Trisíra je formou síry, s níž se v horninách  na zemském povrchu setkáváme jen vzácně. Podle posledních objevů se však může jednat o převládající formu tohoto prvku v zemské kůře. Podmínky jejího vzniku a působení při teplotách a tlacích v zemských hlubinách mohou odhalit nové překvapivé souvislosti procesů v hlubinách Země. Například těch, které vedou ke vzniku rud.

Podle posledního skutečně zásadního objevu francouzských vědců je v hlubinách Země ukryta vzácná forma síry, trisíra, s níž se můžeme setkat v povrchových horninách jen zřídka. V pozemských podmínkách se trisíra vyskytuje jen v lazuritu a nerostu, jehož je lazurit součástí, v lapisu lazuli (viz rámeček).

Pokud bychom tedy mohli nahlédnout pod povrch Země, možná zjistíme, že tekutá hmota je krásné ultramarinově modrá. Žijeme na Zemi, v jejíchž žilách koluje modrá krev s rozpuštěným zlatem.

Modrý poutník v laboratoři

Podle posledního objevu se síra ve velkých hloubkách vyskytuje ve formě tří spojených atomů.  Tato  molekula, trisíra, je  iontem se záporným nábojem, tedy aniontem.  (Iont je záporně elektricky nabitá částice, název je odvozen z řeckého ión – poutník).

Iont trisíry (S3-) je tedy forma zcela odlišná od dalších známých podob tohoto prvku, například sulfátu (SO42) a sulfidu (S2-).

„Je to přechodná forma síry,“ upřesňuje Gleb Pokrovski, experimentální geochemik Geosciences Environnement ve francouzském Toulouse. S přechodností, tedy nestabilitou této formy se však pojí řada technických problémů.  Pokud by materiál získaný z vrtů byl vynesen na povrch, změna tlaku i teploty by způsobila nestabilitu hlubinných struktur a jejich přechod do stabilnější podoby na zemském povrchu obvyklé a výzkumníci by neměli šanci objevit nic nového.

Pokrovského tým by  musel analyzovat sloučeniny v hlubinných vrtech a to při teplotách a tlacích, ve kterých vznikají.

Co je možné mezi dvěma diamanty

I s touto obtíží si však dovede současná věda poradit. Podmínky panující v hloubkách sta kilometrů pod povrchem Země je dnes možné napodobit v laboratoři. Pokrovski a jeho tým používali pro analýzu zařízení označované obvykle jako diamantová komůrka nebo diamantová kovadlinová komůrka.

V malém prostoru vytvořeném mezi dvěma diamanty vystavovali tekuté látky obsahující síru teplotám a tlakům obdobným těm, které panují 10–100 km pod povrchem.

Používání diamantové komůrky je v geochemickém výzkumu docela obvyklé, ale jejich použití ke studiu tekutin je složitější než při studiu pevných látek. „Není mnoho skupin, které by tuto metodiku používaly,“ oceňuje svůj tým Pokrovski.

Síra jako rozpouštědlo

Roztoky byly připraveny tak, aby se co nejvíce podobaly  těm podzemním. Síra ve formě elementární síry (S) a tzv. thiosíranů, solí obsahujících síru v podobě aniontu S2O3-, byla umístěna do vodného prostředí.

Typy probíhajících chemických reakcí pak vědci  sledovali pomocí infračervené nebo Ramanovy (či ramanovské) spektroskopie. Tato metoda napomáhá určit složení vzorku tím, že na něj zaměří laserový paprsek.

Z rozptylu laserového paprsku a měření posunu energetického stavu rozptýlených a dopadajících fotonů pak vědci zjistili, že při teplotách do 250 ºC se síra se chová docela očekávatelným způsobem.  Při vyšších teplotách a tlacích je však naopak její nejstabilnější formou aniont trisíry.

Další nečekanou, ale obrovsky významnou vlastností je podobnost molekuly trisíry s molekulou vody. Vazebné úhly mezi jednotlivými atomy jsou totiž velmi podobné. Stopa odtud vede k neočekávané vlastnosti této formy síry – může fungovat jako velmi dobré rozpouštědlo.

Geochemická záhada

V hloubkách spodních vrstev zemské kůry a svrchního pláště existuje síra jako součást tekutých mas a ovlivňuje formování kovových rud zlata, mědi, platiny a dalších drahých kovů. Těžební firmy vědí, kde takové kovy najít.

Geochemici, kteří řešili problém rozpustnosti kovů v geologických tekutinách, však přesně nechápali, proč a jak se ložiska rud vytvářejí. Objev vlastností trisíry by ovšem mohl znamenat pro tento problém zcela nové řešení.

