16 S 硫黄 32.06
非金属 pブロック 3周期 16族

硫黄

S · 元素 16 · 非金属

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。

20°Cでの状態 固体
原子量 32.06 u
電子配置[Ne] 3s² 3p⁴

構造

硫黄の原子

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。

軌道雲

測定値

物性表

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。

物理的性質

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%

同一性

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
発見者古代から知られていました

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

硫黄の原子はどのくらいの大きさですか?

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

固体、液体、気体—そしてそのとき

硫黄は、388 Kから718 Kまでの329 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

硫黄は周期3、族16に位置します。 族16のすべての元素は最外殻電子数が同じであるため、非常によく似た性質を示します。

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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の固体です。タンパク質に不可欠です。

硫黄の発見

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。

中世イスラム世界の貢献

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。

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)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。

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。

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。

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。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

硫黄の用途

硫黄の産業用途

硫酸の製造(硫黄用途の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。

  • 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触媒酸化します(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。

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。

肥料の製造

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。

石油精製

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。

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。

化学品の製造

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):製油所のClaus法による純硫黄の原料
  • 塩化硫黄類:ゴム加硫促進剤

ゴムの加硫

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。

硫黄の日常的な用途

農業用品

  • 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用の有機硫黄粉剤
  • 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止
  • 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維持
  • 食品加工 - 抗菌剤としてのメタ重亜硫酸カリウム
  • ビール醸造 - 殺菌用のCampden tabletを作る硫黄化合物

家庭用品と産業用品

  • マッチ - 摩擦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%)
  • 紙の製造 - International Paperの工場での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 - 化学物質に耐える建設用途向けの硫黄コンクリート

自動車と輸送

  • タイヤ製造 - すべてのゴムタイヤに用いられる加硫剤
  • バッテリー液 - 鉛蓄電池に用いられる硫酸電解液
  • 燃料添加剤 - 燃料の安定性を高める有機硫黄化合物
  • ブレーキ液 - DOT 3およびDOT 4の配合に含まれる硫黄化合物

起源

自然界での存在

地殻に350 mg/kg存在し、86%の元素より存在度が高い

硫黄の天然での存在

地球上での存在度

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。

単体硫黄の鉱床

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。

  • 火山地域:Mount Vesuvius(Italy)、Kawah Ijen(Indonesia)、Yellowstone(USA)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:TexasとLouisianaのGulf Coastには、石こうの細菌還元によって形成された、厚さ最大150メートルの巨大な硫黄鉱床があります。
  • 温泉:Rotorua(New Zealand)と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、硫黄を含む鉱物が200種類以上存在します。

  • 黄鉄鉱(FeS₂):「愚者の黄金」―最も一般的な硫黄鉱物で、世界中に分布します。
  • 方鉛鉱(PbS):主要な鉛鉱石で、Missouri、Australia、Peru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、Mississippi Valley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):堆積岩中に厚い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。

生物学的な硫黄循環

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:植物プランクトンは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:硫酸塩還元細菌は、嫌気的条件下で硫酸塩を硫化水素に変換します。
  • 温泉細菌:Sulfolobusなどの好熱性生物は、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。

宇宙と恒星での起源

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。

海洋の化学

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

安全性

硫黄の安全性に関する情報

毒性と健康上の危険

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。

  • 硫化水素(H₂S):非常に有毒な気体で、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):中枢神経系に影響を与える神経毒で、OSHAの許容限界は20 ppmです。

OSHA規制とばく露限界

  • 単体硫黄粉じん:総粉じん15 mg/m³、吸入可能画分5 mg/m³
  • 硫酸:1 mg/m³(8時間TWA)、直ちに危険となる濃度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
  • 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。

緊急時の対応

  • 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。
  • 眼にばく露した場合:15分以上水で洗い流し、直ちに医療機関を受診します。
  • 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、緊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、医療機関を受診します。

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:よくある質問

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。

硫黄の電子配置はどのようなものですか?

硫黄の基底状態の電子配置は[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。

硫黄の融点と沸点は何ですか?

硫黄の融点は388.4 K(115.2 °C)、沸点は717.8 K(444.7 °C)です。

硫黄の原子量は何ですか?

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。

硫黄の密度はどのくらいですか?

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。

硫黄の電気陰性度はどのくらいですか?

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。

硫黄を発見したのは誰で、いつですか?

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。

地球上で硫黄はどのくらい一般的ですか?

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。