبر عملية Claus في مصافي النفط
كلوريدات الكبريت: مسرّعات فلكنة المطاط

فلكنة المطاط

يستخدم اكتشاف Charles Goodyear في عام 1839 الكبريت العنصري لربط بوليمرات المطاط بروابط متصالبة. ويستخدم تصنيع الإطارات الحديث لدى Bridgestone وMichelin نسبة 1-3% من الكبريت حسب الكتلة، مكوّنًا روابط ثنائية الكبريتيد بين سلاسل البوليمر. تحول هذه العملية المطاط اللين إلى مادة متينة ومرنة مقاومة لدرجات الحرارة القصوى.

التطبيقات اليومية للكبريت

المنتجات الزراعية

مسحوق كبريت الحدائق - خفض pH التربة للنباتات المحبة للحموضة مثل التوت الأزرق والأزالية
الأسمدة الكبريتاتية - كبريتات الأمونيوم (21-0-0-24S) من شركات مصنّعة مثل Simplot
رذاذات مبيدة للفطريات - مساحيق الكبريت العضوية لمكافحة البياض الدقيقي على العنب والورود
مكملات الماشية - كتل الكبريت للأبقار للوقاية من نقص المعادن

العناية الشخصية والصحة

علاجات حب الشباب - صابون وكريمات الكبريت (العلامات التجارية: De La Cruz, Grisi)
شامبوهات قشرة الرأس - كبريتيد السيلينيوم في Head & Shoulders Clinical Strength
أدوية التهاب المفاصل - مكملات MSM (ميثيل سلفونيل ميثان)
أمراض الجلد - مراهم الكبريت لالتهاب الجلد الدهني والوردية

الأغذية والمشروبات

حفظ النبيذ - يمنع ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) الأكسدة ونمو البكتيريا
الفواكه المجففة - تحافظ الكبريتيتات في المشمش والزبيب على اللون والنضارة
تصنيع الأغذية - ميتابيسلفيت البوتاسيوم عامل مضاد للميكروبات
تخمير البيرة - تكوّن مركبات الكبريت أقراص Campden للتعقيم

الاستخدامات المنزلية والصناعية

أعواد الثقاب - الكبريت في رؤوس أعواد الثقاب القابلة للإشعال على أي سطح وشرائط أعواد الثقاب الآمنة
البارود - البارود الأسود التقليدي (75% نترات البوتاسيوم، 15% فحم، 10% كبريت)
إنتاج الورق - عملية صناعة اللب بالكبريتيت في مصانع International Paper
التصوير الفوتوغرافي - أحبار كبريتيد الفضة للمطبوعات الفنية بالأبيض والأسود
الخرسانة - خرسانة الكبريت لتطبيقات البناء المقاومة للمواد الكيميائية

السيارات والنقل

تصنيع الإطارات - عامل الفلكنة في جميع الإطارات المطاطية
حمض البطارية - إلكتروليت حمض الكبريتيك في بطاريات السيارات الرصاصية الحمضية
إضافات الوقود - تحسن مركبات الكبريت العضوية استقرار الوقود
سائل الفرامل - مركبات الكبريت في تركيبات DOT 3 وDOT 4

مصدره

الوجود الطبيعي

350 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 86% من العناصر

وجود الكبريت في الطبيعة

الوفرة الأرضية

يحتل الكبريت المرتبة 10 من حيث وفرة العناصر في القشرة الأرضية بتركيز 260 ppm، والمرتبة 5 من حيث الوفرة في جسم الإنسان. يتركز العنصر في بيئات جيولوجية محددة بسبب خصائصه الكيميائية الفريدة ودورته الحيوية.

