硫的同素异形体
硫有许多同素异形体,最常见的是晶状的单斜硫和斜方硫。菱形硫(斜方硫)又叫α-硫。单斜硫又叫β-硫。斜方硫在96℃以下稳定,单斜硫在96℃以上稳定。96℃是这两种变体的转变温度,也只有在这个温度时这两种变体是处于平衡状态。
单斜硫和斜方硫都易溶于CS2中,都是由S8环状分子组成的,每个硫原子以SP3杂化轨道与另外两个硫原子形成共价单键相联结。
若迅速加热斜方硫,则由于没有足够的时间让它转化为单斜硫,而在113℃时熔化。若缓慢地加热斜方硫,超过96℃时它便转变为单斜硫。单斜硫在119℃时熔化。
把硫加热超过它的熔点就变成黄色流动性的液体,加热到160℃以上,S8环状结构断裂变成无限长的链状的分子互相绞在一起,液态硫的颜色变深,粘度增加,接近200℃时它的粘度最大。继续加热时(250℃以上)长链硫断裂为小分子,所以粘度下降。到444.6℃时,硫就变成蒸气,蒸气中有S8、S6、S4、S2等分子存在。在1000℃左右硫蒸气的密度相当于S2分子。
若把熔融的硫急速倾入冷水中,长链状的硫被固定下来,成为能拉伸的弹性硫,但经放置会发硬变为α-硫。
硫在不同温度下的流动性
硫受热到113℃时开始熔化,变成淡黄色容易流动的液体。温度上升到160℃以上,液体很快变成棕色,并具有黏滞性,在200℃左右时,黏度达最高点。以后,黏度随着温度上升而减小,接近它的沸点444.6℃时,又恢复为易流动的液体。
这种现象可以这样解释:根据相对分子质量测定,单质硫的分子相当于化学式S8,这个分子具有环状结构。
加热时发生上述性质的变化,是由于硫内部结构的变化而引起的。在通常情况下,硫具有如图所示的环状结构,熔化时容易流动。高于160℃时,S8的环开始破裂,转为开链,链与链之间可以互相连接而发生聚合作用,形成长的硫链,因而黏度增加,颜色变深。在200℃时,黏度达最高点。进一步加热时,长链又开始断裂,长链大分子断裂为短链分子,黏度又重新降低。
硫在444.6℃时沸腾。由蒸气密度可知,硫的蒸气中有S8、S6、S4、S2等分子存在,每种分子数目的多少视温度的高低而定,下列平衡随着温度的升高而向正反应的方向移动:
3S84S66S412S2
到750℃时,S2占92%,S6仅占0.1%(质量分数)。加热到1500℃时,S2分子开始分解为单原子S。
硒和碲简介
硒和碲都是稀有的分散元素,硒在地壳里的质量分数约为1×10-7,碲约为1×10-8。硒和碲常共存于各种硫化物的矿物里。此外,也有一些单独存在的重金属(Pb、Bi、Au等)的硒化物、碲化物的矿物。
硒具有多种形态,其中以灰色晶体的硒最为稳定,呈金属光泽,粉末状的硒显红色。碲的外观呈银白色,具有金属光泽,粉末为黑色。
硒和碲都是氧族元素,它们的最外层电子构型为ns2np4,它们的性质与硫相似,常见的化合价有-2、+4、+6等。
硒不跟水反应,能溶于浓硝酸中。
硒和碲在高温时都能在空气里燃烧(硒的火焰为纯蓝色,碲的火焰为绿蓝色),生成相应的二氧化物──SeO2和TeO2。它们的二氧化物主要显示氧化性,容易被还原成游离态的硒和碲。硒和碲的氧化物还有三氧化物SeO3和TeO3。分别与氧化物对应的水化物为亚硒酸H2SeO3、亚碲酸H2TeO3及硒酸H2SeO4、碲酸H2TeO4。硒和碲的二氧化物及其对应的酸和盐最为稳定,而硫则以三氧化物及其对应的酸和盐最为稳定。这里有一点要指出,H2SeO4是强酸,而H2TeO4是很弱的酸。
