16 S 硫黄 32.06
非金属 p-block Period 3 Group 16

硫黄

S · Element 16 · Chalcogens

Yellow, brittle, and responsible for the smell of struck matches, rotten eggs and volcanic vents.

20°Cでの状態 固体
原子量 32.06 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ne] 3s² 3p⁴

構造

硫黄原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

性質一覧

各バーは、その性質について硫黄が118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

密度 2.067 g/cm³ 18%
融点 388.4 K 22%
沸点 717.8 K 18%
比熱 0.71 J/g·K
熱伝導率 0.21 W/m·K 13%

原子

原子半径 105 pm 9%
共有結合半径 105 pm
ファンデルワールス半径 180 pm

電子

電気陰性度 2.58 92%
イオン化エネルギー 999.6 kJ/mol 85%
電子親和力 200.7 kJ/mol 91%

存在

地殻中の存在度 350 mg/kg 86%

同定

元素記号S
原子番号16
原子量32.06 u
分類非金属
ブロックp
結晶構造斜方晶系
酸化数-2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6
発見年Prehistoric
発見者Known since antiquity

出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a 硫黄 atom?

Radius 105 pm — that is 0.105 nm, so about 4762 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

硫黄 is liquid over a 329 K window, from 388 K to 718 K.

位置

表での位置

硫黄 sits in period 3, group 16. Everything in group 16 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 非金属

All 非金属

物語

硫黄とは何か、そしてどのように発見されたか

特徴的なにおいのある黄色い固体です。タンパク質に不可欠です。

The discovery of 硫黄

硫黄の発見と歴史

古代の知識と初期の用途

硫黄は、古代文明が純粋な形で知っていた数少ない元素の1つです。紀元前500年頃、中国の錬金術師は硫黄を「liu huang」(流れる黄色)と呼び、初期の火薬製造に使用しました。古代エジプト人は硫黄をミイラ作りと医療に用い、ギリシャの哲学者Pliny the Elder(23-79 CE)は著書「Natural History」で燻蒸と医療への用途を記録しました。

元素名は、燃えることを意味する「sulfur」に関連するラテン語「sulfurium」に由来します。古代ローマ人はこれを「sulphur」と呼び、特にMount Vesuvius周辺やシチリア島の火山活動と結び付けていました。

中世イスラム世界の貢献

化学の父とされるJabir ibn Hayyan(721-815 CE)は、硫黄・水銀説において硫黄を物質の基本原理の1つとして特定しました。このペルシャの博学者は、すべての金属が異なる割合の硫黄と水銀を含むと提唱し、この説は何世紀にもわたって錬金術の考え方を支配しました。著書「Kitab al-Khawass al-kabir」では、硫黄の性質と精製法を説明しました。

Antoine Lavoisierによる革命的な分類

硫黄に関する現代的な理解は、Antoine Laurent Lavoisier(1743-1794)から始まりました。彼は画期的な1777年の実験で、硫黄が元素であることを決定的に証明しました。Paris Arsenalの研究室で、硫黄をより単純な物質に分解できないことを示し、1789年の著書「Traité Élémentaire de Chimie」に掲載した33元素の一覧に硫黄を含めました。

Lavoisierの弟子Joseph Louis Gay-Lussac(1778-1850)と同僚のLouis Jacques Thénard(1777-1857)は、1809年に硫化水素が水素と硫黄だけから成り、隠れた成分を含まないことを示して、硫黄が元素であることをさらに確認しました。

産業革命と接触法

硫黄の産業的重要性は19世紀に急速に高まりました。イギリスの酢製造業者Peregrine Phillipsは、1831年10月15日に硫酸製造の接触法の特許を取得しました。彼の方法は白金触媒を用いて二酸化硫黄を効率的に三酸化硫黄へ変換し、化学品製造に革命をもたらしました。

Nicolas Leblanc(1742-1806)はそれ以前の1791年にルブラン法を開発しました。この方法では炭酸ナトリウムの製造に大量の硫酸が必要で、世界的な硫黄需要を押し上げました。

Frasch法の革命

ドイツ系アメリカ人の化学者Herman Frasch(1851-1914)は、1894年に特許を取得した独創的な方法によって、地下鉱床から硫黄を抽出する課題を解決しました。ルイジアナ州のUnion Sulfur Companyで働いていたFraschは、過熱水(160°C)で地下の硫黄を溶かし、圧縮空気で地表へ押し出す方法を開発しました。