رواسب الكبريت العنصري

تتكون بلورات الكبريت النقي عبر عمليات جيولوجية متعددة:

المناطق البركانية: يحتوي جبل فيزوف (إيطاليا) وكواه إيجين (إندونيسيا) وييلوسطون (الولايات المتحدة) على كبريت أصلي ناتج عن أكسدة كبريتيد الهيدروجين
القباب الملحية: يضم ساحل الخليج في تكساس ولويزيانا رواسب كبريت ضخمة يصل سمكها إلى 150 مترًا، تكونت بالاختزال البكتيري للجبس
الينابيع الحارة: يترسب الكبريت عندما تلامس المياه الغنية بكبريتيد الهيدروجين الأكسجين في روتوروا (نيوزيلندا) وينابيع ماموث الحارة

معادن الكبريت

يوجد في الطبيعة أكثر من 200 معدن حامل للكبريت:

البيريت (FeS₂): «ذهب المغفلين» - أكثر معادن الكبريت شيوعًا، ويوجد في أنحاء العالم
الجالينا (PbS): خام الرصاص الأساسي، وله رواسب كبيرة في ميزوري وأستراليا وبيرو
السفاليريت (ZnS): خام الزنك الرئيسي، وفير في رواسب نوع وادي المسيسيبي
الكالكوبيريت (CuFeS₂): أهم خام للنحاس، ويوجد في رواسب البورفير
الجبس (CaSO₄·2H₂O): معدن تبخري يكوّن طبقات ضخمة في الصخور الرسوبية
الأنهيدريت (CaSO₄): يتكون عندما يفقد الجبس ماءه على عمق كبير

دورة الكبريت الحيوية

يخضع الكبريت لتحولات معقدة عبر العمليات الحيوية:

البيئات البحرية: تنتج العوالق النباتية كبريتيد ثنائي ميثيل (DMS)، مما يؤثر في تكوّن السحب والمناخ
النظم البيئية للتربة: تحول البكتيريا المختزلة للكبريتات الكبريتات إلى كبريتيد الهيدروجين في الظروف اللاهوائية
بكتيريا الينابيع الحارة: تؤكسد الكائنات المحبة للحرارة مثل Sulfolobus الكبريت عند درجات حرارة تتجاوز 80°C
أيض النباتات: تركز الخضروات الصليبية (البروكلي والثوم) مركبات الكبريت العضوية

الأصول الكونية والنجمية

يتكون الكبريت من خلال احتراق السيليكون في النجوم الضخمة (>8 كتل شمسية) عند درجات حرارة تتجاوز 3 مليارات كلفن. وتحدث العملية ²⁸Si + ⁴He → ³²S خلال المراحل النهائية من تطور النجوم. ويملك الكبريت-16 «عددًا سحريًا» من البروتونات، مما يجعله مستقرًا على نحو غير معتاد. وتحتوي النيازك على الكبريت في صورة الترويليت (FeS) والأولدهايميت (CaS)، مما يقدم دليلًا على كيمياء النظام الشمسي المبكر.

كيمياء المحيطات

تحتوي مياه البحر على نحو 905 ppm من الكبريت في صورة أيونات الكبريتات (SO₄²⁻)، مما يجعلها ثاني أكثر الأنيونات وفرة بعد الكلوريد. وترسب الفوهات الحرارية المائية في حيد وسط المحيط معادن الكبريت الناتجة عن تفاعل السوائل البركانية الساخنة مع مياه البحر الباردة، مكوّنة مداخن «المدخنين السود» الغنية بكبريتيدات النحاس والزنك والرصاص.

التعامل

السلامة

معلومات السلامة الخاصة بالكبريت

السمية والمخاطر الصحية

الكبريت العنصري منخفض السمية بدرجة ملحوظة، إذ يتجاوز LD50 الفموي 5,000 mg/kg لدى الجرذان، مما يجعله غير سام عمليًا. ومع ذلك، تشكل مركبات الكبريت مخاطر كبيرة:

كبريتيد الهيدروجين (H₂S): غاز شديد السمية، مميت عند 500-1000 ppm خلال دقائق
ثاني أكسيد الكبريت (SO₂): مهيج للجهاز التنفسي، وحد OSHA هو 5 ppm (8-hour TWA)
ثنائي كبريتيد الكربون (CS₂): سم عصبي يؤثر في الجهاز العصبي المركزي، وحد OSHA هو 20 ppm

لوائح OSHA وحدود التعرض

غبار الكبريت العنصري: 15 mg/m³ من الغبار الكلي، و5 mg/m³ من الجزء القابل للاستنشاق
حمض الكبريتيك: 1 mg/m³ (8-hour TWA)، ومستوى الخطر الفوري 15 mg/m³
كبريتيد الهيدروجين: حد سقف 10 ppm، وذروة قصوى قدرها 50 ppm لمدة 10 دقائق

