# 硫及其化合物

> 化学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u11-sulfur-and-its-compounds/

本模块介绍硫及其主要化合物（包括二氧化硫、三氧化硫和硫酸）的存在形式、提取方法、化学性质和反应，同时介绍硫氧化物对环境的影响。

**先修:** [氧化态与氧化还原反应](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u02-redox-reactions/); [勒夏特列原理与化学平衡](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u07-equilibria/)

## 学习目标

- 描述通过弗拉施法开采硫的存在形式和提取方法
- 记住硫和常见含硫化合物的化学性质
- 运用平衡原理解释生产硫酸的接触法
- 讨论硫氧化物的环境影响和污染控制方法

## 硫的存在与提取

**弗拉施法** — 从地下矿床提取单质硫的工业方法，过热水熔化硫，再由压缩空气将液态硫压到地表。

*例:* 该方法是20世纪大部分时间里硫的主要来源。

硫在自然界中以单质形式存在于火山区域周边和地下盐丘中，也存在于硫化矿（如黄铁矿 $FeS_2$）和硫酸盐矿物（如石膏 $CaSO_4·2H_2O$）中。

**例题:** 一名学生声称弗拉施法使用冷水溶解硫来进行提取，找出该描述中的错误并改正。

1. 硫不溶于水，因此无法通过溶解提取，固态硫也无法从地下矿床中泵出。
2. 该工艺将高压下的过热水（160℃）泵入矿床，熔化硫，因为硫的熔点很低，约为115℃。
3. 之后压缩空气通过第二根管道泵入，将熔融硫通过第三根管道压到地表，冷却后凝固。

## 硫和硫氧化物的化学性质

**硫的同素异形现象** — 硫有两种常见的固态同素异形体：斜方硫（室温下稳定）和单斜硫（96℃以上稳定）。同素异形体是同一种元素在同一物理状态下的不同结构形式。

硫在过量氧气中燃烧只生成二氧化硫。硫有多种常见氧化态：硫化物中为-2，二氧化硫和亚硫酸盐中为+4，三氧化硫和硫酸盐中为+6。

$$S(s) + O_2(g) \rightarrow SO_2(g)$$

**例题:** 写出硫与热浓硫酸反应的配平氧化还原方程式，并指出氧化剂。

1. 硫从0价被氧化为+4价，而硫在 $H_2SO_4$ 中从+6价被还原为+4价。写出半反应：
2. $$\text{Oxidation: } S(s) + 2H_2O(l) \rightarrow SO_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$$
3. $$\text{Reduction: } H_2SO_4(l) + 2H^+(aq) + 2e^- \rightarrow SO_2(g) + 2H_2O(l)$$
4. 将还原半反应乘以2，与氧化半反应相加，消去相同项：
5. $$S(s) + 2H_2SO_4(l) \rightarrow 3SO_2(g) + 2H_2O(l)$$
6. 浓硫酸是氧化剂，因为它得到电子并被还原。

## 接触法与硫酸的性质

硫酸是产量最大的工业化学品之一，通过接触法生产。该工艺有三个核心阶段：1) 硫燃烧生成 $SO_2$，2) $SO_2$ 催化氧化生成 $SO_3$，3) 吸收 $SO_3$ 并稀释得到浓 $H_2SO_4$。

**接触法** — 生产浓硫酸的工业方法，因 $SO_2$ 和氧气与固体五氧化二钒催化剂接触而得名。

**例题:** 运用勒夏特列原理解释为什么接触法优先选择450℃，而非200℃或800℃。

1. 核心平衡反应为：
2. $$2SO_2(g) + O_2(g) \rightleftharpoons 2SO_3(g) \quad \Delta H = -196 \text{ kJ mol}^{-1}$$
3. 正反应为放热反应。200℃下，平衡大幅右移，产率很高，但反应速率太慢，不适合工业生产。
4. 800℃下，反应速率很快，但平衡大幅左移，导致 $SO_3$ 产率极低，不具备经济性。
5. 450℃是妥协温度，可获得可接受的产率（约95%转化率）和足够快的反应速率，实现盈利。

