单质硫的特性及相关实验趣谈

摘要：通过介绍硫的受热熔化实验，加深有关硫的同素异形体问题的认识。还介绍了两个趣味性实验―弹性硫和硫化混凝土的制备，旨在激发学生的学习兴趣，并进一步加深对硫单质的认识。

关键词：同素异形体；熔化；弹性硫；硫化混凝土

文章编号：1005－6629(2008)04－0077－02中图分类号：G632.479 文献标识码：B

硫是中学化学元素化合物教学的重要内容之一，学生对硫的性质和用途已有了一定的了解。但就单质硫的同素异形体而言，教材只是一笔带过，至于硫具体有哪些同素异形体？各同素异形体之间存在什么关系？将硫单质从熔点加热至沸点将有什么现象？为什么会有出现这种现象？等等这些一直是被忽视的知识点，也是学生的知识盲点。本文重点介绍有关硫单质同素异形体之间相互转化的一个拓展性实验―硫的受热熔化，并介绍两个趣味实验―弹性硫和硫化混凝土的制备。

硫是惟一能受动力学控制，合成新的同素异形体的一种元素。由于S―S键合时能形成多种形式的分子，而这些分子又能以多种方式排列成晶体，所以硫元素存在多种同素异形体(如：S2、S3、S6、S7、S8、S9、S10、S12、S18、S20等)，其同素异形体的多样性远远超过其他元素。从晶体的构型上，可以分为硫环(如S6、S7、S8、S10、S12、S20等)和硫链，即链状硫S(如弹性硫、橡胶硫、纤维硫等)。其中最常见的为环八硫S8，由于S8分子紧密堆积的方式不同，它又有三种同素异形体：斜方硫(α-S8)、β-单斜硫和γ-单斜硫。单斜硫在96℃以上稳定，而斜方硫在96℃以下稳定，是热力学最稳定的晶体硫，其他所有变体在常温下，终将恢复成斜方硫。如果缓慢加热斜方硫，超过96℃时，它便转变成单斜硫。

1 单质硫的受热熔化

称取5g硫粉于试管中，缓慢加热至沸腾。

实验现象：

黄色针状晶体黄色流动性液体颜色逐渐变黑，黏度逐渐变大黑褐色糖浆状液体，黏度最大黏度降低暗红色可流动液体沸腾。

现象解析：

实验室使用的硫粉一般为斜方硫，其熔点为112℃，当硫开始熔化时，此时结构仍为S8环，其分子一般具有混杂排列的特征，故此时为黄色流动性液体；随着温度上升，热能使环中的硫原子振动增强，硫―硫键开始断裂，生成的硫原子链在每端有一个未成对的电子，当链端的硫原子遇到另一个链时，形成共价键成为S16链，继续聚合生成S24、S32、S40等长链。由于长链相互缠绕使液体变得非常粘滞。在更高的温度下，由于硫原子的振动更加剧烈，致使长链开始断裂成较小的链段(如生成了红色的S3、S4)，因而液体再次变稀。硫粉加热过程中，随温度变化的具体存在形式见表1[1]。

表1单质硫随温度变化的具体过程

讨论：

(1)在S8环状分子中，每个硫原子采取sp3杂化态形成两个共价单键。液态硫黏度的改变是由于硫环的断裂和链状硫的形成而引起的。

(2)当单质硫加热到160℃时，硫环开始断裂，在200℃时，黏度最大，此时每个硫链的平均长度达到5-8×105个原子[2]。

(3)熔融时颜色的改变是由于吸收强度增大及吸收带红移[3]。

(4)硫蒸气中包含所有的Sn分子，其中2≤n≤10，每一成分的真正浓度取决于温度和压强，在沸点(444.6℃)时，其主要成分为S2、S4、S6、S8，此时为黄色。而在600℃的饱和蒸汽中，S8为最主要的成分，其次是S6和S7，这种蒸气为绿色。当温度高于720℃时，主要成分为紫色的S2[3]。

(5)S2等几种硫的同素异形体的颜色见表2[5]。

表2 硫的同素异形体的颜色

2 弹性硫的制备

实验原理：

把上述实验中黏度大的熔融硫骤然冷却，硫原子来不及重新排列成S8环，结果长链状的硫被固定下来，成为能拉伸的弹性硫。

实验步骤：

(1)在试管里装入约5g的硫粉，用试管夹夹持在酒精灯上加热。

(2)把硫粉加热至粘稠状时，迅速倒入盛有冷水的烧杯里，液态硫将凝成细条状弹性硫。

(3)从水中取出弹性硫，对其进行揉搓、拉伸以试其柔韧性。

讨论:

(1)把握好硫粉受热的温度是实验成功的关键，由上述硫粉熔化的过程可知，温度应控制在160℃-444.6℃之间， 在200℃左右(即黏度较大时)， 制得的弹性硫最好。

(2)如果条件允许，将冷水换成冰水，效果更好。

3 硫化混凝土的制备

实验原理:

从硫加热变成易流动的液态硫，冷却时液态硫又很快凝固的性质想象硫可以作为一种胶凝材料代替水泥，从而制备硫化混凝土。而且硫化混凝土目前在某些场所已经被作为建筑材料使用，但由于单质硫有三种形态，且不同的形态之间可以相互转化。为了使硫化混凝土不变性，在生产上通常加入了作为稳定剂的二聚环戌二烯。

实验步骤:

(1)将干净砂子和硫粉分别加热，至粉状硫全部熔化。

(2)将热砂粒慢慢倒入液态硫中，倒入的砂子要全被液态硫吸收，使二者混合均匀。

(3)冷却上述砂、硫混合物。

(4)对制得的硫化混凝土可测试其强度或硬度，还可测试其耐酸性(可与水泥混凝土作比较)。

注意：

(1)该实验应在通风橱中进行，且加热要缓慢，防止硫被明火引燃。

(2)砂粒加热后的温度可略高于液态硫，以使其较易融入硫中。

(3)温度不宜过高，以免硫起燃或造成灼伤。

参考文献：

[1]湖南大学化学化工学院.无机化学[M].北京：科学出版社，2006：114.

[2]北京师范大学等译.高等无机化学(上册)[M].北京：人民教育出版社，1981：581.

[3]李学同等译.元素化学(中册)[M].北京：高等教育出版社，1996：392-405.

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