硫VI酸SulphuricVIacid.docx

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硫VI酸SulphuricVIacid

【硫（VI）酸，Sulphuric（VI）acid】

（一）硫的一般性質

GeneralPropertiesofSulphur

硫是週期表中第VIA族的第二個元素，其電子組態為1s22s22p63s23p4。

硫有很多同素異形體，它能以不同的相顯示不同的形態。

SulphuristhesecondmemberofGroupVIAinthePeriodicTable.Ithasanelectronicconfigurationof1s22s22p63s23p4.Sulphurisallotropicandshowsawidevarietyofdifferentformsindifferentphases.

（A）硫的同素異形體

AllptropeofSulphur

（a）斜方晶硫

Rhombicsulphur

在室溫或溫度高至96℃時，硫的最穩定形態為「斜方晶硫」。

斜方晶硫是一種黃色的透明晶體，它是由八個硫原子構成的分子所組成，而分子內的硫原子均以共價鍵緊扣成一皇冠形狀的S8環。

斜方晶硫不溶於水，但溶於有機溶劑。

Atroomtemperature（ortemperaturesupto96℃）,rhombicsulphur,withtransparentyellowcrystals,isthestableandcommonform.Itconsistsofeightsulphuratomscovalentlybondedtogetherinacrown-shapedS8ring.Rhombicsulphurisinsolubleinwaterbutsolubleinorganicsolvents.

（b）單斜晶硫

Monoclinicsulphur

硫的另一同素異形體為「單斜晶硫」，它在95.5℃至119℃最為穩定。

單斜晶硫是一種琥珀黃色的晶體，同樣由S8分子所組成。

Anothercommonsulphurismonoclinicsulphur.Itistablebetween95.5℃and119℃.Itexistsasamber-yellowcrystalsandisalsocomposedofS8molecules.AsthemolecularmassofS8moleculeislarge,itsboilingpointishigh（4450C）.However,itsmeltingpointislow（1130C）.ThisisbecausetheintermolecularforcesbetweentheS8moleculesinthesolidstateareweakvanderWaals'forces.1bbled-lshowssomegeneralinformationofsulphur.

（c）無定形硫、彈性硫

Amorphoussulphur,Plasticsulphur

硫的其他同素異形體包括無定形硫、彈性硫等，它們均從化學反應中生成。

Otherallotropesofsulphurareamorphoussulphur,plasticsulphur.Theyareformedinchemicalreactions.

（B）硫的一般資料

Generalinformationofsulphur

（a）熔點及沸點

Meltingpoint&Boilingpoint

由於硫分子的分子質量很大，故硫的沸點很高（445℃）。

然而，硫的熔點卻很低（113℃）。

原因是硫分子在固態時的分子間引力是微弱的范德華力。

AsthemolecularmassofS8moleculeislarge,itsboilingpointishigh（445℃）.However,itsmeltingpointislow（113℃）.ThisisbecausetheintermolecularforcesbetweentheS8moleculesinthesolidstateareweakvanderWaals’forces.

（b）硫的無機化合物

InorganiccompoundsofSulphur

硫能與氫和氧生成大量的無機化合物。

硫離子（S2－）、硫化氫（H2S）、二氯化硫（SCl2）、硫代硫酸根離子（S2O32－）。

Sulphurcanformalargenumberofinorganiccompoundswithhydrogenandoxygen.Sulphide（S2－）、hydrogensulphide（H2S）、sulphurdichloride（SCl2）、thiosulphate（S2O32－）.

（C）硫的燃燒

BurningofSulphur

硫在過量的氧中燃燒，會產生暗藍色的火燄，並生成二氧化硫及微量的三氧化硫。

這個實驗通常要在煙櫥內進行，原因是二氧化硫是一種帶有刺鼻氣味的有毒氣體。

Sulphurburnswithadullblueflameinthepresenceofexcessoxygentoformsulphurdioxidegas.Tracesofmistysulphurtrioxidearealsofound.Theexperimentisusuallycarriedoutinafumecupboard,assulphurdioxideisatoxicgaswithapungentchokingsmell.

