16 S 硫 32.06
非金属 p区 第3周期 第16族

硫

S · 元素16 · 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。

20°C时的状态 固态
原子量 32.06 u
电子排布[Ne] 3s² 3p⁴

结构

硫原子

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。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示硫在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 2.067 g/cm³ 18%
熔点 388.4 K 22%
沸点 717.8 K 18%
比热容 0.71 J/g·K
热导率 0.21 W/m·K 13%

原子

原子半径 105 pm 9%
共价半径 105 pm
范德华半径 180 pm

电子

电负性 2.58 92%
电离能 999.6 kJ/mol 85%
电子亲和能 200.7 kJ/mol 91%

存在情况

地壳中的丰度 350 mg/kg 86%

身份

符号S
原子序数16
原子量32.06 u
类别非金属
区p
晶体结构正交晶系
氧化态-2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6
发现Prehistoric
发现者自古以来已知

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

硫的原子有多大?

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

固态、液态、气态——以及转变时机

硫在329 K的范围内呈液态,温度从388 K到718 K。

所在位置

在表中的位置

硫位于第3周期、第16族。 第16族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他非金属

所有非金属

背后的故事

硫是什么,以及我们如何发现它

具有独特气味的黄色固态物质。蛋白质必需成分。

硫的发现

硫的发现与历史

古代知识与早期用途

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。

中世纪伊斯兰世界的贡献

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。

Antoine Lavoisier的革命性分类

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。

工业革命与接触法

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。

Frasch法革命

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。

现代硫科学

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

硫的用途

硫的工业用途

硫酸生产(占硫用途的85%)

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:

  • 阶段1:硫在空气中燃烧生成二氧化硫(S + O₂ → SO₂)
  • 阶段2:在450°C下使用五氧化二钒进行催化氧化(2SO₂ + O₂ → 2SO₃)
  • 阶段3:在浓硫酸中吸收,以防止酸雾形成

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)。

肥料制造

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。

石油精炼

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。

金属加工与采矿

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。

化学品制造

硫化合物是重要的中间体:

  • 二氧化硫(SO₂):食品防腐剂(E220)和葡萄酒防腐剂
  • 二硫化碳(CS₂):用于Lenzing AG工厂生产黏胶人造丝
  • 硫化氢(H₂S):炼油厂通过克劳斯工艺制取纯硫的原料
  • 氯化硫:橡胶硫化促进剂

橡胶硫化

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。

硫的日常用途

农业产品

  • 园艺硫粉 - 降低土壤pH值,适用于蓝莓、杜鹃花等喜酸植物
  • 硫酸盐肥料 - 由Simplot等制造商生产的硫酸铵(21-0-0-24S)
  • 杀菌剂喷剂 - 有机硫粉用于防治葡萄和玫瑰的白粉病
  • 牲畜补充剂 - 牛用硫砖,用于预防矿物质缺乏

个人护理与健康

  • 痤疮治疗 - 硫磺皂和硫磺霜(品牌:De La Cruz、Grisi)
  • 去屑洗发水 - Head & Shoulders Clinical Strength中的硫化硒
  • 关节炎药物 - MSM(二甲基砜)补充剂
  • 皮肤疾病 - 用于治疗脂溢性皮炎和玫瑰痤疮的硫磺软膏

食品与饮料

  • 葡萄酒保存 - 二氧化硫(SO₂)防止氧化和细菌生长
  • 干果 - 杏和葡萄干中的亚硫酸盐可保持色泽和新鲜度
  • 食品加工 - 焦亚硫酸钾作为抗菌剂
  • 啤酒酿造 - 硫化合物用于制成Campden片进行消毒

家用与工业用途

  • 火柴 - 用于划擦即燃火柴火柴头和安全火柴火柴条中的硫
  • 火药 - 传统黑火药(75%硝石、15%木炭、10%硫)
  • 造纸 - International Paper纸厂的亚硫酸盐制浆工艺
  • 摄影 - 用于艺术黑白照片的硫化银调色剂
  • 混凝土 - 用于耐化学腐蚀建筑的硫混凝土

