硫元素

引入

为什么火山口附近经常能看到黄色的硫或硫化物？

硫元素为什么既和矿物、火山有关，也和蛋白质有关？

二氧化硫为什么既能漂白，又会造成空气污染？

硫酸为什么是重要化工原料，同时又有强腐蚀性和脱水性？

硫元素在自然界广泛存在，既可以以游离态硫单质存在，也常以硫化物、硫酸盐等化合物形式存在。在火山口附近，可以找到单质硫和多种硫化物。

硫元素也是生命体需要的元素之一，常见于含硫氨基酸和蛋白质中。所以整理硫元素时不能只看矿物，还要同时看到它在生命体系、工业生产和环境问题中的作用。

正文

定义

硫元素是一种非金属元素，元素符号为 $\mathrm{S}$。常见单质为黄色固体硫，常见化合价有 $-2$、$+4$、$+6$，对应硫化物、二氧化硫、硫酸盐等物质。

元素名称	性质	类别	气味	颜色	物态	密度	熔点	沸点	氧化态
硫 $\mathrm{S}$	易燃，能与金属、氢气、氧气等反应	非金属单质	无味	黄色	固体	$2.06g/c{\mathrm{m}}^3$	$113{}^{\circ }\mathrm{C}$	$445{}^{\circ }\mathrm{C}$	-2,+4,+6

硫元素的主线可以按氧化态理解：$\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$ 和金属硫化物中硫多为 $-2$ 价，$\mathrm{SO}{}_2$ 中硫为 $+4$ 价，$\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$ 和硫酸盐中硫多为 $+6$ 价。

氧化态变化是理解硫元素反应的关键。硫既能被氧化，也能在某些反应中表现还原性或氧化性。

常见含硫物质

名称	性质（化学）	类别	气味	颜色	物态	熔点	沸点	毒性
硫化氢 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$	还原性、可燃性、弱酸性	氢化物	臭鸡蛋气味	无色	气体	$-85.5{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-60.3{}^{\circ }\mathrm{C}$	有毒
硫化亚铜 $\mathrm{Cu}{}_2\mathrm{S}$	难溶，受热可由铜和硫生成	金属硫化物	无明显气味	黑色	固体	/	/	低毒，粉尘需避免吸入
硫化亚铁 $\mathrm{FeS}$	能与酸反应生成 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$	金属硫化物	无明显气味	黑色	固体	/	/	低毒，遇酸生成有毒气体
二氧化硫 $\mathrm{SO}{}_2$	酸性氧化物、还原性、漂白性	硫氧化物	刺激性气味	无色	气体	$-75.5{}^{\circ }\mathrm{C}$	$-10{}^{\circ }\mathrm{C}$	有毒
硫酸 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$	强酸性、吸水性、脱水性、强氧化性	含氧酸	无明显气味	无色油状	液体	$10.4{}^{\circ }\mathrm{C}$	$337{}^{\circ }\mathrm{C}$	强腐蚀性

硫单质的化学性质

硫单质是比较典型的非金属单质。它在常温下较稳定，但加热后可以和金属、氢气、氧气等物质发生氧化还原反应。

名称	反应类型	反应式	现象	应用
与铜反应	氧化还原反应	$\mathrm{S}+2\mathrm{Cu}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{Cu}{}_2\mathrm{S}$	铜丝变黑	说明硫能和金属生成硫化物
与铁反应	氧化还原反应	$\mathrm{S}+\mathrm{Fe}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{FeS}$	混合物灼热后生成黑色固体	制取硫化亚铁，进一步制取 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$
与氢气反应	氧化还原反应	$\mathrm{S}+\mathrm{H}{}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$	生成有臭鸡蛋气味的气体	制取或认识硫化氢
与氧气反应	燃烧反应	$\mathrm{S}+\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }\mathrm{SO}{}_2$	发出淡蓝色火焰，生成刺激性气味气体	制取二氧化硫，说明硫可燃

