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.
構造
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。
測定値
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。
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
Radius 105 pm — that is 0.105 nm, so about 4762 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
硫黄 is liquid over a 329 K window, from 388 K to 718 K.
物語
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、水溶性リンが生成します。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。
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。
硫黄化合物は重要な中間体です。
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。BridgestoneやMichelin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。
由来
350 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 86% of elements
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。
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。
自然界には200種類を超える含硫黄鉱物が存在します。
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、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
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。
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。
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 (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.
[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.硫黄 melts at 388.4 K (115.2 °C) and boils at 717.8 K (444.7 °C).
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.
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.
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.
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.
硫黄 makes up about 350 mg/kg of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.