1894年12月26日、ルイジアナ州のSulphur Mineで最初のFrasch井が溶融硫黄を生産し、世界の硫黄産業を変革しました。1900年までに、アメリカの硫黄生産量は100倍に増加し、アメリカ合衆国は世界最大の硫黄生産国となりました。

現代の硫黄科学

Eilhard Mitscherlich(1794-1863)は1823年に硫黄の同素体を発見し、斜方晶と単斜晶の結晶を特定しました。スウェーデンの化学者Jöns Jacob Berzelius(1779-1848)は1818年に硫黄の原子量を32.07と決定しました。これは現在認められている32.065という値に非常に近いものです。

20世紀には生化学における硫黄の役割が解明され、Frederick Gowland Hopkinsが硫黄を含むアミノ酸であるシステインとメチオニンを発見し、1929年にノーベル生理学・医学賞を受賞しました。

用途

硫黄の用途

硫黄の工業用途

硫酸の製造(硫黄使用量の85%)

硫黄は主に接触法によって硫酸(H₂SO₄)に変換されます。この方法は1831年にPeregrine Phillipsが発明した3段階の工程です。

  • 第1段階:硫黄を空気中で燃焼させ、二酸化硫黄を生成します(S + O₂ → SO₂)。
  • 第2段階:450°Cで五酸化バナジウムを用いて接触酸化します(2SO₂ + O₂ → 2SO₃)。
  • 第3段階:濃硫酸に吸収させ、酸霧の発生を防ぎます。

近代的な工場では、1日最大3,000トンを生産し、変換効率は99.5%に達します。主な生産者にはMosaic Company(フロリダ州)とNutrien(カナダ)があります。

肥料製造

硫酸は過リン酸石灰重過リン酸石灰などのリン酸肥料の製造に不可欠です。Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄の反応により、水溶性リンが生成します。CargillCF Industriesは、アメリカ中西部全域で大規模な硫黄・肥料製造施設を運営しています。

石油精製

硫酸はアルキル化工程によって石油精製中の不純物を除去します。ExxonMobilとChevronは40-60%の硫酸を触媒として使用し、イソブタンとアルケンを結合させて高オクタン価ガソリン成分を製造しています。1つの製油所で、1日に200-500トンの硫酸を消費します。

金属加工と鉱業

硫酸はヒープリーチングによって低品位鉱石から銅を浸出させます。Freeport-McMoRanのアリゾナ州の事業所では、粉砕した鉱石に希硫酸(pH 1.5-2.0)を散布し、銅を硫酸銅として溶解します。この工程により、銅をわずか0.4-0.8%しか含まない鉱石から60-90%の銅を回収できます。

化学品製造

硫黄化合物は重要な中間体です。

  • 二酸化硫黄(SO₂):食品保存料(E220)およびワインの防腐剤
  • 二硫化炭素(CS₂):Lenzing AGの施設でのビスコース・レーヨン製造
  • 硫化水素(H₂S):石油精製所のClaus法による純粋な硫黄の原料
  • 硫黄塩化物:ゴム加硫促進剤

ゴムの加硫

Charles Goodyearの1839年の発見では、単体硫黄を用いてゴムポリマーを架橋します。BridgestoneMichelinの現代的なタイヤ製造では、質量比1-3%の硫黄を使用し、ポリマー鎖の間にジスルフィド結合を形成します。この工程により、軟らかいゴムが、極端な温度に耐える丈夫で弾性のある材料に変わります。

硫黄の日常的な用途

農業製品

  • 園芸用硫黄粉末 - ブルーベリーやツツジなど酸性土壌を好む植物のための土壌pH低下
  • 硫酸塩肥料 - Simplotなどのメーカーによる硫酸アンモニウム(21-0-0-24S)
  • 殺菌剤スプレー - ブドウやバラのうどんこ病対策に用いる有機硫黄粉剤
  • 家畜用サプリメント - ミネラル欠乏を防ぐ牛用硫黄ブロック

パーソナルケアと健康

  • ニキビ治療薬 - 硫黄石けんとクリーム(ブランド:De La Cruz、Grisi)
  • フケ用シャンプー - Head & Shoulders Clinical Strengthに含まれる硫化セレン
  • 関節炎治療薬 - MSM(メチルスルホニルメタン)サプリメント
  • 皮膚疾患 - 脂漏性皮膚炎や酒さ用の硫黄軟膏