硫和氧气反应时，产物主要是二氧化硫。这里要注意，硫的燃烧不一定像镁条那样耀眼，它更典型的现象是淡蓝色火焰和刺激性气味。

硫化氢

硫化氢 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$ 是无色、有臭鸡蛋气味的有毒气体。它可以由金属硫化物和酸反应制取。

名称	反应类型	反应式	现象	应用
实验室制取硫化氢	复分解反应	$\mathrm{FeS}+2\mathrm{HCl}=\mathrm{FeCl}{}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}\uparrow$	生成有臭鸡蛋气味的气体	制取 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$，检验部分金属离子
硫化氢燃烧	氧化还原反应	$2\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}+3\mathrm{O}{}_2\stackrel{点燃}{\to }2\mathrm{SO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	燃烧并生成刺激性气味气体	说明 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$ 具有还原性和可燃性
硫化氢和二氧化硫反应	氧化还原反应	$2\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}+\mathrm{SO}{}_2=3\mathrm{S}\downarrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	生成淡黄色硫沉淀	体现 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$ 的还原性和 $\mathrm{SO}{}_2$ 的氧化性

防范：硫化氢有毒，低浓度有臭鸡蛋气味，高浓度反而可能使嗅觉麻痹，所以不能只靠气味判断是否安全。

二氧化硫

二氧化硫 $\mathrm{SO}{}_2$ 是一种无色、有刺激性气味的有毒气体。它具有漂白性，可用于纺织业的布料漂白；也具有一定杀菌防腐作用，可作为食品添加剂使用，但必须受剂量和规范限制。

名称	反应类型	反应式	现象	应用
与水反应	化合反应，可逆反应	$\mathrm{SO}{}_2+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_3$	溶于水形成酸性溶液	形成亚硫酸，解释酸雨来源之一
催化氧化	氧化还原反应	$2\mathrm{SO}{}_2+\mathrm{O}{}_2\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{\mathrm{V}{}_2\mathrm{O}{}_5}{\to }}2\mathrm{SO}{}_3$	工业条件下进行	制硫酸的关键步骤
与硫化氢反应	氧化还原反应	$\mathrm{SO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}=3\mathrm{S}\downarrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	产生淡黄色沉淀	体现 $\mathrm{SO}{}_2$ 可作氧化剂
使品红溶液褪色	漂白作用	/	品红溶液褪色，加热后颜色可恢复	区分 $\mathrm{SO}{}_2$ 漂白和强氧化性漂白

二氧化硫的漂白和次氯酸的漂白不同。$\mathrm{SO}{}_2$ 的漂白通常是与有色物质结合形成不稳定无色物质，受热后可能恢复颜色；而 $\mathrm{HClO}$ 这类物质多通过强氧化性破坏有色结构。

毒性和环境影响

二氧化硫易溶于水，会刺激眼睛和呼吸道。进入空气后，它可以进一步转化为亚硫酸、硫酸或硫酸盐气溶胶，参与形成酸雨和雾霾。

防范：接触二氧化硫时要保持通风，避免吸入高浓度气体。发生泄漏时应远离低洼、密闭和下风向区域。

应用：二氧化硫的漂白性和杀菌性可以用于工业和食品加工，但这不等于它本身安全。它的使用价值来自可控剂量和特定场景，脱离剂量谈应用容易误判。

硫酸盐

硫酸盐可以看成 $\mathrm{SO}{}_4{}^{2-}$ 和金属离子或铵根离子形成的盐。不同硫酸盐的溶解性、毒性和用途差异很大。

名称	化学式	性质	应用
生石膏	$\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	含结晶水，加热后可生成熟石膏	建筑材料、模型、医疗固定用具
熟石膏	$2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot \mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	遇水可重新硬化	石膏绷带、模型制作
硫酸铜	$\mathrm{CuSO}{}_4$	无水硫酸铜为白色，五水硫酸铜为蓝色晶体	检验水、配制波尔多液、泳池处理
硫酸钡	$\mathrm{BaSO}{}_4$	极难溶于水和酸	放射检查中的“钡餐”