硒在高温时可以跟氢直接化合生成H2Se;碲不能直接跟氢化合,但用碲化物跟稀酸反应可以得到碲化氢H2Te,它很不稳定。H2Se和H2Te都是无色、有恶臭和剧毒的气体,它们在水中的溶解度比H2S的小,所得水溶液显酸性。它们在空气中都易被氧化,受热时都会分解,都是强还原剂。
硒是1817年发现的,20世纪初才开始投入工业生产。在20世纪30年代以前,硒主要用于玻璃工业、橡胶工业以及某些化学工业部门。在40年代,开始用大量硒制造整流器。近年来逐渐用硅来制整流器。硒广泛用来制造许多电子工业器件,如光电管、太阳能电池、电视、传真、复印等。硒还用于制造化合物半导体,如硒化镉、硒化汞等。在颜料方面,硒的消耗量也相当大,用硒制成的颜料对日光、热及化学作用等方面都很稳定。在玻璃工业中,加入硒可消除由于含铁所引起的绿色,并可使玻璃带上需要的多种颜色。硒加入碳钢及不锈钢中,可改善其机械加工性能。锂硒蓄电池可用于医学及导弹上。
碲是1782年发现的,但因资源、工艺、用途等方面的原因,碲的生产在20世纪30年代才随着在工业上的广泛应用而发展起来。高纯碲用于制造化合物半导体,如碲化镉、碲化铝、碲化铋等。目前,碲大部分用于冶金工业。把碲加入钢和铜里可以改善其机械加工性能和抗腐蚀性能。在铅里加入少量碲可显著提高其抗腐蚀、抗磨性及机械强度。碲在橡胶工业中的用量也很大,它可增加橡胶的可塑性,提高橡胶的抗热、抗氧化和耐磨性能。碲也可用来制造灵敏的热电元件等。
二氧化硫的漂白作用
SO2溶解于水生成亚硫酸,亚硫酸跟有色的有机物质直接结合而成无色化合物。例如,把SO2通入微酸性的品红溶液里,溶液颜色就由红色变为无色,这是亚硫酸直接跟有色物质结合的结果。这个反应可以用下面的化学方程式表示:
品红的结构里有一个发色团,该发色团遇到亚硫酸后,生成不稳定的无色化合物,改变了发色团的结构。这种无色化合物不稳定,遇热时,又分解为发色团。
氧化物
氧元素跟其他元素形成的二元化合物叫做氧化物。除了有些稀有气体以外,实际上已制得所有元素的氧化物。根据不同的标准,氧化物有以下几种分类:(1)按酸碱性分,一般分酸性氧化物(如三氧化硫)、碱性氧化物(如氧化钠)、两性氧化物(如氧化铝)和不成盐氧化物(如一氧化氮)。(2)按价键特征分,有离子型氧化物(如氧化钠)和共价型氧化物(如二氧化碳)。(3)按晶体结构分,有无限三维晶格氧化物(如二氧化钛)、层状晶格氧化物(如三氧化钼)、链状晶格氧化物(如三氧化铬)和分子结构氧化物(如二氧化碳)。同种元素往往有几种不同价态的氧化物,如SO2和SO3,As2S3和As2S5,FeO、Fe2O3和Fe3O4等。在Fe3O4中,Fe有两种不同的价态,一般把Fe3O4看作是FeO·Fe2O3,经X射线研究证明,它是一种铁(Ⅲ)酸盐,化学式是FeⅡFeⅢ[Fe3ⅢO4]。有人认为氧化物是指氧跟电负性比氧小的元素所形成的二元化合物。从这个观点看,OF2不属于氧化物,而属于氟化物。氧化物中还有过氧化物(如过氧化钠、过氧化氢)和超氧化物(如超氧化钾KO2)。过氧化物和超氧化物都具有强氧化性。有时氧化物的含义比较广泛,如NiFe2O4、YVO4、Y3Al5O12等叫混合氧化物或多元氧化物。还有一类叫有机氧化物,如C2H4O2叫环氧乙烷或氧化乙烯、C3H6O叫环氧丙烷或氧化丙烯。同周期元素的氧化物,随着原子序数的递增,碱性减弱而酸性增强。同族元素的氧化物,随着原子序数的递增,碱性增强而酸性减弱。同种元素形成不同价态的氧化物时,随着价态的递增,氧化物的酸性增强。