> **考试提示:** 阅卷者要求你在解释工业过程的妥协条件时必须同时提到产率和反应速率，只讨论其中一个会失分。

## 硫氧化物对环境的影响

燃烧含硫化石燃料（如煤炭）发电会向大气排放大量二氧化硫，这是酸雨的主要成因，酸雨会破坏森林、水生生态系统和石灰石建造的建筑物。

**烟气脱硫** — 在电站烟气排放到大气前脱除其中二氧化硫的工艺，可减少酸雨的形成。

**例题:** 写出烟气脱硫中碳酸钙脱除二氧化硫的配平方程式，并解释其原理。

1. 烟气通过破碎碳酸钙（石灰石）的浆液，二氧化硫与碳酸钙反应生成固体亚硫酸钙。
2. $$CaCO_3(s) + SO_2(g) \rightarrow CaSO_3(s) + CO_2(g)$$
3. 固体亚硫酸钙被过滤后处置，因此二氧化硫不会逸入大气形成酸雨，该工艺可脱除烟气中90%以上的二氧化硫。

## 常见错误

- **错误做法:** 声称硫在过量空气中燃烧直接生成三氧化硫
  - 原因: 即使氧气过量，硫燃烧也只生成二氧化硫，氧化为三氧化硫需要催化剂。
  - 正确做法: 说明硫燃烧生成 $SO_2$，之后在接触法中被催化氧化为 $SO_3$。
- **错误做法:** 认为接触法中三氧化硫直接被水吸收
  - 原因: $SO_3$ 与水的反应高度放热，会产生无法收集的不可控硫酸雾。
  - 正确做法: $SO_3$ 被浓硫酸吸收生成发烟硫酸，之后再安全稀释为浓硫酸。
- **错误做法:** 忘记浓硫酸不仅是酸，还可作为氧化剂
  - 原因: 学生通常只记得硫酸是强酸，因此在它与金属、卤化物或其他还原剂反应时会漏写氧化还原半反应。
  - 正确做法: 浓硫酸参与反应时，要确认它是作为酸（生成盐）还是作为氧化剂（被还原为 $SO_2$）。
- **错误做法:** 假设所有含硫化合物中硫的氧化态都是+6
  - 原因: 硫的氧化态范围从-2到+6，学生经常误判硫化物或亚硫酸盐中硫的氧化态。
  - 正确做法: 始终根据化合物中其他元素已知的氧化态计算硫的氧化态。

## 速查表

| 工艺/概念 | 核心要点 | 核心方程式 |
| --- | --- | --- |
| 弗拉施法 | 过热水熔化硫，压缩空气压至地表 | 无 |
| 接触法反应条件 | 450℃、2 atm、$V_2O_5$ 催化剂 | $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 \quad \Delta H=-196$ kJ/mol |
| 酸雨形成 | $SO_2$ 溶于水生成亚硫酸，再被氧化为 $H_2SO_4$ | $2H_2SO_3 + O_2 \rightarrow 2H_2SO_4$ |
| 烟气脱硫 | $SO_2$ 与 $CaCO_3$ 反应生成固体 $CaSO_3$ | $CaCO_3 + SO_2 \rightarrow CaSO_3 + CO_2$ |

## 下一步

硫及其化合物与CIE A-Level化学的多个核心主题相关，从氧化还原、化学平衡到环境和工业无机化学。硫酸的性质还与有机化学相关，它在酯化反应中作催化剂，在消除反应中作脱水剂。掌握该子主题对选择题和扩展回答题都至关重要，考试中经常要求解释接触法条件和硫氧化物的环境影响。

- [氮及其化合物](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u11-nitrogen-and-its-compounds/)
- [有机化学导论](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u12-overview/)
- [命名法](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u12-nomenclature/)

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