硫黄：歴史、特性、構造、入手、用途 - 化学

硫黄は、酸素下非金属元素リード、周期表のカルコゲンの基です。それは特に期間3のグループ16にあり、化学記号Sで表されます。その天然同位体の中で、³² Sは群を抜いて最も豊富です（全硫黄原子の約94％）。

それは地球上で最も豊富な元素の1つであり、その総質量の約3％を占めています。つまり、地球上のすべての硫黄が奪われた場合、2つの黄色い月が構築される可能性があります。1つではなく3つの衛星があります。さまざまな酸化状態（+ 2、-2、+ 4、+ 6）を採用できるため、その塩は非常に多く、地球の地殻とコアを豊かにします。

硫黄の結晶。出典：Pixabay。

硫黄は黄色、悪臭、地獄の代名詞です。その悪臭の主な理由は、その派生化合物によるものです。特にソーダと有機物。その他のミネラルは固体で、黄色、灰色、黒、白などの色があります。

これは、最も多くの同素体を示す要素の1つです。これは、S ₂またはS _3の小さな個別の分子として見つけることができます。リングまたはサイクルとして、斜方晶系で単斜晶系の硫黄S ₈は、最も安定していて豊富です。ヘリカルチェーンとして。

それはミネラルの形で地球の地殻にあるだけでなく、私たちの体の生物学的マトリックスにも見られます。たとえば、アミノ酸のシスチン、システイン、メチオニン、鉄タンパク質、ケラチン、一部のビタミンに含まれています。ニンニク、グレープフルーツ、タマネギ、キャベツ、ブロッコリー、カリフラワーにも含まれています。

化学的にはそれは柔らかい要素であり、酸素がない場合は硫黄のミネラルと硫酸塩を形成します。青みがかった炎で燃え、無定形または結晶性の固体として現れることがあります。

腐食性の高い物質である硫酸の合成には必須であり、不快な臭いを与えますが、実際には害のない要素です。硫黄は、火災を避けさえすれば、大きな予防策なしにどのような場所にも保管できます。

硫黄の歴史

聖書の中で

硫黄は人類の歴史の中で最も古い要素の1つです。そのため、その発見は不確かであり、どの古代文明が初めてそれを使用したか（キリストの4000年前）は不明です。聖書のまさにそのページで、彼は地獄の火と地獄を伴うことがわかります。

地獄からの硫黄の想定されるにおいは、火山の噴火と関係があると考えられています。その最初の発見者は、火山の近くにあるダストランドや黄色の結晶など、この元素の鉱山にきっと遭遇したに違いありません。

古代

この黄色がかった固体はすぐに顕著な治癒効果を示しました。たとえば、エジプト人はまぶたの炎症を治療するために硫黄を使用しました。それはまた、疥癬やニキビを和らげ、今日では硫黄石鹸やその他の皮膚科製品に見られます。

ローマ人は、燻蒸剤および漂白剤として彼らの儀式でこの要素を使用しました。燃焼すると、部屋に溢れたSO _2を放出し、湿気と混合して、昆虫を殺すことができる抗菌環境を提供します。

ギリシャ人のように、ローマ人は硫黄の高い燃焼性を発見しました、それはそれが火の代名詞になった理由です。青みがかった炎の色は、ローマのサーカスを照らしたに違いありません。ギリシャ人は、この要素を使用して、焼夷兵器を作成したと考えられています。

中国側は、硫黄をソルトピーター（KNO ₃）および石炭と混合することにより、歴史的な転換をもたらす物質的な黒色粉末を作成し、当時の国々でこの鉱物に対する大きな需要と関心を呼び起こしたことを学びました。

現代

火薬が硫黄を欲するほどの理由ではなかったかのように、硫酸とその工業用途がすぐに現れました。そして、硫酸の棒を使って、国の富や繁栄の量が、この化合物の消費のレベルとの関係で測定されました。

華麗な化学者アントワーヌラヴォイジエが硫黄を認識し、それを元素として分類できるようになったのは、1789年まででした。その後、1823年にドイツの化学者Eilhard Mitscherlichは、硫黄が主に菱面体晶と単斜晶の2つの方法で結晶化できることを発見しました。

硫黄の歴史は、その化合物とアプリケーションの同じコースをたどりました。硫酸は工業的に非常に重要であり、ゴムの加硫、ペニシリンの合成、鉱山の開発、硫黄に富む原油の精製、土壌の栄養などが伴いました。