浓、稀硫酸氧化作用不同的原因
浓硫酸是一种氧化作用相当强的氧化剂,特别是当加热时,它的氧化性就更强了。浓硫酸的氧化作用是由于分子里有氧化数为+6的硫所引起的。
加热时,绝大多数金属(Au、Pt例外)都能跟浓硫酸发生反应,但都没有氢气生成。在金属活动性顺序中氢前面的金属,根据它们还原性强弱的不同,硫酸分子里氧化数为+6的硫,能被还原成不同氧化数的产物,如SO2、S和H2S等。在一般情况下,大多生成SO2。在加热情况下,当还原性强的锌跟浓硫酸作用时,主要生成SO2,但往往同时有单质S和H2S生成。
Zn+2H2SO4(浓)ΔZnSO4+SO2↑+2H2O
3Zn+4H2SO4(浓)Δ3ZnSO4+S↓+4H2O
4Zn+5H2SO4(浓)Δ4ZnSO4+H2S↑+4H2O
金属的还原性越强,生成S和H2S的倾向就越大。在金属活动性顺序里氢以后的金属,在加热情况下跟浓硫酸反应,都生成SO2,而不生成S和H2S。例如:
Cu+2H2SO4(浓)ΔCuSO4+SO2↑+2H2O
稀硫酸跟活泼金属反应,能放出H2。
Zn+H2SO4(稀)ΔZnSO4+H2↑
这种氧化作用,实际上是金属跟稀硫酸里电离出来的氢离子反应而引起的。因此,稀硫酸的氧化作用是一般酸类共有的性质。但氢离子只能氧化金属活动性顺序中位于氢前面的金属,例如Mg、Zn、Fe等,或者说是这些活泼金属的还原性把氢离子还原了。而位于氢后面的金属,例如Cu、Ag、Hg等,则不能与稀硫酸反应。
矾
含结晶水的硫酸盐常称为矾。如ZnSO4·7H2O称为皓矾,CuSO4·5H2O称为胆矾,FeSO4·7H2O称为绿矾,等等。此外,还有一些硫酸复盐,这些复盐一般由一价金属的硫酸盐及三价金属的硫酸盐各1分子与24分子水所组成,其通式是:RⅠ2SO4·MⅢ2(SO4)3·24H2O或RⅠMⅢ(SO4)2·12H2O。最常见的有明矾K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O或KAl(SO4)2·12H2O。如果式中的钾被其他一价碱金属或Tl+、NH4+所代替,铝被三价的铬、铁、钴、铑、铱、锰及钒等金属离子代替,这样生成的矾以两种金属的名称连接矾字而命名。例如,(NH4)2SO4·Fe2(SO4)3·24H2O称为铁铵矾,Na2SO4·Cr2(SO4)3·24H2O称为钠铬矾,等等。矾中的硫酸根如果以硒酸根所代替,生成的矾称为硒矾,如K2SeO4·Al2(SeO4)3·24H2O或KAl(SeO4)2·12H2O。
浓硫酸的吸水作用、脱水作用
吸水作用
浓硫酸的吸水作用指的是浓硫酸分子跟水分子强烈结合,生成一系列的水合物,如H2SO4·H2O(SO3·2H2O)、H2SO4·2H2O(SO3·3H2O)和H2SO4·4H2O(SO3·5H2O)。这些水合物很稳定,所以浓硫酸是很好的干燥剂。它不但能吸收空气中的水分,还能夺取结晶水合物中的结晶水。浓硫酸跟水生成水合分子的同时,会放出大量的热。
脱水作用
