硫黄とは何ですか?
硫黄(記号S)は周期表の元素16で、3周期、16族の非金属です。 黄色く、もろく、擦ったマッチ、腐った卵、火山の噴気孔のにおいの原因となる元素です。 室温では固体です。
構造
リング上の点の図ではありません — 占有されている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。
測定値
各バーは、その性質について硫黄が118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。
大きさ、実寸比
半径105 pmです。これは0.105 nmなので、約4.76百万個を横に並べると1ミリメートルになります。
熱範囲
硫黄は、388 Kから718 Kまでの329 Kの範囲で液体です。
物語
特徴的なにおいのある黄色の固体です。タンパク質に不可欠です。
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一つです。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」で燻蒸と医療目的での使用を記録しました。
この元素の名称は、燃えることを意味する「sulfur」に関連するラテン語の「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やSicilyの火山島周辺の火山活動と結び付けていました。
Jabir ibn Hayyan(721-815 CE)は、化学の父として知られ、硫黄・水銀説の中で硫黄を物質の基本原理の一つとして位置付けました。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。彼の著作「Kitab al-Khawass al-kabir」には、硫黄の性質と精製法が記されています。
硫黄に関する現代的な理解は、Antoine Laurent Lavoisier(1743-1794)によって始まりました。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年の有名な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Louis Jacques Thénard(1777-1857)は、1809年に硫化水素が水素と硫黄だけを含み、未知の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。
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日に硫酸製造用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だったため、世界的な硫黄需要が高まりました。
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採取する課題を解決しました。Louisiana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上げる方法を開発しました。
1894年12月26日、Louisiana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、United Statesは世界最大の硫黄生産国になりました。
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。Swedish chemist 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明らかになりました。Frederick Gowland Hopkinsは硫黄を含むアミノ酸の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Peregrine Phillipsが1831年に発明したもので、次の3段階で構成されます。
現代の工場では、1日最大3,000トンを生産でき、変換効率は99.5%に達します。主な生産者にはMosaic Company(Florida)とNutrien(Canada)があります。
硫酸は過リン酸石灰や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、水溶性のリンが生成されます。CargillとCF 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。
硫酸はアルキル化プロセス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、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。
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Arizona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。この方法では、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。
硫黄化合物は重要な中間体です。
Charles Goodyearが1839年に発見した方法では、単体硫黄を用いてゴムポリマーを架橋します。BridgestoneとMichelinによる現代のタイヤ製造では、重量比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。この方法により、柔らかいゴムが、極端な温度変化に耐える丈夫で弾性のある材料に変わります。
起源
地殻に350 mg/kg存在し、86%の元素より存在度が高い
硫黄は地殻中で10番目に存在度の高い元素で、濃度は260 ppmです。また、人体では5番目に存在度が高い元素です。この元素は、独特な化学的性質と生物地球化学的循環により、特定の地質環境に集中しています。
純粋な硫黄の結晶は、いくつかの地質学的過程によって形成されます。
自然界には、硫黄を含む鉱物が200種類以上存在します。
硫黄は、生物学的過程を通じて複雑な変換を受けます。
硫黄は、温度が30億Kを超える大質量星(太陽質量の>8倍)でのケイ素燃焼によって形成されます。この過程では、恒星進化の最終段階に²⁸Si + ⁴He → ³²S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ており、初期太陽系の化学組成の証拠となっています。
海水には硫酸イオン(SO₄²⁻)として約905 ppmの硫黄が含まれており、塩化物イオンに次いで2番目に存在度の高い陰イオンです。中央海嶺の熱水噴出孔では、高温の火山性流体と冷たい海水の反応によって硫黄鉱物が堆積し、銅、亜鉛、鉛の硫化物に富む「ブラックスモーカー」チムニーが形成されます。
取り扱い
単体硫黄は毒性が非常に低く、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性があります。
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。保管区域から25フィート以内に緊急用洗眼設備を設置します。
硫黄は248°Cで燃焼し、有毒な二酸化硫黄を生成します。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スプレーを使用し、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(記号S)は周期表の元素16で、3周期、16族の非金属です。 黄色く、もろく、擦ったマッチ、腐った卵、火山の噴気孔のにおいの原因となる元素です。 室温では固体です。
[Ne] 3s² 3p⁴で、2, 8, 6という分布の電子殻が3個あります。 最外殻には6個の電子があり、これによって結合の性質が決まります。硫黄の融点は388.4 K(115.2 °C)、沸点は717.8 K(444.7 °C)です。
硫黄の標準原子量は32.06 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。
硫黄の密度は2.067 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、硫黄の塊は約2.1倍重いです。
硫黄のポーリング電気陰性度は2.58です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。
硫黄は古代から知られています。精錬せずに利用できる形で存在するため、その発見を特定の人物に帰することはできません。 名称はサンスクリット語の sulvere に由来し、ラテン語の sulphurium を経ています。に由来します。
地球の地殻における硫黄の割合は約350 mg/kgで、十分に豊富なため大規模に採掘されています。