A co víc, geochemici někdy používají poměry izotopů síry pro sledování cest magmatu. I to by mohl tento objev změnit. Další výzkum tedy bude směřovat ke schopnosti aniontu trisíry vytvářet v kapalinách za různých podmínek vazby s kovy.

Všechno bylo jinak?

Podrobný průzkum vlastností trisíry by však mohl napomoci i při řešení dalších dosud neobjasněných problémů v oblasti  zkoumání a pochopení raného vývoje  Země. „Geochemie izotopu síry je založena na základním předpokladu, že sulfát (nebo oxid siřičitý) a sulfid jsou dvě hlavní formy síry ve vodném prostředí a při vysokých teplotách,“ říká Hiroshi Ohmoto, geochemik Pennsylvania State University.

Obvyklá teorie tvrdí, že zemská atmosféra byla extrémně chudá kyslíkem do té doby, než živí tvorové přišli s vynálezem fotosyntézy (asi před 2 až 2,4 miliardami let). Tato teorie je částečně založena na poměru čtyř stabilních izotopů síry:  32S, 33S, 34S a 36S, které jsou nalézány v ložiscích z té doby.

Geochemici však zjistili, že tento poměr může být určitelným způsobem ovlivněn množstvím kyslíku v atmosféře, takže se stal i vhodným kritériem pro určování hladiny kyslíku. „Ale studie nebraly zatím v úvahu, do jaké míry byl poměr různých izotopů síry ovlivněný možnou přítomností aniontu S3-,“ upozorňuje Pokrovski.

Přepíšeme učebnice?

„Tato studie ukázala, že některé předpoklady byly příliš zjednodušující a naznačuje důležitost studia kinetiky izotopů síry. To znamená rovnovážných reakcí mezi sulfanem, trisírovými ionty, sírany a oxidem siřičitým, aby bylo možné správně interpretovat údaje o izotopech síry v rudných ložiscích a vyvřelinách,“ doplňuje Hiroshi Ohmoto.

„Variace izotopu síry se staly významným nástrojem při hodnocení vývoje koncentrace kyslíku ve staré zemské atmosféře,“ potvrzuje hypotézy Ariel Anbar, biogeochemik z Arizona State University v americkém Tempe.

„Zjištění, že S3- může být důležitá forma síry v subdukční zóně (zóně kde dochází k podsouvání litosférických desek) pravděpodobně povede k novým hypotézám o příčinách přítomnosti některých izotopů síry například ve vulkanických pramenech.“.

Polodrahokam umělců

Lapis lazuli byl pro svou nádherně jasnou modrou barvu ceněn po tisíciletí. „Dodává odvahu, přináší soucit, poctivost a čestnost. Učí naslouchání druhým. Podporuje tvořivost a jasné, nezakalené myšlení. Upevňuje přátelství, odstraňuje krutost a strádání,“ tvrdili o něm staří alchymisté.

Z hlediska chemika či mineraloga je lapis směsí několika různých minerálů:   lazuritu (ultramarinu), kalcitu, sodalitu, pyropu, augitu a dalších příměsí. Ultramarínový polodrahokam zdobil už šperkovnice faraonů i starořecké mozaiky.

Jeho pozoruhodné zbarvení je tak nápadného odstínu, že si jej všimli i francouzští postmodernisté. Jejich čelný představitel Yves Klein (1928–1962) vytvořil vlastní obdobu tohoto pigmentu, který se používal k malování rouch starověkých madon. Jeho sochy a obrazy v modré inspirovaly řadu dalších umělců.

Síra je když…

Pevná síra se vyskytuje v několika podobách. Jako kosočtverečná je nejstálejší, nerozpustná ve vodě, je dobrým tepelným i elektrickým izolantem. Její cyklická molekula je složena z osmi atomů. Při teplotě 95,3 °C se mění v jednoklonnou formu β, kromě toho známe ještě jednoklonné formy γ (ta je nazývána poeticky perleťová) a α.

Důležitá je i polysíra, jejíž kruhové uspořádání tvoří 6 až 20 atomů. Známe ji v mnoha podobách, např. jako kaučukovitou, plastickou, vláknitou i polymerní síru.

Kapalnou se síra stává při teplotě 114 °C, kapalina je žlutá a průhledná. Při teplotě 444,5 °C začíná vřít a odpařuje se v oranžových parách, teprve při teplotě 2 000 °C se však vyskytují samostatné atomy.