硫是什么?
硫(符号S)是元素周期表中的第16号元素,属于3周期16族的非金属。 黄色、脆弱,负责产生火柴燃烧、腐烂鸡蛋和火山喷气孔的气味。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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
每个条形图显示硫在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径105 pm——即0.105 nm,因此大约4.76百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
硫在329 K的范围内呈液态,温度从388 K到718 K。
背后的故事
具有独特气味的黄色固态物质。蛋白质必需成分。
硫是少数以纯净形式为古代文明所知的元素之一。公元前500年前后,Chinese alchemists称其为“liu huang”(流黄),并将其用于早期火药配方。ancient Egyptians将硫用于木乃伊制作和医学;Greek philosopher Pliny the Elder(23-79 CE)则在其《Natural History》中记载了硫用于熏蒸和药用的情况。
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”,并将它与火山活动联系起来,尤其是Mount Vesuvius周边和Sicily的火山岛。
Jabir ibn Hayyan(721-815 CE)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;这一理论主导炼金术思想达数百年。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Paris Arsenal的实验室工作期间,Lavoisier证明硫不能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)在1809年进一步确认硫的元素本质,证明硫化氢只含氢和硫,不含其他隐藏成分。
硫在19世纪的工业意义迅速提升。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,将二氧化硫高效转化为三氧化硫,推动了化学制造业的革命。
Nicolas Leblanc(1742-1806)早在1791年就开发了勒布朗法,该工艺生产碳酸钠需要大量硫酸,从而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,解决了从地下矿床开采硫的难题。在Louisiana为Union Sulfur Company工作期间,Frasch开发出使用过热水(160°C)熔化地下硫,并用压缩空气将其推至地表的方法。
1894年12月26日,在Louisiana的Sulphur Mine,第一口Frasch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,使United States成为世界领先的硫生产国。
Eilhard Mitscherlich(1794-1863)于1823年发现硫的同素异形体,确定了斜方晶体和单斜晶体。Swedish chemist 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,人们逐渐认识到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年诺贝尔生理学奖。
用途
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。这一三阶段工艺包括:
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(Florida)和Nutrien(Canada)。
硫酸是生产过磷酸钙和重过磷酸钙等磷肥的必需物质。反应Ca₃(PO₄)₂ + 2H₂SO₄ → Ca(H₂PO₄)₂ + 2CaSO₄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结合,生成高辛烷值汽油组分。单座炼油厂每天消耗200-500吨硫酸。
硫酸通过堆浸从低品位矿石中浸出铜。在Freeport-McMoRan的Arizona作业区,破碎矿石用稀硫酸(pH 1.5-2.0)灌溉,将铜溶解为硫酸铜。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。这一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
地壳中含量为350 mg/kg · 比86%的元素更丰富
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3 billion Kelvin。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。陨石中含有以陨硫铁(FeS)和旧辉石(CaS)形式存在的硫,为早期太阳系化学提供了证据。
海水中约含905 ppm硫,形式为硫酸根离子(SO₄²⁻),是仅次于氯离子的第二丰富阴离子。大洋中脊热液喷口中的热火山流体与冷海水反应,沉积出硫矿物,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。必须将酸加入水中,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)。使用水雾冷却燃烧中的硫,大型硫火灾绝不能使用CO₂或干粉灭火器。
快速解答
硫(符号S)是元素周期表中的第16号元素,属于3周期16族的非金属。 黄色、脆弱,负责产生火柴燃烧、腐烂鸡蛋和火山喷气孔的气味。 在室温下为固态。
[Ne] 3s² 3p⁴,共有3个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 6。 它的最外层有6个电子,这决定了它的成键行为。硫在388.4 K(115.2 °C)熔化,在717.8 K(444.7 °C)沸腾。
硫的标准原子量为32.06 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
硫的密度为2.067 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此硫块约重2.1倍。
硫的鲍林电负性为2.58。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
硫自古以来就已为人所知——它以无需冶炼即可使用的形式存在,因此无法将其发现归功于某一个人。 名称来源于梵语sulvere,经拉丁语sulphurium而来。
硫约占地壳的350 mg/kg——含量足够高,可以进行规模化开采。