16 S 32.06
非金属 p-block Period 3 Group 16

S · Element 16 · Chalcogens

Yellow, brittle, and responsible for the smell of struck matches, rotten eggs and volcanic vents.

20°C时的状态 固态
原子量 32.06 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ne] 3s² 3p⁴

结构

硫 原子

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。

轨道云

测量值

性质表

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。

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

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
p
晶体结构正交晶系
氧化态-2, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6
发现时间Prehistoric
发现者Known since antiquity

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

How big is a 硫 atom?

Radius 105 pm — that is 0.105 nm, so about 4762 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

硫 is liquid over a 329 K window, from 388 K to 718 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 3, group 16. Everything in group 16 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 非金属

All 非金属

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。是蛋白质所必需的元素。

The discovery of 硫

硫的发现与历史

古代知识与早期用途

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。

中世纪伊斯兰世界的贡献

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。

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。

工业革命与接触法

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。

弗拉施法革命

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。

现代硫科学

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,包含三个阶段:

  • 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(佛罗里达州)和Nutrien(加拿大)。

肥料制造

硫酸对于生产过磷酸钙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。CargillCF 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。

金属加工与采矿

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。

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):在Lenzing AG工厂用于生产黏胶人造丝
  • 硫化氢(H₂S):炼油厂通过克劳斯工艺生产纯硫的原料
  • 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。BridgestoneMichelin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。

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 - 用于控制葡萄和玫瑰白粉病的有机硫粉
  • 牲畜补充剂 - 为牛提供硫块,以防止矿物质缺乏

个人护理与健康

  • 痤疮治疗 - 硫皂和硫霜(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(甲基磺酰甲烷)补充剂
  • 皮肤疾病 - 用于脂溢性皮炎和玫瑰痤疮的硫软膏

食品与饮料

  • 葡萄酒保存 - 二氧化硫(SO₂)可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 - 使用焦亚硫酸钾作为抗菌剂
  • 啤酒酿造 - 硫化合物用于制作Campden片进行消毒

家用与工业用途

  • 火柴 - 用于划哪儿都能着火的火柴头和安全火柴药条中的硫
  • 黑火药 - 传统黑火药(75%硝石、15%木炭、10%硫)
  • 造纸 - International Paper纸厂采用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

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

来源

自然存在

350 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 86% of elements

硫的自然存在

陆地丰度

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:维苏威火山(意大利)、伊真火山口(印度尼西亚)和黄石公园(美国)含有由硫化氢氧化形成的自然硫
  • 盐丘:得克萨斯州和路易斯安那州的墨西哥湾沿岸拥有厚度最高达150米的大型硫矿床,由石膏的细菌还原形成
  • 温泉:在罗托鲁瓦(新西兰)和猛犸温泉,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,密苏里州、澳大利亚和秘鲁拥有大型矿床
  • 闪锌矿(ZnS):主要锌矿,广泛存在于密西西比河谷型矿床中
  • 黄铜矿(CuFeS₂):最重要的铜矿,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):石膏在深部脱水时形成

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:硫酸盐还原菌在厌氧条件下将硫酸盐转化为硫化氢
  • 温泉细菌:嗜热生物如Sulfolobus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。

海洋化学

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

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):剧毒气体,在500-1000 ppm浓度下几分钟内即可致死
  • 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法规与接触限值

  • 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),立即危险浓度15 mg/m³
  • 硫化氢:最高限值10 ppm,10分钟内最大峰值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:佩戴丁腈手套,接触酸时穿着耐化学品服装
  • 足部防护:工业环境中穿耐化学品靴

安全操作与储存

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。

应急处理

  • 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:立即转移到新鲜空气处,如有条件提供氧气,并呼叫急救服务
  • 误食:接触酸时不要催吐,意识清醒时饮水,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)。使用水雾冷却燃烧的硫,大型硫火灾绝不能使用CO₂或干粉灭火器。

快速回答

硫:常见问题

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.

What is the electron configuration of 硫?

硫's ground-state electron configuration is [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.

What are the melting and boiling points of 硫?

硫 melts at 388.4 K (115.2 °C) and boils at 717.8 K (444.7 °C).

What is the atomic mass of 硫?

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.

How dense is 硫?

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.

What is the electronegativity of 硫?

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.

Who discovered 硫, and when?

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.

How common is 硫 on Earth?

硫 makes up about 350 mg/kg of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.