单质硫的制备

1. 工业制法:

(1)从黄铁矿提取硫:

        3FeS2 + 12C + 8O2 Fe3O4 + 12CO + 6S

(2)弗拉施法提取硫:

    用过热水蒸气加热含硫的矿石使硫熔化,再利用热空气(2-2.5MPa)将液态硫压到地表,硫的纯度可达99.5%。

(3)改良的克劳斯法制备硫:

    将H2S催化氧化是制备单质硫的重要途径:

2H2S + O2

2S + 2H2O

    原料来源于天然气和各种工业气体中所含的H2S,催化剂是多孔的氧化铝,三氧化二铁或活性炭。

(4)其他方法:

    以冶炼硫化物矿时所产生的SO2为原料,也可制单质硫:

        SO2 + 2H2S 3S + 2H2O

        SO2 + C S + CO2

    将粗硫蒸馏,可得更纯净的硫。硫蒸气冷却后形成细微结晶的粉状硫,叫做硫华。

 

硫化氢的制备

(1)硫蒸气与氢气直接化合:

        S + H2 H2S

(2)实验室中用金属硫化物与酸作用制备H2S:

        FeS + H2SO4 H2S + FeSO4

        Na2S + H2SO4 H2S + Na2SO4

    其中,前一反应可用启普发生器用于较小量的H2S气体的制备,后一反应适用于较大量的H2S气体的制备。

 

硫化钠的制备

    Na2S是通过还原天然芒硝来进行大规模工业生产。

(1)用煤粉高温还原Na2SO4

Na2SO4 + 4C

Na2S + 4CO

(2)用H2高温还原Na2SO4

Na2SO4 + 4H2

Na2S + 4H2O

 

硫化铵的制备

    (NH4)2S是将H2S通入氨水中制备的:

        2NH3·H2O + H2S (NH4)2S + 2H2O

 

多硫化物的制备

    Na2S或(NH4)2S的溶液能够溶解单质硫而形成相应的多硫化物:

        Na2S + (x-1)S Na2Sx

        (NH4)2S + (x-1)S (NH4)2Sx

 

二氧化硫的制备

1. 实验室制法:
    实验室中使亚硫酸盐与酸反应制得SO2,但欲制取纯的SO2,需用Cu与浓H2SO4反应:

          Na2SO3 + H2SO4(稀) Na2SO4 + SO2 + H2O

          Cu + 2H2SO4(浓) CuSO4 + SO2 + H2O

2. 工业制备:
    工业上是通过焙烧黄铁矿制取SO2

      S(s) + O2(g) SO2       △Gθ =-300.2kJ·mol-1

       3FeS2 + 8O2Fe3O4 + 6SO2 或 4FeS2 + 11O22Fe2O3 + SO2

 

三氧化硫的制备

       工业上大量的三氧化硫可由催化氧化二氧化硫制得:

2SO2 + O2

2SO3             △Gθ =-70.9kJ·mol-1

 

硫酸的制备

1. 工业制法:
    目前工业上采用接触法生产硫酸,即先通过二氧化硫的催化氧化来制备三氧化硫,用水吸收生成的SO3可制得硫酸。但由于SO3和水反应时放出大量的热,反应生成难于收集的酸雾,所以在硫酸工业上是98.3%的硫酸来吸收SO3,得到含过量20%的发烟硫酸(H2SO4·xSO3)。为了提高转化率,让反应中的气体再经过一次催化氧化和吸收,这样可使SO2转化率提高到本99.7%。同样再用92.5%H2SO4来稀释发烟硫酸,即得到98.3%的商品浓硫酸,其总反应式仍然为:

        SO2 + O2 + H2O H2SO4       △Hmθ =-197.8kJ·mol-1

无水硫酸钠的制备

    无水Na2SO4又称元明粉。大量用于玻璃、造纸、水玻璃、陶瓷工业,也是制造Na2S和Na2S2O3·5H2O的原料。
          Na2SO4(s) + 2C Na2S + 2CO2

    Na2SO4·10H2O称为芒硝。医药上用作泻盐。图11-4是硫酸钠的溶解度曲线。从图看出,Na2SO4与Na2SO4·10H2O的曲线相交于305.4K,如果在305.4K以下结晶时,Na2SO4·10H2O析出。如果在305.4K以上结晶时,Na2SO4析出。305.4K称为Na2SO4与Na2SO4·10H2O在溶液中的转变温度。