食品と飲料

  • ワインの保存 - 二酸化硫黄(SO₂)が酸化と細菌の増殖を防ぎます
  • ドライフルーツ - アンズやレーズンに含まれる亜硫酸塩が色と鮮度を保ちます
  • 食品加工 - 抗菌剤としてのピロ亜硫酸カリウム
  • ビール醸造 - 硫黄化合物から衛生管理用のCampdenタブレットを作ります

家庭用と工業用

  • マッチ - どこでも着火できるマッチの頭薬と安全マッチの側薬に含まれる硫黄
  • 火薬 - 伝統的な黒色火薬(硝石75%、木炭15%、硫黄10%)
  • 製紙 - International Paperの工場で行われる亜硫酸塩パルプ化法
  • 写真 - 芸術的な白黒プリント用の硫化銀調色剤
  • コンクリート - 耐薬品性構造物に用いる硫黄コンクリート

自動車と輸送

  • タイヤ製造 - すべてのゴムタイヤに用いる加硫剤
  • バッテリー液 - 鉛蓄電池に用いる硫酸電解液
  • 燃料添加剤 - 有機硫黄化合物による燃料安定性の向上
  • ブレーキ液 - DOT 3およびDOT 4製剤に含まれる硫黄化合物

由来

天然での存在

350 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 86% of elements

硫黄の自然界での存在

地球上の存在度

硫黄は地殻中で10番目に存在度の高い元素で、260 ppmを占めます。また、人体では5番目に存在度の高い元素です。この元素は、独特な化学的性質と生物学的循環により、特定の地質環境に集中しています。

単体硫黄の鉱床

純粋な硫黄結晶は、いくつかの地質過程によって形成されます。

  • 火山地域:イタリアのMount Vesuvius、インドネシアのKawah Ijen、アメリカのYellowstoneには、硫化水素の酸化による自然硫黄が存在します
  • 岩塩ドーム:テキサス州とルイジアナ州のメキシコ湾岸には、石こうの細菌還元によって形成された、厚さ最大150メートルの大規模な硫黄鉱床があります
  • 温泉:ニュージーランドのRotoruaやMammoth Hot Springsでは、硫化水素に富む水が酸素に触れると硫黄が沈殿します

硫黄鉱物

自然界には200種類を超える含硫黄鉱物が存在します。

  • 黄鉄鉱(FeS₂):「愚者の黄金」と呼ばれ、最も一般的な硫黄鉱物で、世界中に存在します
  • 方鉛鉱(PbS):主要な鉛鉱石で、ミズーリ州、オーストラリア、ペルーに大規模な鉱床があります
  • 閃亜鉛鉱(ZnS):主要な亜鉛鉱石で、ミシシッピバレー型鉱床に豊富です
  • 黄銅鉱(CuFeS₂):最も重要な銅鉱石で、斑岩鉱床に存在します
  • 石こう(CaSO₄·2H₂O):堆積岩中に大規模な層を形成する蒸発岩鉱物です
  • 硬石こう(CaSO₄):地下深部で石こうが脱水すると形成されます

生物学的硫黄循環

硫黄は生物学的過程を通じて複雑な変換を受けます。

  • 海洋環境:植物プランクトンがジメチルスルフィド(DMS)を生成し、雲の形成と気候に影響を与えます
  • 土壌生態系:硫酸塩還元菌が嫌気条件下で硫酸塩を硫化水素に変換します
  • 温泉の細菌:Sulfolobusなどの好熱性生物が80°Cを超える温度で硫黄を酸化します
  • 植物の代謝:アブラナ科の野菜(ブロッコリー、ニンニク)は有機硫黄化合物を濃縮します

宇宙と恒星における起源

硫黄は、8太陽質量を超える大質量星の内部で、温度が30億Kを超えるケイ素燃焼によって形成されます。恒星進化の最終段階で、²⁸Si + ⁴He → ³²Sの反応が起こります。硫黄-16は陽子の「魔法数」を持つため、非常に安定しています。隕石にはトロイライト(FeS)やオルダム石(CaS)として硫黄が含まれ、初期太陽系の化学組成の証拠となっています。