原笔记中写到“生石膏 $\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 5\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$ 加热制成熟石膏 $\mathrm{CaSO}{}_4$”，这里需要修正：常见生石膏一般写作 $\mathrm{CaSO}{}_4\cdot 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$，熟石膏常写作 $2\mathrm{CaSO}{}_4\cdot \mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$ 或 $\mathrm{CaSO}{}_4\cdot \frac{1}{2}\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$。

硫酸钡可以作“钡餐”，关键原因不是钡元素安全，而是硫酸钡极难溶。其他可溶性钡盐能释放 $\mathrm{Ba}{}^{2+}$，通常有毒。

硫酸

硫酸 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$ 是无色油状液体，能与水任意比例互溶，溶解时放出大量热。因为分子间存在较强作用力，浓硫酸难挥发。

名称	性质（化学）	类别	气味	颜色	物态	熔点	沸点
硫酸 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$	强酸性、吸水性、脱水性、强氧化性、腐蚀性	含氧酸	无明显气味	无色	油状液体	$10.4{}^{\circ }\mathrm{C}$	$337{}^{\circ }\mathrm{C}$

浓硫酸的危险不只来自酸性，还来自吸水性、脱水性和强氧化性。

性质	表现	例子或风险
强酸性	能和碱、碱性氧化物、部分盐反应	中和反应、制取硫酸盐
吸水性	能吸收水分	可作干燥剂，但不能干燥碱性气体如 $\mathrm{NH}{}_3$
脱水性	能按水的组成比夺取有机物中的氢和氧	使蔗糖炭化变黑
强氧化性	浓硫酸可氧化部分金属和非金属	与铜加热反应生成 $\mathrm{SO}{}_2$

名称	反应类型	反应式	现象	应用
与氢氧化钠反应	复分解反应	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4+2\mathrm{NaOH}=\mathrm{Na}{}_2\mathrm{SO}{}_4+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	放热，酸碱中和	制取硫酸盐，理解酸性
与氯化钡反应	复分解反应	$\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4+\mathrm{BaCl}{}_2=\mathrm{BaSO}{}_4\downarrow +2\mathrm{HCl}$	生成白色沉淀	检验 $\mathrm{SO}{}_4{}^{2-}$
浓硫酸与铜反应	氧化还原反应	$\mathrm{Cu}+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4(浓)\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CuSO}{}_4+\mathrm{SO}{}_2\uparrow +2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$	生成刺激性气味气体，溶液变蓝	体现浓硫酸强氧化性
蔗糖脱水	脱水作用	/	蔗糖变黑膨胀	体现浓硫酸脱水性

稀硫酸和浓硫酸要分开理解：稀硫酸主要表现酸性，浓硫酸除了酸性，还明显表现吸水性、脱水性和强氧化性。

应用和风险

硫元素相关物质的应用很广，但它们的风险也很集中：硫化氢有毒，二氧化硫刺激呼吸道，浓硫酸强腐蚀，部分硫化物和硫氧化物还会参与环境污染。

物质	应用	风险
硫单质	制硫酸、橡胶硫化、农药	燃烧生成 $\mathrm{SO}{}_2$
硫化氢	化学分析、制备金属硫化物	有毒，且高浓度会麻痹嗅觉
二氧化硫	漂白、防腐、制硫酸	有毒，可造成酸雨
硫酸铜	波尔多液、杀菌、检验水	可溶性铜盐有一定毒性
硫酸钡	医学造影	只因难溶才相对安全
硫酸	化工原料、干燥剂、制化肥	强腐蚀性、强脱水性

引出

如何区分硫的 $-2$、$+4$、$+6$ 三类常见化合物？

为什么 $\mathrm{SO}{}_2$ 和 $\mathrm{CO}{}_2$ 都是酸性氧化物，但环境影响不同？

如何检验溶液中的 $\mathrm{SO}{}_4{}^{2-}$？

浓硫酸和稀硫酸的反应差异为什么这么大？