汽车与交通运输

  • 轮胎制造 - 所有橡胶轮胎中的硫化剂
  • 电池酸液 - 铅酸汽车电池中的硫酸电解液
  • 燃料添加剂 - 有机硫化合物可提高燃料稳定性
  • 制动液 - DOT 3和DOT 4配方中的硫化合物

来源

自然存在

地壳中含量为350 mg/kg · 比86%的元素更丰富

硫的自然存在

地球丰度

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。

单质硫矿床

纯硫晶体通过多种地质过程形成:

  • 火山地区:Mount Vesuvius(Italy)、Kawah Ijen(Indonesia)和Yellowstone(USA)含有由硫化氢氧化形成的自然硫
  • 盐丘:Texas和Louisiana Gulf Coast拥有厚达150米的大型硫矿床,由石膏的细菌还原形成
  • 温泉:在Rotorua(New Zealand)和Mammoth Hot Springs,富含硫化氢的水接触氧气时会析出硫

硫矿物

自然界中存在200多种含硫矿物:

  • 黄铁矿(FeS₂):“愚人金”——最常见的硫矿物,遍布世界各地
  • 方铅矿(PbS):主要铅矿石,主要矿床位于Missouri、Australia和Peru
  • 闪锌矿(ZnS):主要锌矿石,丰富存在于密西西比河谷型矿床中
  • 黄铜矿(CuFeS₂):最重要的铜矿石,见于斑岩型矿床
  • 石膏(CaSO₄·2H₂O):在沉积岩中形成厚层的蒸发岩矿物
  • 硬石膏(CaSO₄):石膏在地下深处脱水时形成

生物硫循环

硫通过生物过程发生复杂的转化:

  • 海洋环境:浮游植物产生二甲基硫(DMS),影响云的形成和气候
  • 土壤生态系统:在厌氧条件下,硫酸盐还原菌将硫酸盐转化为硫化氢
  • 温泉细菌:像Sulfolobus这样的嗜热生物在超过80°C的温度下氧化硫
  • 植物代谢:十字花科蔬菜(西兰花、大蒜)富集有机硫化合物

宇宙与恒星起源

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。

海洋化学

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

安全

硫的安全信息

毒性与健康危害

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:

  • 硫化氢(H₂S):毒性极强的气体,在500-1000 ppm浓度下几分钟内即可致命
  • 二氧化硫(SO₂):呼吸道刺激物,OSHA限值为5 ppm(8小时TWA)
  • 二硫化碳(CS₂):影响中枢神经系统的神经毒素,OSHA限值为20 ppm

OSHA法规与暴露限值

  • 单质硫粉尘:总粉尘15 mg/m³,可吸入部分5 mg/m³
  • 硫酸:1 mg/m³(8小时TWA),立即危害浓度为15 mg/m³
  • 硫化氢:最高限值10 ppm,10分钟最大峰值为50 ppm

个人防护装备(PPE)

  • 呼吸防护:硫粉尘环境使用N95口罩,H₂S环境使用供气式呼吸器
  • 眼睛防护:处理硫化合物时佩戴安全护目镜
  • 皮肤防护:处理酸时佩戴丁腈手套和耐化学品服装
  • 足部防护:工业环境中穿着耐化学品靴

安全处理与储存

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。

应急措施

  • 皮肤接触硫酸:立即用水冲洗15+分钟,脱去受污染的衣物
  • 眼睛接触:用水冲洗15+分钟,立即就医
  • 硫化氢暴露:立即转移至新鲜空气处,如有条件则供氧,并呼叫急救服务
  • 摄入:摄入酸类物质时不要催吐,意识清醒时给予饮水,并就医

火灾与爆炸危险

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:常见问题

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。

硫的电子排布是什么?

硫的基态电子排布为[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。

硫的熔点和沸点是多少?

硫在388.4 K(115.2 °C)熔化,在717.8 K(444.7 °C)沸腾。

硫的原子量是多少?

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。

硫的密度是多少?

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。

硫的电负性是多少?

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。

谁发现了硫,是在什么时候?

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。

硫在地球上有多常见?

硫约占地壳的350 mg/kg——含量足够高,可以进行规模化开采。