海洋化学

海水には硫酸イオン(SO₄²⁻)として約905 ppmの硫黄が含まれ、塩化物イオンに次いで2番目に存在度の高い陰イオンとなっています。中央海嶺の熱水噴出孔では、高温の火山性流体が冷たい海水と反応して硫黄鉱物を堆積させ、銅、亜鉛、鉛の硫化物に富む「ブラックスモーカー」チムニーを形成します。

取り扱い

安全性

硫黄の安全性情報

毒性と健康上の危険

単体硫黄の毒性は非常に低く、ラットにおける経口LD50は>5,000 mg/kgで、実質的に無毒です。ただし、硫黄化合物には重大な危険があります。

  • 硫化水素(H₂S):極めて有毒な気体で、500-1000 ppmでは数分以内に致死的です
  • 二酸化硫黄(SO₂):呼吸器刺激物質で、OSHAの許容限界は5 ppm(8時間TWA)です
  • 二硫化炭素(CS₂):中枢神経系に影響する神経毒で、OSHAの許容限界は20 ppmです

OSHA規則とばく露限界

  • 単体硫黄粉じん:総粉じん15 mg/m³、呼吸性画分5 mg/m³
  • 硫酸:1 mg/m³(8時間TWA)、直ちに生命に危険を及ぼす濃度15 mg/m³
  • 硫化水素:天井値10 ppm、10分間の最大ピーク50 ppm

個人用保護具(PPE)

  • 呼吸用保護具:硫黄粉じんにはN95マスク、H₂S環境では給気式呼吸用保護具
  • 目の保護:硫黄化合物を扱う際は保護ゴーグルを着用します
  • 皮膚の保護:ニトリル手袋、酸を扱う際は耐薬品性衣類
  • 足の保護:工業環境では耐薬品性ブーツ

安全な取扱いと保管

単体硫黄:酸化剤から離れた、涼しく乾燥した場所に保管します。硫黄粉じんは爆発の危険を生じるため、湿度を65%以上に保ち、静電気防止装置を使用します。すべての容器を接地し、摩擦を生じる作業を避けます。

硫酸:二重壁容器に保管し、温度を40°C未満に保ちます。必ず酸を水に加え、水を酸に加えてはいけません。保管場所から25フィート以内に緊急用洗眼設備を設置します。

緊急時の手順

  • 硫酸が皮膚に付着した場合:直ちに15分以上水で洗い流し、汚染された衣類を脱ぎます
  • 眼に入った場合:15分以上水ですすぎ、直ちに医師の診察を受けます
  • 硫化水素にばく露した場合:直ちに新鮮な空気の場所へ移動し、可能であれば酸素を供給して、救急サービスに連絡します
  • 飲み込んだ場合:酸の場合は吐かせず、意識があれば水を与え、医師の診察を受けます

火災と爆発の危険

硫黄は248°Cで燃焼し、有毒な二酸化硫黄を発生させます。硫黄粉じんは空気中で爆発性混合物(35-1400 g/m³)を形成することがあります。燃焼中の硫黄を冷却するには水 sprayを使用し、大規模な硫黄火災にはCO₂消火器や粉末消火器を決して使用しません。

簡単な回答

硫黄:よくある質問

What is 硫黄?

硫黄 (symbol S) is element 16 on the periodic table, a 非金属 in period 3, group 16. Yellow, brittle, and responsible for the smell of struck matches, rotten eggs and volcanic vents. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 硫黄?

硫黄's ground-state electron configuration is [Ne] 3s² 3p⁴, giving 3 occupied shells holding 2, 8, 6 electrons respectively. Its outer shell holds 6 electrons, which is what sets its bonding behaviour.

What are the melting and boiling points of 硫黄?

硫黄 melts at 388.4 K (115.2 °C) and boils at 717.8 K (444.7 °C).

What is the atomic mass of 硫黄?

The standard atomic weight of 硫黄 is 32.06 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 硫黄?

硫黄 has a density of 2.067 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 硫黄 is about 2.1× heavier.

What is the electronegativity of 硫黄?

硫黄 has a Pauling electronegativity of 2.58. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 硫黄, and when?

硫黄 has been known since antiquity — it occurs in a form usable without smelting, so no single person can be credited with its discovery. The name comes from sanskrit sulvere, via Latin sulphurium.

How common is 硫黄 on Earth?

硫黄 makes up about 350 mg/kg of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.