Structure
Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.
Valeurs mesurées
Chaque barre indique où se situe soufre parmi les 118 éléments pour cette propriété.
Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.
Taille, à l’échelle
Rayon de 105 pm — soit 0,105 nm ; il en faudrait donc environ 4,76 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.
Plage thermique
Soufre est liquide dans une plage de 329 K, de 388 K à 718 K.
L’histoire
Solide jaune à l’odeur caractéristique. Essentiel aux protéines.
Le soufre a la particularité d’être l’un des rares éléments connus des civilisations anciennes sous sa forme pure. Les alchimistes chinois, vers 500 avant notre ère, l’appelaient « liu huang » (jaune coulant) et l’utilisaient dans les premières formulations de poudre à canon. Les anciens Égyptiens employaient le soufre pour la momification et la médecine, tandis que le philosophe grec Pline l’Ancien (23–79 de notre ère) a documenté son utilisation pour la fumigation et à des fins médicinales dans son « Histoire naturelle ».
Le nom de l’élément dérive du latin « sulfurium », apparenté à « sulfur », qui signifie « brûler ». Les Romains de l’Antiquité le connaissaient sous le nom de « sulphur » et l’associaient à l’activité volcanique, notamment autour du Vésuve et des îles volcaniques de Sicile.
Jabir ibn Hayyan (721–815 de notre ère), considéré comme le père de la chimie, a identifié le soufre comme l’un des principes fondamentaux de la matière dans sa théorie soufre-mercure. Ce polymathe persan proposait que tous les métaux contiennent des proportions variables de soufre et de mercure, une théorie qui a dominé la pensée alchimique pendant des siècles. Son ouvrage « Kitab al-Khawass al-kabir » décrivait les propriétés du soufre et les méthodes de purification.
La compréhension moderne du soufre a commencé avec Antoine Laurent Lavoisier (1743–1794), qui a définitivement prouvé que le soufre était un élément lors de ses expériences novatrices de 1777. Dans son laboratoire de l’Arsenal de Paris, Lavoisier a démontré que le soufre ne pouvait pas être décomposé en substances plus simples et l’a inclus dans sa célèbre liste de 33 éléments publiée en 1789 dans le « Traité Élémentaire de Chimie ».
L’élève de Lavoisier, Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850), et son collègue Louis Jacques Thénard (1777–1857) ont confirmé la nature élémentaire du soufre en 1809 en montrant que le sulfure d’hydrogène ne contenait que de l’hydrogène et du soufre, sans composants cachés.
L’importance industrielle du soufre a explosé au cours du XIXe siècle. Peregrine Phillips, fabricant britannique de vinaigre, a breveté le procédé de contact pour la production d’acide sulfurique le 15 octobre 1831. Sa méthode utilisait des catalyseurs de platine pour convertir efficacement le dioxyde de soufre en trioxyde de soufre, révolutionnant la fabrication de produits chimiques.
Nicolas Leblanc (1742–1806) avait auparavant mis au point le procédé Leblanc en 1791, qui nécessitait d’énormes quantités d’acide sulfurique pour produire du carbonate de sodium, stimulant la demande mondiale de soufre.
Le chimiste germano-américain Herman Frasch (1851–1914) a résolu le problème de l’extraction du soufre des gisements souterrains grâce à son procédé ingénieux, breveté en 1894. Travaillant pour Union Sulfur Company en Louisiane, Frasch a mis au point une méthode utilisant de l’eau surchauffée (160 °C) pour faire fondre le soufre souterrain et de l’air comprimé pour le pousser vers la surface.
Le 26 décembre 1894, à la mine de soufre de Sulphur, en Louisiane, le premier puits Frasch a produit du soufre fondu, transformant l’industrie mondiale du soufre. En 1900, la production américaine de soufre avait été multipliée par 100, faisant des États-Unis le premier producteur mondial de soufre.
Eilhard Mitscherlich (1794–1863) a découvert les formes allotropiques du soufre en 1823, en identifiant les cristaux rhombiques et monocliniques. Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779–1848) a déterminé la masse atomique du soufre à 32,07 en 1818, une valeur remarquablement proche de la valeur acceptée aujourd’hui, 32,065.
Le XXe siècle a permis de comprendre le rôle du soufre en biochimie, notamment lorsque Frederick Gowland Hopkins a découvert les acides aminés contenant du soufre, la cystéine et la méthionine, ce qui lui a valu le prix Nobel de physiologie en 1929.
Applications
Le soufre est principalement converti en acide sulfurique (H₂SO₄) par le procédé de contact, inventé par Peregrine Phillips en 1831. Ce procédé en trois étapes comprend :
Les installations modernes produisent jusqu’à 3 000 tonnes par jour, avec une efficacité de conversion de 99,5 %. Les principaux producteurs comprennent Mosaic Company (Floride) et Nutrien (Canada).
L’acide sulfurique est essentiel à la production d’engrais phosphatés tels que le superphosphate et le triple superphosphate. La réaction Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄ produit du phosphore soluble dans l’eau. Cargill et CF Industries exploitent d’immenses installations de transformation du soufre en engrais dans tout le Midwest américain.