浓硫酸可将许多有机化合物(尤其是糖类如纤维素、蔗糖等)脱水。反应时,按水分子中氢、氧原子数的比(2∶1)夺取这些有机物分子里的氢原子和氧原子。例如,浓硫酸跟蔗糖混合时,主要起脱水作用,同时浓硫酸又使游离出来的碳氧化而生成二氧化碳,它自身还原而生成二氧化硫,反应时放出的热使水分蒸发。这些作用使有机物脱水后生成的碳的体积膨胀,并呈疏松多孔状。但是,浓硫酸使有机物脱水时,并不一定都有碳游离出来。例如,用甲酸制取一氧化碳或用酒精制取乙烯时,虽然都用浓硫酸作脱水剂,但没有碳游离出来。这两个反应如下:
HCOOH浓硫酸CO↑+H2O
C2H5OH浓硫酸C2H4↑+H2O
什么是金属的钝化
有的金属(或合金)由于受某些氧化剂作用后其表面状况发生了改变,使金属(或合金)的化学活动性大大降低,耐腐蚀性大大增强,这种现象称为金属的钝化。金属钝化后所处的状态称为钝态。
例如,铁可与稀硝酸反应而溶于其中,但是,如果把铁浸入密度大于1.25g/cm3的浓硝酸中,铁却钝化而不溶。铁在浓硝酸中钝化后,不仅在稀硝酸中也不能再溶解,而且不能从铜盐(如CuSO4)溶液中置换出铜。
不仅铁,其他多种金属也可以发生钝化。例如,Cr、Ni、Co、Mo、Al、Ta、Nb和W等,其中最容易钝化的金属是Cr、Mo、Al、Ni。不仅硝酸,其他强氧化剂如浓硫酸、氯酸、碘酸、重铬酸钾、高锰酸钾等,都可以引起某些金属的钝化甚至空气中的氧气也能使有的金属(如铝、铬等)钝化。
有许多因素能够破坏钝化状态,或者阻止金属钝态的生成。将溶液加热或加入活性离子如Cl-、Br-、I-等和还原性气体如氢(特别在加热时)都能使钝态金属活性化。
为什么金属会发生钝化现象?现在大多认为金属的钝化是由于金属跟介质作用而生成了一层极薄的肉眼看不见的保护膜的结果。这层薄膜最经常的是金属的氧化物。如铁与浓硝酸作用,铁表面被氧化膜厚度是30×10-10~40×10-10m,化学性质很不活泼,将铁表面和介质完全隔绝,从而使铁处于钝态。
某些金属的钝化也可由阳极氧化来实现。阳极氧化是将金属制件作阳极利用电解法使其表面上形成氧化物薄膜的过程。像铝、镁、铜、钢等制件都可用此法钝化。
为了提高某些金属的抗蚀性能(有时还同时增加美观),可采用化学方法或阳极氧化方法,使金属钝化。金属的钝化在机械制造,仪器制造,武器、飞机及某些金属日用品的制造中,以在某些金属制件表面生成防锈或同时还有装饰的覆盖层而广泛地被采用。
硫酸最早的制取方法
据我国科学家考证,在公元650—683年(唐高宗时),炼丹家孤刚子在其所著《黄帝九鼎神丹经诀》卷九中就记载着“炼石胆取精华法”,即干馏石胆(胆矾)而获得硫酸。若用化学方程式表示则为:
CuSO4·5H2O干馏CuSO4+5H2O
CuSO4干馏CuO+SO3↑
SO3+H2OH2SO4
这一发现比西方早五六百年。
孤刚子不仅用这种硫酸分解过金矿,而且还发现了硫酸参与的许多惊奇的变化,如他知道稀硫酸对铜不能腐蚀的性质。
8世纪阿拉伯炼金家贾比尔发现,将硝石和绿矾一起蒸馏,所得气体溶于水得硫酸。后来人们还发现某些矿泉中有浓厚的硫磺味道,可治疗皮肤病,这是因为河水长期接触硫铁矿(FeS2)等,被缓慢氧化成微量H2SO4,使河水味道发酸。这个变化可表示为:
2FeS2+7O2+2H2O2H2SO4+2FeSO4
至于用硫磺燃烧(通过铅室法)制硫酸,则是17世纪以后的事,而用接触法制硫酸则更是19世纪以后才出现的。
因此硫酸旧称矾油。这种生产办法得到的硫酸产量很低,无法满足近代工业需要。