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《化學(xué)元素知識(shí)》元素中的化學(xué)史(16):亦正亦邪的硫元素

 天下任我行之由 2023-03-15 發(fā)布于四川

亦正亦邪的硫元素     


 硫是人類認(rèn)識(shí)較早的一種非金屬單質(zhì)。在古代中國(guó)、印度、埃及等都有使用硫磺的記載。

 中西方的煉丹術(shù)士和煉金術(shù)士們都很重視硫。在古代,我國(guó)的煉丹家們用硫、硝石、木炭等制造黑火藥,還把硫用在了醫(yī)藥中。

 雖然人類很早就會(huì)利用硫,但直到1777年,法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫才證明了硫是一種單質(zhì)。




 在自然界中,硫元素多以含硫礦物的形式存在。火山噴發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的單質(zhì)硫;在深海熱泉等極端環(huán)境下,含硫化合物的轉(zhuǎn)化可以代替太陽(yáng)供給整個(gè)生態(tài)群落所需的能量;在生物體內(nèi)也廣泛存在著硫元素,洋蔥、大蒜、大蔥等蔬菜所釋放的具有刺激性氣味的氣體也多是含硫化合物。

 因此,硫廣泛的存在于我們的生存環(huán)境中,并已深入我們生產(chǎn)生活,扮演著各種各樣的角色。

深海熱泉

(熱泉噴出的海水含有豐富的硫化氫和硫酸鹽,可作為硫化細(xì)菌化學(xué)合成有機(jī)物的原料。)

天然硫磺溫泉
    (位于非洲埃塞俄比亞,水中鹽分極高,受鹽及其他礦物的影響,溫泉呈現(xiàn)鮮亮的顏色。)

硫單質(zhì)簡(jiǎn)介




 純凈的硫是一種淡黃色固體,俗稱硫磺。天然的硫有兩種結(jié)晶,斜方硫和單斜硫,互為同素異形體。分子一般由八個(gè)原子結(jié)合在一起,形成類似皇冠的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。


硫的性質(zhì)及用途
01
硫與橡膠工業(yè)

 硫的熔點(diǎn)比較低,在加熱的時(shí)候會(huì)熔化,轉(zhuǎn)變?yōu)樯钭厣恼吵硪后w。這是由于受熱后,硫分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,環(huán)狀結(jié)構(gòu)被破壞,形成長(zhǎng)鏈。如果將其倒入冷水中迅速冷卻,就會(huì)得到一種質(zhì)地柔軟且易于拉伸的物質(zhì),稱為“彈性硫”。彈性硫并不穩(wěn)定,在空氣中放置會(huì)發(fā)硬,變回單斜硫。

 單質(zhì)硫是橡膠工業(yè)的重要添加劑。天然橡膠因質(zhì)地軟,易塑形成為深受人們喜愛(ài)的材料。但受熱熔化,遇冷發(fā)硬,且易磨損、易老化,成為限制其應(yīng)用的致命缺點(diǎn)。當(dāng)“橡膠輪胎之父”固特異偶然發(fā)現(xiàn),在橡膠加工過(guò)程中摻入硫粉,橡膠的強(qiáng)度、彈性、耐磨性和抗腐蝕性能都得到大幅提高,橡膠硫化法應(yīng)運(yùn)而生。

 盡管,隨著對(duì)硫化方法和硫化劑的深入研究后發(fā)現(xiàn),許多非硫化合物也有硫化效果,但是硫與橡膠的第一次會(huì)晤卻永遠(yuǎn)的改變了橡膠行業(yè)。

 除此之外,硫也是制造硫酸、農(nóng)藥、石硫合劑的重要原料。

02
硫與金屬的相互作用

 硫與金屬的相互作用在我們?nèi)粘I钪幸埠艹R?jiàn)。人們喜愛(ài)的硫磺溫泉是由巖漿運(yùn)動(dòng)形成的一種特殊溫泉,因溶有一定量的硫或硫化物,可以軟化皮膚、溶解角質(zhì)、滅菌殺蟲,對(duì)皮膚病有較好的治療效果。但是,我們常常會(huì)被要求在泡湯前將身上的金屬配飾取下,以免變質(zhì)發(fā)黑。這是什么原理呢?原來(lái)硫的化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)活潑,可以與絕大多數(shù)金屬化合,即使是對(duì)銀、汞等不活潑金屬也具有較高的親和力。

 中國(guó)古代素有銀針試毒的慣例。其實(shí),這種做法在今天看來(lái)并不科學(xué):因?yàn)槭广y針發(fā)黑的并不是有毒物質(zhì),而是含硫物質(zhì)。古代生產(chǎn)技術(shù)落后,致使砒霜(三氧化二砷)里都含有少量含硫物質(zhì),當(dāng)其與銀針接觸,就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使銀針表面生成一層黑色的硫化銀。

 到了現(xiàn)代,生產(chǎn)技術(shù)顯著提高,所得的砒霜中不再含有硫元素,也就不能用銀針鑒別了。但是,硫的這一特性仍然具有重要的價(jià)值,可被用來(lái)解除重金屬的毒性。通過(guò)形成低毒難溶的硫化物,降低重金屬對(duì)健康和環(huán)境造成的污染。比如,水銀溫度計(jì)打碎后,汞蒸發(fā),易造成空氣污染,且汞滴四處游走,不便于處理。當(dāng)在汞滴上撒上硫粉,形成不易游走的硫化汞,就便于清理了。

