第五章 化工生产中的重要非金属元素——第一节 硫及其化合物

硫是一种重要的非金属元素,位于元素周期表的第三周期、第ⅥA族。硫原子的最外电子层有6个电子,在化学反应中容易得到2个电子,形成一2价硫的化合物。与同主族的氧元素相比,硫元素的原子多一个电子层,得电子能力相对较弱,而失电子能力则相对较强。这也是我们在富含氧气的地表附近找到的含硫化合物中,硫常常为+4价或+6价,而氧为一2价的原因。

一、硫和二氧化硫
1.硫
硫(俗称硫黄)是一种黄色晶体,质脆,易研成粉末。硫难溶于水,微溶于酒精,易溶于二硫化碳。
硫的化学性质比较活泼,能与许多金属单质及非金属单质发生化学反应。
S+Fe=△=FeS
S+2Cu=△=Cu₂S
S+H₂=△=H₂S
S+O₂=点燃=SO₂
2.二氧化硫
二氧化硫是一种无色、有刺激性气味的有毒气体密度比空气的大,易溶于水。在通常情况下,1体积的水可以溶解约40体积的二氧化硫。
【实验5-1】 把充满SO₂、塞有橡胶塞的试管倒立在水中，在水面下打开橡胶塞，观察试管内液面的上升。待液面高度不再明显变化时，在水下用橡胶塞塞紧试管口，取出试管，用pH试纸测定试管中溶液的酸碱度（保留该溶液供实验5-2使用）。
二氧化硫是一种酸性氧化物,溶于水时可与水反应生成亚硫酸(H₂SO₃),亚硫酸不稳定,同时又容易分解,生成二氧化硫和水。化学上通常把向生成物方向进行的反应叫做正反应,向反应物方向进行的反应叫做逆反应。像这种在同一条件下,既能向正反应方向进行,同时又能向逆反应方向进行的反应,叫做可逆反应。
二氧化硫在适当的温度并有催化剂存在的条件下,可以被氧气氧化,生成三氧化硫,三氧化硫也是一种酸性氧化物,溶于水时与水发生剧烈反应,生成硫酸。
二氧化硫还能与硫化氢反应,生成硫和水。
从以上反应可以看出,二氧化硫既具有氧化性又具有还原性。
【实验5-2】 用试管取2mL在实验5-1种得到的溶液，向其中滴入1~2滴品红溶液，振荡，观察溶液的颜色变化。然后加热试管，注意通风，再观察溶液的变化。
二氧化硫具有漂白作用，工业上常用二氧化硫来漂白纸浆、毛、丝等。二氧化硫的漂白作用是由于它能与某些有色物质生成不稳定的无色物质。这些无色物质容易分解而使有色物质恢复原来的颜色。此外,二氧化硫可用于杀菌消毒,还是一种食品添加剂。

二、硫酸
硫酸是重要的化工原料,可用于生产化肥、农药、炸药、染料和盐类等工业上一般以硫黄或其他含硫矿物(如黄铁矿)为原料来制备硫酸。金属冶炼时产生的含二氧化硫废气经回收后也可用于制备硫酸。
硫酸在水里很容易电离出氢离子,具有酸性。浓硫酸还具有很强的吸水性和脱水性等特殊的性质。它能吸收存在于周围环境中的水分,也能将蔗糖、纸张、棉布和木材等有机物中的氢元素和氧元素按水的组成比脱去。浓硫酸还具有很强的氧化性，能氧化大多数金属单质和部分非金属单质。
【实验5-3】 在带导管的橡胶塞侧面挖一个凹槽，并嵌入下端卷成螺旋状的铜丝。在试管种加入2mL浓硫酸，塞好橡胶塞，使铜丝与浓硫酸接触。加热，将产生的气体先后通入品红溶液和石蕊溶液中，观察实验现象。向外拉铜丝，终止反应。冷却后，将试管里的物质慢慢倒入盛有少量水的另一支试管里，观察溶液的颜色。
注意：浓硫酸具有很强的腐蚀性，在实验中应注意安全防护！
在加热的条件下,浓硫酸与铜反应,生成硫酸铜、二氧化硫和水。
2H₂SO₄(浓)+Cu=△=CuSO₄+SO₂↑+2H₂O
在这个反应里,浓硫酸氧化了铜,自身被还原成二氧化硫。浓硫酸是氧化剂,铜是还原剂。
在加热时,浓硫酸也能与木炭发生反应,生成二氧化碳、二氧化硫和水。
2H₂SO₄(浓)+C=△=CO₂↑+2SO₂↑+2H₂O
思考与讨论
（1）硫酸具有酸的哪些共同的性质？请举例写出相关反应的离子方程式。
（2）实验室用金属与酸反应制取氢气时，往往用稀硫酸，而不用浓硫酸，这是为什么？

三、硫酸根离子的检验
【实验5-4】 在三支试管中分别加入少量稀硫酸,Na₂SO₄溶液和Na₂CO₃溶液,然后各滴入几滴BaCl₂溶液,观察现象。再分别加入少量稀盐酸,振荡,观察现象。从这个实验中你能得出什么结论?写出相关反应的离子方程式。
注意：BaCl₂、Ba(OH)₂等可溶性钡的化合物和BaCO₃有毒！使用时须做好个人防护，相关废弃物应进行无害化处理。
在溶液中,SO₄²⁻可与Ba²⁺反应,生成不溶于稀盐酸的白色BaSO₄沉淀。
Ba²⁺+SO₄²⁻= BaSO₄↓
溶液中的CO₃²⁻也能与Ba²⁺反应生成白色沉淀,但BaCO₃沉淀可以与稀盐酸反应,放出CO₂。因此在实验室里,通常将溶液先用稀盐酸酸化,以排除CO₃²⁻等可能造成的干扰,然后加入BaCl₂溶液来检验SO₄²⁻的存在。

四、不同价态含硫物质的转化
自然界中的含硫物质在一定条件下能够相互转化。这种转化在人工条件下也能发生,硫酸的工业生产就是人类通过控制化学反应条件而实现的含硫物质的相互转化。那么,在实验室里如何实现不同价态含硫物质的相互转化呢?
硫元素常见的化合价有-2、0、+4和+6,可以通过氧化还原反应实现不同价态含硫物质的相互转化。利用氧化剂,可将硫元素从低价态转化到高价态;利用还原剂,可将硫元素从高价态转化到低价态。
方法导引：化学实验设计
化学实脸设计是指实验者在实施化学实验之前,根据一定的实验目的,运用化学知识与技能,按照一定的实验方法,对实验的原理、试剂、仪器与装置、步骤和方法等所进行的规划。例如,设计“不同价态含硫物质的转化”实验,当确定了要实现的转化关系后,需要明确转化前后的含硫物质是哪些,通过怎样的反应(氧化/还原)实现转化,用到的氧化剂或还原剂是什么,等等。
进行化学实验设计时,应遵|科学性、可行性、安全性和绿色化原则。化学实验设计一般以实验设计方的形式呈现,通常包括实验课题、实验目的、实验原理、实验仪器与试剂、实验步骤及注意事项、实验数据及处理、实验结论与讨论等。