S（s）＋O2（g）―――→SO2（g）

（二）二氧化硫

Sulphurdioxide

二氧化硫是一種帶有刺鼻氣味的無色氣體。

在室溫室壓下，二氧化硫能被液化。

二氧化硫可溶於水，並產生很多不同的離子。

由於氫離子的存在，故二氧化硫的水溶液是酸性的。

Sulphurdioxideisacolourlessgaswithacharacteristicpungent,chokingsmell.Atroomtemperature,itcanbereadilyliquefiedunderpressure.Itisverysolubleinwaterandvariousionsareformed.Theaqueoussolutionofsulphurdioxideisacidicinnatureashydrogenionsarepresent.

SO2（g）＋H2O（l）←―→H2SO3（aq）←―→H＋（aq）＋HSO3－（aq）←―→2H＋（aq）＋SO32－（aq）

（A）二氧化硫的氧化性質

OxidizingPropertiesofSulphurDioxide

二氧化硫可作為氧化劑。

在這種情況下，硫的氧化數會由+4變為0。

Sulphurdioxidecanactasanoxidizingagent.Insuchcases,theoxidationnumberofsulphurchangesfrom+4to0.

SO2（g）＋4e－――→S（s）＋2O2－（s）

SO2（g）＋4H＋（aq）――→S（s）＋2H2O（l）

（a）與鎂的反應

ReactionwithMagnesium

鎂是一種強還原劑。

它與二氧化硫反應，生成黃色的硫粒及白色的氧化鎂。

反應是把一條燃燒中的鎂帶，放進一個盛有二氧化硫的瓶中。

高溫的鎂帶能令二氧化硫分解而釋出氧，使鎂帶能繼續燃燒。

Magnesiumisastrongreducingagent.Itreactswithsulphurdioxidegastogiveyellowspecksofsulphurandwhitemagnesiumoxide.Thereactionisperformedbyputtingaburningpieceofmagnesiumintoajarofsulphurdioxide.Thehotmagnesiumcanliberatefreeoxygenfromsulphurdioxideandthereforeitcontinuestoburn.

2Mg（s）＋SO2（g）――→2MgO（s）＋S（s）

（b）與硫化氫的反應

ReactionwithHydrogenSu1phide

二氧化硫水溶液能將硫化氫氧化，生成硫和水。

Aqueoussulphurdioxidecanalsooxidizehydrogensulphidetogivewaterandsulphur.

2H2S（g）＋SO2（g）――→3S（s）＋2H2O（l）

（B）二氧化硫的還原性質

ReducingPropertiesofSulphurDioxide

二氧化硫水溶液是一種很強的還原劑，它可供應電子給氧化劑。

二氧化硫溶於水時，可形成硫（IV）酸根離子（SO32－（aq））。

值得注意的是在這以下兩種情況，硫的氧化數均由+4變為+6。

Aqueoussulphurdioxideisapowerfulreducingagent.Itactsasanelectrondonortooxidizingagents.Aqueoussulphurdioxidecanalsobeconsideredassulphate（IV）ionsSO32－（aq）whendissolvedinwater.Notethattheoxidationnumberofsulphurincreasesfrom+4to+6inbothcases.

SO2（g）＋2H2O（l）――→SO42－（aq）＋4H＋（aq）＋2e－

SO32－（aq）＋H2O（l）――→SO42－（aq）＋2H＋（aq）＋2e－

（a）與錳（VII）酸根離子的反應

ReactionwithManganate（VII）orpermanganateion,

錳（VII）酸根離子或高錳（VII）酸根離子（MnO4－）是一種強氧化劑。

它在酸性的介質中會與還原劑反應，並會被還原為錳（II）離子。

因此，當錳（VII）酸根離子與二氧化硫水溶液反應時，錳（VII）酸根離子會被還原為錳（II）離子，而硫（IV）酸根離子則會被氧化成硫（V）酸根離子。

MnO4－（aq）的紫色會漸漸消失。

Manganate（VII）orpermanganateion,MnO4－,isastrongoxidizingagent.Itreactswithareducingagentinanacidicmediumtogive2+manganese（II）ion,Inthereactionwithaqueoussulphurdioxide,manganate（VII）ionisthereforereducedtornanganese（II）ionwhilesulphate（IV）ionisoxidizedtosulphate（VI）ion.ThepurplecolourofMnO4－（aq）isdecolourized.