معدات الوقاية الشخصية (PPE)

الوقاية التنفسية: أقنعة N95 لغبار الكبريت، وهواء مزود لبيئات H₂S
حماية العينين: نظارات واقية عند التعامل مع مركبات الكبريت
حماية الجلد: قفازات من النتريل وملابس مقاومة للمواد الكيميائية عند التعامل مع الأحماض
حماية القدمين: أحذية مقاومة للمواد الكيميائية في البيئات الصناعية

التعامل والتخزين الآمن

الكبريت العنصري: يُخزن في أماكن باردة وجافة بعيدًا عن المؤكسدات. يمكن لغبار الكبريت أن يسبب مخاطر انفجار؛ لذا يجب الحفاظ على الرطوبة فوق 65% واستخدام معدات مضادة للكهرباء الساكنة. يجب تأريض جميع الحاويات وتجنب الأنشطة المولدة للاحتكاك.

حمض الكبريتيك: يُخزن في حاويات مزدوجة الجدران، مع الحفاظ على درجة حرارة أقل من 40°C. أضف الحمض دائمًا إلى الماء، ولا تضف الماء إلى الحمض أبدًا. وفّر محطات غسل العينين في حالات الطوارئ ضمن مسافة 25 قدمًا من مناطق التخزين.

إجراءات الطوارئ

ملامسة الجلد لحمض الكبريتيك: اغسل فورًا بالماء لمدة 15+ دقيقة، وانزع الملابس الملوثة
التعرض للعينين: اشطف بالماء لمدة 15+ دقيقة، واطلب العناية الطبية فورًا
التعرض لكبريتيد الهيدروجين: انتقل فورًا إلى الهواء النقي، وقدّم الأكسجين إن توفر، واتصل بخدمات الطوارئ
الابتلاع: لا تحفز القيء عند ابتلاع الأحماض، وأعطِ الماء إذا كان الشخص واعيًا، واطلب العناية الطبية

مخاطر الحريق والانفجار

يحترق الكبريت عند 248°C منتجًا ثاني أكسيد الكبريت السام. ويمكن لغبار الكبريت أن يكوّن مخاليط متفجرة في الهواء (35-1400 g/m³). استخدم رذاذ الماء لتبريد الكبريت المشتعل، ولا تستخدم أبدًا طفايات CO₂ أو الطفايات الكيميائية الجافة على حرائق الكبريت الكبيرة.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن كبريت

ما هو كبريت؟

كبريت (رمزه S) هو العنصر 16 في الجدول الدوري، وينتمي إلى لافلز في الدورة 3 والمجموعة 16. أصفر وهش، ومسؤول عن رائحة أعواد الثقاب المشعلة والبيض الفاسد والفوهات البركانية. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.

ما التوزيع الإلكتروني لـ كبريت؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـكبريت هو [Ne] 3s² 3p⁴، ويشغل 3 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 6. يحتوي غلافه الخارجي على 6 إلكتروناتٍ، وهذا ما يحدد سلوكه في الترابط.

ما نقطتا انصهار وغليان كبريت؟

ينصهر كبريت عند 388.4 K (115.2 °C) ويغلي عند 717.8 K (444.7 °C).

ما الكتلة الذرية لـ كبريت؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ كبريت ‏32.06 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة كبريت؟

تبلغ كثافة كبريت مقدار 2.067 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من كبريت أثقل بنحو 2.1×.

ما الكهروسلبية لـ كبريت؟

تبلغ كهروسلبية كبريت وفق مقياس باولنغ 2.58. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.

من اكتشف كبريت ومتى؟

عُرف كبريت منذ العصور القديمة — فهو يوجد في صورة يمكن استخدامها دون صهر، لذلك لا يمكن نسب اكتشافه إلى شخص واحد. يأتي الاسم من السنسكريتية sulvere، عبر اللاتينية sulphurium.

ما مدى وفرة كبريت على الأرض؟

يشكّل كبريت حوالي 350 mg/kg من قشرة الأرض — وهو شائع بما يكفي لاستخراجه على نطاق واسع.

→ السابق P فسفور العنصر 15 · لافلز التالي ← Cl كلور العنصر 17 · هالوجين