プロパティ

外見

粉末または結晶形のもろい固体。色はくすんだレモンイエローで、無味無臭です。

液体の外観

液体硫黄は、高温にさらされると最初の黄色が赤みを帯びて濃くなり、暗くなるという点で独特です。燃焼すると、明るい青色の炎が発生します。

モル質量

32グラム/モル。

融点

115.21°C

沸点

445°C

発火点

160°C

自動着火温度

232°C

密度

2.1 g / mL。ただし、他の同素体は密度が低い場合があります。

モル熱容量

22.75 J / mol K

共有結合半径

105±3 pm。

電気陰性

ポーリングスケールで2.58。

極性

硫黄原子は両方とも同じ電気陰性度を持つため、SS結合は無極性です。これにより、その同素体はすべて、環状または鎖状、無極性になります。したがって、水との相互作用は非効率的であり、水に可溶化できません。

ただし、硫黄は二硫化炭素、CS ₂、芳香族化合物（ベンゼン、トルエン、キシレンなど）などの非極性溶媒に溶解できます。

イオン

硫黄はさまざまなイオン、通常はアニオンを形成する可能性があります。すべての中で最もよく知られているのは硫黄、S ^2-です。S ^2-はかさばり、柔らかいルイスベースを特徴としています。

それはソフトベースなので、理論はそれがソフト酸と化合物を形成する傾向があると述べています。Fe ²⁺、Pb ²⁺、Cu ²⁺などの遷移金属カチオンなど。

構造と電子構成

硫黄の王冠

S8分子、最も安定して豊富な硫黄の同素体。出典：Benjah-bmm27。

硫黄はさまざまな同素体で発生する可能性があります。そして、これらは、異なる圧力および/または温度の下で変更される結晶構造を持っています。したがって、硫黄は同素体と多形に富む元素であり、その固体構造の研究は、理論と実験の研究の無限の源泉を表しています。

なぜそのような構造の複雑さですか？まず、硫黄（SS）の共有結合は非常に強く、炭素（CC）と水素（HH）の共有結合のみを上回ります。

硫黄は、炭素とは異なり、四面体を形成する傾向はなく、ブーメランを形成します。角度が折りたたまれてリング状になり、硫黄鎖が安定します。最もよく知られているリングは、硫黄の最も安定した同素体でもあり、S ₈は「硫黄の王冠」です（上の画像）。

S _8のすべてのSSリンクは個々のブーメランのように見え、プリーツの付いたリングになり、まったくフラットにならないことに注意してください。これらのS ₈クラウンはロンドンの力を介して相互作用し、斜方晶を定義する構造パターンを作成するように向きを変えます。Sと呼ばれる₈ α（S-α、または単に斜方硫黄）。

多形

硫黄クラウンは、この元素の多くの同素体の1つです。S ₈ αは、このクラウンの多形です。Sと呼ばれる（最も重要なの間で）他の二つがあり₈ βとS ₈ γ（S-βおよびS-γは、それぞれ）。両方の多形体はSで、単斜晶構造に結晶化₈ γが密（ガンマ硫黄）です。

3つすべてが黄色の固体です。しかし、どのようにして各ポリモーフを個別に取得しますか？

S ₈ βはS加熱することによって調製される₈ 93にαを°Cを、その遅相斜方晶相への転移バックを遅くする冷却（α）を可能にします。そして、S ₈ γは、他の一方で、S得られる₈ α の溶融物を150°Cでの、再び、それはゆっくりと冷却すること。それは硫黄クラウン多形の中で最も密度が高いです。

その他の環状同素体

クラウンS ₈だけが環状同素体ではありません。S ₄、S ₅（シクロペンタンに類似）、S ₆（シクロヘキサンのような六角形で表される）、S ₇、S ₉、およびS _{10-20などの他のものがあり}ます。後者は、10〜20個の硫黄原子を含む環または環が存在する可能性があることを意味します。

それらのそれぞれは、硫黄の異なる環状同素体を表しています。そして、それを強調するために、それらは圧力と温度に依存する多形または多形構造の多様性を持っています。

たとえば、S _7には最大4つの既知の多形（α、β、γ、δ）があります。高分子量のメンバーまたはクラウンは有機合成の産物であり、自然界では優勢ではありません。

硫黄鎖

硫黄チェーン。出典：OpenStax

より多くの硫黄原子が構造に組み込まれると、リングの傾向は減少し、硫黄鎖は開いたままになり、らせん構造（らせんまたはねじのように）になります。

そのため、リングやサイクルではなくチェーンで構成される硫黄同素体の別の大量のファミリーが現れます（上の画像のように）。

これらのSSチェーンが結晶内で並列に並ぶと、不純物がトラップされ、最終的には繊維状硫黄（S-ψ）と呼ばれる繊維状固体が形成されます。これらの平行な鎖の間にそれらを相互接続する共有結合がある場合（ゴムの加硫で起こるように）、層状硫黄があります。