5SO32－（aq）＋2MnO4－（aq）＋6H＋（aq）――→5SO42－（aq）＋2Mn2＋（aq）＋3H2O（l）

（b）與重鉻（Vl）酸根離子的反應

ReactionwithDichromate（VI）Ion

重鉻（VI）酸根離子（Cr2O72－（aq））是一種強氧化劑。

它在酸性的介質中會與還原劑反應，並被還原為鉻（III）離子。

同樣地，二氧化硫溶於水所產生的硫（IV）酸根離子與重鉻（VI）酸根離子反應，亦可生成硫（VI）酸根離子及鉻（III）離子。

Cr2O72－（aq）的橙色會漸漸變為綠色的Cr3+（aq）。

二氧化硫水溶液使橙色的重鉻（VI）酸根離子變為綠色。

Dichromate（VI）ion,Cr2O72－（aq）,isastrongoxidizingagentwhichreactswithareducingagentinanacidicmediumtogivechromium（III）ion,Cr3＋（aq）.Sulphurdioxidedissolvesinwatertogivesulphate（IV）ion.ItreactswithCr2O72－（aq）togivesulphate（VI）ionandchromium（III）ion.TheorangecolourofCr2O72－（aq）isdiscolourizedtothegreencolourofCr3＋（aq）.

3SO32－（aq）＋Cr2O72－（aq）＋8H＋（aq）――→2Cr3＋（aq）＋3SO42－（aq）＋4H2O（l）

（c）與溴的反應

ReactionwithBromine

溴水（Br2（aq））是一種氧化劑，它與還原劑反應會生成溴離子。

二氧化硫水溶液能將溴還原為溴離子，而自己則被氧化成硫（VI）酸根離子。

溴水的黃棕色會逐漸消失。

Brominewater,Br2（aq）,isanoxidizingagentwhichreactswithareducingagenttogivebromideion.Aqueoussulphurdioxidereducesbrominetobromideionwithitselfbeingoxidizedtosulphate（VI）ion.Theyellowishbrowncolourofbrominewaterisdecolourized.

SO32－（aq）＋Br2（g）＋H2O（l）――→2Br－（aq）＋3SO42－（aq）＋2H＋（aq）

（d）漂白作用

ReactionwithColouredSubstances

某些有色物質（如染料）是氧化劑。

若染料的還原形態是無色的，則它們可被含水的二氧化硫漂白。

二氧化硫是溫和的漂白劑，它常用作漂白淺色物料，如紙張、草紙、絲網和毛織品等。

報紙亦是以二氧化硫漂白的。

然而，當它們置於空氣中一段時間後，便會變為淺棕色。

這是因為空氣中的氧會使報紙回復原料紙張的原來顏色。

此外，二氧化硫能把一些食物變白，如麵粉和芝士。

它亦可作為果汁和果醬的防腐劑。

Certaincolouredsubstances,suchasdyes,areoxidizingagents.Theycanbebleachedbymoistsulphurdioxide,providedthatthereducedformofthedyeiscolourless.Sulphurdioxideisamildbleachingagent.Itiscommonlyusedtobleachdelicatematerialssuchaspaper,straw,silkandwool.Newspapersarebleachedbysulphurdioxide.Whentheyareexposedintheairforalongtime,theyoftenturnapalebrowncolour.Thisisbecauseoxygenisabsorbedfromairtorestoretheoriginalcolourofrawpaper.Besides,sulphurdioxideiscommonlyusedtowhitensomefoodstuffssuchasflourandcheese.Itisalsousedasafoodpreservativeforfruitjuicesandjam.