L’acide sulfurique élimine les impuretés lors du raffinage du pétrole par des procédés d’alkylation. ExxonMobil et Chevron utilisent de l’acide sulfurique à 40–60 % pour catalyser la combinaison de l’isobutane avec des alcènes, produisant des composants d’essence à indice d’octane élevé. Une seule raffinerie consomme 200–500 tonnes d’acide sulfurique par jour.
L’acide sulfurique lixivie le cuivre des minerais pauvres par lixiviation en tas. Dans les exploitations de Freeport-McMoRan en Arizona, le minerai concassé est irrigué avec de l’acide sulfurique dilué (pH 1,5–2,0), dissolvant le cuivre sous forme de sulfate de cuivre. Ce procédé récupère 60–90 % du cuivre contenu dans des minerais ne renfermant que 0,4–0,8 % de cuivre.
Les composés soufrés sont des intermédiaires essentiels :
La découverte de Charles Goodyear en 1839 utilise le soufre élémentaire pour créer des liaisons réticulées entre les polymères du caoutchouc. La fabrication moderne des pneus chez Bridgestone et Michelin utilise 1–3 % de soufre en masse, créant des liaisons disulfure entre les chaînes polymères. Ce procédé transforme le caoutchouc souple en un matériau durable et élastique, résistant aux températures extrêmes.
D’où il vient
350 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 86 % des éléments
Le soufre est le 10e élément le plus abondant de la croûte terrestre, avec 260 ppm, et le 5e élément le plus abondant du corps humain. L’élément se concentre dans certains environnements géologiques en raison de ses propriétés chimiques uniques et de son cycle biologique.
Les cristaux de soufre pur se forment par plusieurs processus géologiques :
Plus de 200 minéraux contenant du soufre existent dans la nature :
Le soufre subit des transformations complexes par des processus biologiques :
Le soufre se forme par combustion du silicium dans les étoiles massives (>8 masses solaires), à des températures supérieures à 3 milliards de kelvins. Le processus ²⁸Si + ⁴He → ³²S se produit au cours des dernières étapes de l’évolution stellaire. Le soufre-16 possède un « nombre magique » de protons, ce qui le rend exceptionnellement stable. Les météorites contiennent du soufre sous forme de troïlite (FeS) et d’oldhamite (CaS), témoignant de la chimie du système solaire primitif.
L’eau de mer contient environ 905 ppm de soufre sous forme d’ions sulfate (SO₄²⁻), ce qui en fait le deuxième anion le plus abondant après le chlorure. Les sources hydrothermales des dorsales médio-océaniques déposent des minéraux soufrés issus de la réaction de fluides volcaniques chauds avec l’eau de mer froide, créant des cheminées de « fumeurs noirs » riches en sulfures de cuivre, de zinc et de plomb.
Manipulation
Le soufre élémentaire présente une toxicité remarquablement faible, avec une DL50 orale supérieure à 5 000 mg/kg chez le rat, ce qui le rend pratiquement non toxique. Toutefois, les composés soufrés présentent des dangers importants :
Soufre élémentaire : stocker dans un endroit frais et sec, à l’écart des oxydants. La poussière de soufre peut créer des risques d’explosion : maintenir l’humidité au-dessus de 65 % et utiliser du matériel antistatique. Mettre tous les conteneurs à la terre et éviter les activités générant des frottements.
Acide sulfurique : stocker dans des conteneurs à double paroi et maintenir la température sous 40 °C. Toujours ajouter l’acide à l’eau, jamais l’eau à l’acide. Installer des douches oculaires d’urgence à moins de 25 pieds des zones de stockage.
Le soufre brûle à 248 °C en produisant du dioxyde de soufre toxique. La poussière de soufre peut former des mélanges explosifs dans l’air (35–1 400 g/m³). Utiliser un brouillard d’eau pour refroidir le soufre en combustion ; ne jamais utiliser de CO₂ ni d’extincteurs à poudre chimique sur les grands incendies de soufre.
Réponses rapides
Soufre (symbole S) est l’élément 16 du tableau périodique, un non-métal de la période 3, du groupe 16. Jaune, cassant et responsable de l’odeur des allumettes frottées, des œufs pourris et des évents volcaniques. À température ambiante, c’est un solide.
[Ne] 3s² 3p⁴ ; elle comporte 3 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 6. Sa couche externe contient 6 électrons, ce qui détermine son comportement en matière de liaisons.Soufre fond à 388.4 K (115.2 °C) et bout à 717.8 K (444.7 °C).
La masse atomique standard de Soufre est de 32.06 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.
Soufre a une masse volumique de 2.067 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Soufre est donc environ 2.1× plus lourd.
Soufre a une électronégativité de Pauling de 2.58. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Les valeurs de cette plage intermédiaire tendent à former des liaisons covalentes plutôt que des liaisons fortement ioniques.
Soufre est connu depuis l’Antiquité — il existe sous une forme utilisable sans réduction du minerai ; aucune personne en particulier ne peut donc être créditée de sa découverte. Le nom vient de sanskrit sulvere, via le latin sulphurium.
Soufre constitue environ 350 mg/kg de la croûte terrestre — suffisamment courant pour être extrait à grande échelle.