硫黄の同素体の性質、生成実験、構造の違いをまとめてみた

こんにちは。

今日は硫黄の同素体について徹底的にまとめてみました。硫黄の同素体は実験の流れなどが実際出題されます。

高校化学の主役級の硫酸にも含まれる「S」原子の同素体なので、非常によく出題されます。きっちり硫黄の同素体を区別できるようにしましょう。

前提知識

硫黄の同素体の種類

このように王冠型のS₈分子です。奥なのか手前なのかがわからない人のために、一応どこが手前なのか模型で表してみました。

硫黄！！S8 pic.twitter.com/YLx0PhoRY9

— 受験化学コーチなかむら (@kagakucenter) 2018年9月5日

斜方硫黄というのは、S₈分子がファンデルワールス力で重なり合った分子結晶です。

あとで、斜方硫黄から単斜硫黄、ゴム状硫黄を作る実験風景を紹介しますが、常温は斜方硫黄です。

単斜硫黄を構成するのはS₈分子の王冠モデルです。これも斜方硫黄と同様に分子結晶です。同じように分子同士がファンデルワールス力でくっついています。

しかし、斜方硫黄より単斜硫黄の方がやや体積が大きく密度が小さいです。なぜなら、斜方硫黄が95.3度を超えたあたりから単斜硫黄になります。

つまり、単斜硫黄ってのは、高温状態にできる硫黄の同素体です。なので、原子運動が活発になっています。よってその分体積が大きくなっています。

ゴム状硫黄は、このように陰毛のようにペキペキ折れ曲がって縮れています。高分子のゴムもこのようにペキペキ折れ曲がっているんですよ。これって折れ曲がったところを引っ張ると、伸びるんですね。

このように、ペキペキ折れ曲がったゴム状硫黄を伸ばせば、伸びて長さが伸びているように見えます。これがゴムの原理です。陰毛のようにちぢれた毛は伸ばせば長さが長くなるように感じますからね。

高分子のゴムも陰毛みたいですからね。

出典：http://www.osaka-kyoiku.ac.jp/~hiroakio/OCDB/SyntheticRubber/BR.htm

話をゴム状硫黄に戻しますが、ゴム状硫黄は長く鎖状に繋がっているので、Sxという分子式で表します。

ゴム状硫黄は高分子なのです。なので、S₈は二硫化炭素に溶けますが、ゴム状硫黄は二硫化炭素に解けることができません。

出典：新研究p350

この硫黄の同素体を生み出す実験の流れが入試問題に丸ごと出ることが多いです。

斜方硫黄から単斜硫黄を作る実験です。まさにこちらの動画通りなので、まずはこちらをご覧ください。

このように、粉末の「斜方硫黄」を加熱して融解しまさせます。これを四つ折りにしたろ紙の上に流し込みます。すると、針状の単斜硫黄が出来上がります。

斜方硫黄を95.3℃以上に長く放置すると徐々に単斜硫黄に変化します。ただ、反応速度が極めて遅いです。

なので、斜方硫黄の融点までいちどあげてしまって融解液を作り、それをろ紙に流し急冷させます。すると一気に単斜硫黄ができます。

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もうこの実験のまんまなので、まずはこの実験動画をご覧ください。

まず、斜方硫黄を加熱していくと、この動画でも見てもらった通り、最初は黄色い液体になります。そのあと赤かっ色から褐色に変化して、160℃あたりで粘性が最大になります。（上の動画では液体が固化と表現されています）

それをさらに加熱すると、再び液体になります。この液体を水中に入れるとゴム状硫黄になります。これは、S8分子が加熱によって鎖状になります。

急に水で冷却されて分子同士が結合したので、環状に戻ることができずに鎖状のまま繋がりまくったからです。

このように硫黄分子同士が結合しまくっていくので、高分子になります。なので、分子式はSxと表されます。

同素体の正誤問題

(1)硫黄には外観が異なる三種の同素体が存在する。これらの形状と色の正しい組み合わせを次の表の（ア）〜（カ）から全て選び、記号で答えよ。