（三）硫（VI）酸

Sulphuric（VI）acid

硫（VI）酸是一種無色、具腐蝕性及油性的液體。

它是一種二鹽基酸。

純硫（VI）酸在340℃沸騰並分解，冒出三氧化硫和蒸汽。

硫（VI）酸的高沸點和黏滯性相信是由於其相鄰分子的氫原子和氧原子形成氫鍵所致。

Sulphuric（VI）acidisacorrosive,colourless,oily-liquid.Itisastrongdibasicacid.Puresulphuric（VI）acidboilsanddecomposesat340℃,givingoutfumesofsulphurtrioxideandsteam.Thehighboilingpointandviscosityarethoughttobeduetothehydrogenbondingbetweenthehydrogenatomandoxygenatomofneighbouringmolecules.

H2SO4―――→SO3（g）＋H2O（g）

（A）利用接觸法製造硫（VI）酸

ManufactureofSulphuric（VI）AcidbytheContactProcess

（a）二氧化硫的製備及淨化

PreparationandPurificationofSu1phurDioxide

1,製備

Preparation

首先，硫的元素態可從開採地下的礦而獲得，亦可藉弗拉施法。

它利用高壓強，超熱的水將地殼下的硫溶化，然後將熔融的硫與熱水一起泵出。

然後，將硫在空氣中燃燒，生成二氧化硫。

同樣地，二氧化硫亦可從黃鐵礦FeS2或黑方鉛礦PbS在氧氣/空氣中烘焙獲得。

Sulphurcanbeobtainednaturallyinelementalforminlargeundergrounddeposits.ItcanalsobeextractedfromsulphurorebytheFraschprocess.Sulphurobtainedisburntinairtogivesulphurdioxide.Alternatively,sulphurdioxidecanbeobtainedbyroastingironpyrite,FeS2,orblackgalena,PbS,inoxygen/air.

S（s）＋O2（g）―――→SO2（g）

4FeS2（s）＋11O2（g）―――→2Fe2O3（s）＋8SO2（g）

2PbS（s）＋3O2（g）―――→2PbO（s）＋2SO2（g）

2,淨化

Purification

二氧化硫和空氣中的雜質會污染反應所用的催化劑。

因此，空氣和二氧化硫須以清水清洗及以濃硫（VI）酸把水份吸乾。

然後，淨化了的二氧化硫和空氣會在熱交換器中混合，並被來自催化室的熱氣體加熱。

Impuritiesinsulphurdioxideandairmaypoisonthecatalystusedinthereaction.Thegasesarewashedwithwateranddriedbyconcentratedsulphuric（VI）acid.Then,thepurifiedsulphurdioxideandairaremixedandheatedinaheatexchangerbyhotgasesleavingthecatalyticchamber.

（b）二氧化硫催化氧化成三氧化硫

CatalyticOxidationofSulphurDioxidetoSulphurTrioxide

1,在450℃下進行

Carriedoutat450℃

二氧化硫與空氣反應生成三氧化硫。

然而，三氧化硫的生成速度很緩慢。

但由於這是可逆的放熱反應，故低溫有利於化學平衡移向生成物的一方，使三氧化硫的產量增加。

可是，這需要很長的時間才能達至平衡狀態。

因此，這反應通常在450℃下進行。

Sulphurdioxidereactswithairtoformsulphurtrioxide.However,theratefortheformationofsulphurtrioxideisveryslow.Asthereactionisexothermicandreversible,alowtemperaturefavourstheproductsideoftheequilibriumintheformationofsulphurtrioxide.Nevertheless,thetimetoreachtheequilibriumislikelytobelong.Asaresult,themanufactureofsulphurtrioxideisusuallycarriedoutat450℃.

2SO2（g）＋O2（g）←450℃1atmPt/V2O5→2SO3（g）△H=-197kJmol－1

2,V2O5作為催化劑

使用適當的催化劑亦可加快反應的速度。

從前，鉛是常用的催化劑。

但它很容易被砷化合物所污染，故現在多採用氧化釩（V2O5）作為催化劑。

雖然氧化釩（V）比鉑的效率低，但它卻比鉛便宜，且不易中毒。

Asuitablecatalystisalsousedtoincreasetherateofformationofsulphurtrioxide.Thecommoncatalystusedinthepastwasplatinum.However,itiseasilypoisonedbyarseniccompounds.Vanadium（V）ox