What is 硫?
硫 (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.
结构
这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图都显示硫在全部118种元素中该性质的排名位置。
来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。
按比例显示的大小
Radius 105 pm — that is 0.105 nm, so about 4762 million of them side by side would span a millimetre.
热范围
硫 is liquid over a 329 K window, from 388 K to 718 K.
故事
具有独特气味的黄色固态物质。是蛋白质所必需的元素。
硫是少数以纯态为古代文明所知的元素之一。公元前500年前后,中国炼金术士称其为“硫黄”,并将其用于早期黑火药配方。古埃及人将硫用于木乃伊制作和医学;古希腊哲学家老普林尼(公元23-79年)则在其《博物志》中记载了硫用于熏蒸和医疗的用途。
该元素的名称源自拉丁语“sulfurium”,与意为“燃烧”的“sulfur”有关。古罗马人称其为“sulphur”,并将其与火山活动联系起来,尤其是维苏威火山和西西里岛的火山活动。
Jabir ibn Hayyan(公元721-815年)是化学之父,他在硫汞理论中将硫确定为物质的基本原理之一。这位波斯博学家提出,所有金属都含有不同比例的硫和汞,该理论主导炼金术思想长达数个世纪。他的著作《Kitab al-Khawass al-kabir》描述了硫的性质和提纯方法。
现代硫的认识始于Antoine Laurent Lavoisier(1743-1794)。他在具有开创性的1777年实验中最终证明硫是一种元素。在巴黎兵工厂的实验室中,Lavoisier证明硫无法分解为更简单的物质,并将其列入1789年《Traité Élémentaire de Chimie》中著名的33种元素名单。
Lavoisier的学生Joseph Louis Gay-Lussac(1778-1850)和同事Louis Jacques Thénard(1777-1857)于1809年进一步证实了硫的元素本质,他们证明硫化氢只含有氢和硫,不含隐藏成分。
硫的工业重要性在19世纪迅速提升。英国醋制造商Peregrine Phillips于1831年10月15日为硫酸生产的接触法申请了专利。他的方法使用铂催化剂高效地将二氧化硫转化为三氧化硫,彻底改变了化学品制造。
Nicolas Leblanc(1742-1806)此前于1791年开发了勒布朗法,该工艺需要大量硫酸来生产碳酸钠,推动了全球对硫的需求。
德裔美国化学家Herman Frasch(1851-1914)通过其于1894年申请专利的巧妙工艺,解决了从地下矿床中提取硫的难题。在路易斯安那州的Union Sulfur Company工作期间,Frasch开发了一种利用过热水(160°C)熔化地下硫,并用压缩空气将其推到地面的方法。
1894年12月26日,在路易斯安那州Sulphur Mine,第一口弗拉施井产出了熔融硫,改变了全球硫工业。到1900年,美国硫产量增加了100倍,成为世界领先的硫生产国。
Eilhard Mitscherlich(1794-1863)于1823年发现了硫的同素异形体,确定了正交晶体和单斜晶体。瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius(1779-1848)于1818年测定硫的原子量为32.07,与今天公认的32.065非常接近。
20世纪,人们逐渐理解了硫在生物化学中的作用。Frederick Gowland Hopkins发现了含硫氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸,并因此获得1929年诺贝尔生理学或医学奖。
应用
硫主要通过接触法转化为硫酸(H₂SO₄)。接触法由Peregrine Phillips于1831年发明,包含三个阶段:
现代工厂每天最多可生产3,000吨,转化效率达99.5%。最大的生产商包括Mosaic Company(佛罗里达州)和Nutrien(加拿大)。
硫酸对于生产过磷酸钙和重过磷酸钙等磷肥至关重要。反应Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄可生成水溶性磷。Cargill和CF Industries在美国中西部运营大型硫转肥料设施。
硫酸通过烷基化工艺去除石油精炼中的杂质。ExxonMobil和Chevron使用40-60%的硫酸催化异丁烷与烯烃的结合,生成高辛烷值汽油组分。单个炼油厂每天消耗200-500吨硫酸。
硫酸通过堆浸从低品位矿石中浸取铜。在Freeport-McMoRan的亚利桑那州作业区,粉碎后的矿石用稀硫酸(pH 1.5-2.0)灌溉,使铜以硫酸铜的形式溶解。该工艺可从仅含0.4-0.8%铜的矿石中回收60-90%的铜。
硫化合物是重要的中间体:
Charles Goodyear于1839年的发现利用单质硫使橡胶聚合物交联。Bridgestone和Michelin的现代轮胎制造按质量使用1-3%的硫,在聚合物链之间形成二硫键。该工艺将柔软橡胶转变为耐用、有弹性且耐受极端温度的材料。
来源
350 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 86% of elements
硫是地壳中丰度第10高的元素,含量为260 ppm;也是人体中丰度第5高的元素。由于其独特的化学性质和生物循环,该元素集中存在于特定的地质环境中。
纯硫晶体通过多种地质过程形成:
自然界中存在200多种含硫矿物:
硫通过生物过程发生复杂的转化:
硫通过大质量恒星(>8个太阳质量)中的硅燃烧形成,温度超过30亿K。该过程:²⁸Si + ⁴He → ³²S,发生在恒星演化的最后阶段。硫-16具有质子的“幻数”,因此异常稳定。陨石中含有陨硫铁(FeS)和陨硫钙(CaS)形式的硫,为早期太阳系化学提供了证据。
海水中约含905 ppm以硫酸根离子(SO₄²⁻)形式存在的硫,是继氯离子之后丰度第二高的阴离子。洋中脊热液喷口中的热火山流体与冷海水反应,沉积硫矿物,形成富含铜、锌和铅硫化物的“黑烟囱”。
处理
单质硫的毒性极低,大鼠口服LD50为>5,000 mg/kg,实际上无毒。然而,硫化合物会造成重大危害:
单质硫:储存在阴凉、干燥处,远离氧化剂。硫粉尘可能造成爆炸危险——保持湿度高于65%,并使用防静电设备。所有容器都要接地,避免产生摩擦的活动。
硫酸:储存在双层容器中,保持温度低于40°C。始终将酸加入水中,绝不能将水加入酸中。在储存区域25英尺范围内设置紧急洗眼站。
硫在248°C燃烧并产生有毒的二氧化硫。硫粉尘可在空气中形成爆炸性混合物(35-1400 g/m³)。使用水雾冷却燃烧的硫,大型硫火灾绝不能使用CO₂或干粉灭火器。
快速回答
硫 (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 melts at 388.4 K (115.2 °C) and boils at 717.8 K (444.7 °C).
The standard atomic weight of 硫 is 32.06 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
硫 has a density of 2.067 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 硫 is about 2.1× heavier.
硫 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 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 makes up about 350 mg/kg of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.