硫黄S ₈が溶解すると、黄色がかった液相が得られ、温度を上げると暗くなる可能性があります。これは、SS結合が切断されるため、熱解重合プロセスが発生するためです。

冷却すると、この液体はプラスチックの次にガラス状の特性を示します。つまり、ガラス質のアモルファス硫黄（S-χ）が得られます。その組成は、環と硫黄鎖の両方で構成されています。

そして、繊維状および層状の同素体の混合物が無定形硫黄から得られると、ゴムの加硫に使用される商用製品であるクリステックスが製造される。

小さい同素体

それらは最後に残されますが、高分子量の同素体と同じくらい重要（または興味深い）です。S ₂およびS ₃分子は、O ₂およびO _3の硫化バージョンです。1つ目は、2つの硫黄原子が二重結合S = Sで結合され、2つ目は、共鳴構造S = SSの原子が3つあります。

S ₂とS ₃は両方とも気体です。S ₃はチェリーレッド色を示します。どちらも、個々の記事をカバーするのに十分な書誌的資料を持っています。

電子構成

硫黄原子の電子配置は次のとおりです。

3s ² 3p ⁴

原子価オクテットを完成させるために2つの電子を得ることができるため、酸化状態は-2になります。同様に、電子を失う可能性があり、3p軌道の2つから始まり、その酸化状態は+2です。3p軌道が空の状態でさらに2つの電子を失うと、酸化状態は+4になります。すべての電子を失うと、+ 6になります。

入手

鉱物学

硫黄は多くの鉱物の一部です。その中には、黄鉄鉱（FeS ₂）、方鉛鉱（PbS）、コブライト（CuS）、およびその他の硫酸塩および硫化物鉱物があります。それらを処理することにより、金属だけでなく、一連の還元反応後の硫黄も抽出できます。

また、火山の噴火口で純粋な方法で取得することもできます。温度が上昇すると、溶けて下り坂に流出します。そして、火がつくと夜は青っぽい溶岩のように見えます。困難な労働と激しい肉体労働によって、シチリアで頻繁に行われていたのと同じように、硫黄を収穫することができます。

硫黄は地下の鉱山でも見られます。地下の鉱山では、過熱された水を汲み上げて溶かし、地表に移動させます。この取得プロセスはFraschプロセスと呼ばれ、現在ほとんど使用されていません。

油

今日、硫黄の大部分は石油産業に由来しています。その有機化合物は原油および精製された誘導体の組成の一部であるためです。

粗製または精製された製品が硫黄に富み、水素化脱硫を受けると、大量のH ₂ S（腐った卵のようなにおいがする臭いガス）が放出されます。

RSR + 2 H ₂ →2 RH + H ₂ S

次に、H ₂ Sはクラウスプロセスで化学的に処理され、次の化学方程式で要約されます。

3 O ₂ + 2 H ₂ S→2 SO ₂ + 2 H ₂ O

SO ₂ + 2 H ₂ S→3 S + 2 H ₂ O

用途

硫黄の用途のいくつかを以下に一般的な方法で説明します。

-それは植物と動物の両方にとって不可欠な要素です。それは2つのアミノ酸でさえ存在します：システインとメチオニン。

-これは、無数の市販製品の製造に関与する化合物である硫酸の原料です。

-製薬業界では、硫黄誘導体の合成に使用されています。ペニシリンが最もよく知られている例です。

-ポリマー鎖をSS結合で相互接続することにより、ゴムの加硫を可能にします。

-その黄色と他の金属とのその混合物は、それを顔料産業に望ましいものにします。

-アスファルトの代わりに、砂や岩、コンクリート、硫黄アスファルトなどの無機マトリックスを混ぜて準備します。

リスクと予防策

硫黄自体は無害で無毒の物質であり、他の化合物を形成するように反応しない限り、潜在的なリスクはありません。その硫酸塩は危険ではなく、大きな予防策なしで取り扱うことができます。ただし、ガス状の誘導体であるSO ₂とH ₂ Sはどちらも毒性が強いため、これは当てはまりません。

液相の場合、重度の火傷を引き起こす可能性があります。それが大量に飲み込まれると、腸でH ₂ Sの生成を引き起こす可能性があります。それ以外の場合は、それを噛む人にとってはリスクはありません。

一般的に言えば、硫黄は安全な元素であり、火災や強力な酸化剤から遠ざけることを除いて、あまり多くの予防策を必要としません。

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