图11-4 Na2SO4的溶解度曲线

    所有的无水盐和它的水合盐在溶液中都有它们自己的转变温度,此温度就是溶解度曲线转折点的地方。水合盐受热失去结晶水可转化为无水盐,相反无水盐在潮湿空气中会吸收水分而成为水合盐。各种水合盐在一定温度下都有自己的蒸气压。例如Na2SO4·10H2O在303K时蒸气压为3599.7Pa。当水合盐的蒸气压大于空气中水蒸气分压时,水合盐就会失去水分而风化,反之就会潮解。所以水合盐的风化既与本身的蒸气压大小有关,也与温度、空气中的湿度有关。

 

焦硫酸的制备

       焦硫酸是由等质量的SO3和纯硫酸相化合而制得:

        H2SO4 + SO3 H2S2O7

 

焦硫酸钠的制备

       将碱金属的酸式硫酸盐加热可制得焦硫酸盐:

        2NaHSO4 Na2S2O7 + H2O

 

硫代硫酸钠的制备

    将硫粉溶于沸腾的亚硫酸钠碱性溶液中或将Na2S和Na2CO3以2:1的物质的量之比配成溶液再通入SO2便可制得Na2S2O3.

          Na2SO3 + S Na2S2O3

           2Na2S + Na2CO3 + 4SO2 2Na2S2O3 + CO2

    也可用以下方法制备:

          2NaHS + 4NaHSO3 3Na2S2O3 + 3H2O

          2Na2S + 3SO2 2Na2S2O3 + S↓ 

 

连二亚硫酸钠的制备

    在没有氧的条件下,用锌粉还原NaHSO3可制得连二亚硫酸钠:
          2NaHSO3 + Zn Na2S2O4 + Zn(OH)2 
    析出的晶体含有二个结晶水(Na2S2O4·2H2O)。在空气中极易被氧化,不便于使用,经酒精和浓NaOH并热后,就成为比较稳定的无水盐。

 

过二硫酸盐的制备

    工业上用电解硫酸氢盐溶液(也可用K2SO4或(NH4)2SO4在50%H2SO4中的溶液)的方法来制备。电解时在阳极(铂极)上HSO4-离子被氧化生成过二硫酸盐,而在阴极(石墨或铅极)产生氢气。
     阳极    2HSO4- S2O82- + 2H+ + 2e-
     
阴极    2H+ + 2e- H2

 

多硫酸盐的制备

    制备连多硫酸盐有多种方法,如273K时,在饱和SO2溶液中通入H2S,能得到一种Wachenroder溶液,它是一个复杂的体系,其中有胶状硫、H2S4O6和H2S5O6等,加入KOH浓缩之即有K2S4O6和K2S5O6的晶体生成,根据晶体的比重不同经过处理可将它们分离。
    用适当的氧化剂(如H2O2、I2)与硫代硫酸钠反应也可获得连多硫酸盐:
          2Na2S2O3 + 4H2O2 Na2S3O6 + Na2SO4 + 4H2O
    至于连二硫酸(H2S2O6)看起来好像是连多硫酸(H2SxO6)同系物中最简单的一员,但连二硫酸及其盐与连多硫酸及其盐在制备方法、氧化性以及进一步结合S原子等方面都显然不同。
    如用MnO2氧化亚硫酸,可制得连二硫酸:
          MnO2 + 2SO32- + 4H+ Mn2+ + S2O62- + 2H2O
而用H2S还原亚硫酸是制备连多硫酸的一种方法(见上述)。

 

硫的酰卤化物的制备

1. SOCl2的制备:

    用SO2和PCl5反应就可制备出氯化亚硫酰SOCl2
        SO2 + PCl5 SOCl2 + POCl3

2. SO2Cl2的制备:

    将SO2和氯气通过催化剂(樟脑或活性炭)反应,就能化合生成氯化硫酰SO2Cl2

        SO2 + Cl2 SO2Cl2

3. 氯磺酸:

    氯磺酸HSO3Cl是用干燥的HCl气体与发烟硫酸作用而得:

        SO3 + HCl HSO3Cl

 

硫的卤化物的制备

1. 二氯化二硫S2Cl2的制备:

    将干燥氯气通入熔融的硫中可制得S2Cl2
          2S + Cl2 S2Cl2

2. 六氟化硫SF6的制备:

    硫与氟激烈反应生成SF6:

         3F2 + S SF6