03
硫與氧氣的生成物---二氧化硫

 除與金屬反應(yīng),硫與氧氣反應(yīng)的產(chǎn)物二氧化硫,也對(duì)人類的生活產(chǎn)生了巨大的影響。最早,人類接觸到的二氧化硫主要來(lái)自火山噴發(fā),由于二氧化硫的氣味實(shí)在刺鼻難聞,古人認(rèn)為它是惡魔的氣息。所以在西方神話中,惡魔所在的地域到處都燃燒著硫磺火焰,散發(fā)著刺鼻的氣味。

 工業(yè)革命以來(lái),大氣中二氧化硫含量的增加,對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的損害。高濃度的二氧化硫會(huì)使肺部水腫,無(wú)法呼吸,從而使人窒息死亡。1952倫敦?zé)熿F事件,就是歷史上的真實(shí)案例。事件的起因就是倫敦冬季燃燒大量含硫煤炭取暖,且冬季無(wú)風(fēng),大量二氧化硫和粉塵蓄積,引發(fā)災(zāi)難,造成12000多人喪生。

 當(dāng)大氣中的二氧化硫等酸性物質(zhì)被雨水吸收,致使雨水pH小于5.6,稱為“酸雨”。酸雨不僅腐蝕建筑、衣服、皮膚,還使土壤和水質(zhì)酸化,農(nóng)作物減產(chǎn),水生生物死亡,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。所以,酸雨又被稱為空中死神。在遭受多年酸雨之害后,人們逐漸認(rèn)識(shí)到發(fā)展工業(yè)過(guò)程中,忽視環(huán)境會(huì)引發(fā)惡果,從而促進(jìn)了世界各國(guó)開(kāi)啟了環(huán)境保護(hù)立法的進(jìn)程。

 二氧化硫雖然有毒,但可以以毒攻毒,利用它的毒性進(jìn)行殺菌和防腐。人類很早就知道硫燃燒時(shí)有消毒和漂白的作用,這在《荷馬史詩(shī)》中就有記載。日常生活中的干果、蜜餞、紅酒等食品常用二氧化硫來(lái)殺菌防腐。除此之外,利用二氧化硫能與具有特征結(jié)構(gòu)的色素結(jié)合,使之褪色的原理,可用二氧化硫?qū)︺y耳、紙張、絲綢和草帽等多種物質(zhì)進(jìn)行漂白?!吨腥A人民共和國(guó)添加劑標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定了二氧化硫可作為食品添加劑,但需規(guī)范用法和用量。雖然它的漂白效果并不十分穩(wěn)定,當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí),顏色又會(huì)逐漸恢復(fù),但由于二氧化硫易于制取,成本低廉,至今仍被廣泛使用。

04
含硫元素的有機(jī)化合物

 硫元素最為神秘的特性還要屬其可以與碳?xì)涞仍亟M成生命體中重要的有機(jī)化合物。許多生物體腐敗后散發(fā)出讓人難以忍受的氣味,其部分來(lái)源正是含硫蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的硫化物。

 有趣的是動(dòng)植物界都不乏將硫臭味玩到極致的高手,讓其成為自身生存的重要保障。動(dòng)物界的美洲臭鼬在遇到危險(xiǎn)時(shí),其臭腺噴射出至少三種以上硫醇化物,這種惡臭讓其天敵退避三舍;植物界的巨型海芋,憑借花中硫化物散發(fā)出強(qiáng)烈的腐尸般的氣味吸引以腐肉類為食的甲蟲和食肉蠅前來(lái)授粉。

 當(dāng)然,硫的臭味對(duì)人類也大有用處。在日常生活中,我們的嗅覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)硫醇和硫醚的氣味十分敏感,將微量硫醇添加于本來(lái)無(wú)色無(wú)味的管道煤氣中,降低了煤氣泄漏事件被疏忽的可能性。


巨型海芋
(又稱“尸臭花”)

每3年一開(kāi)放,花期不過(guò)兩天

開(kāi)放時(shí)會(huì)發(fā)出難聞的腐尸味。

?亦正亦

 硫是一種頗有爭(zhēng)議的化學(xué)元素。它的功與過(guò),魅力與威力,遠(yuǎn)不止如此。以華東師范大學(xué)姜雪峰團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜的硫化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將致力解決硫化物的污染問(wèn)題,開(kāi)創(chuàng)性地提出了3S(即Smelless無(wú)臭;Stable 穩(wěn)定;Sustainable 可持續(xù)發(fā)展)綠色硫化學(xué),致力于實(shí)現(xiàn)“無(wú)機(jī)硫向有機(jī)硫轉(zhuǎn)化,無(wú)臭硫向有用硫轉(zhuǎn)化”。       

 任何一種化學(xué)元素本身并無(wú)優(yōu)劣,重要的是人類利用智慧將其轉(zhuǎn)化成為自身所需要的形式。

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