二氧化硫

**二氧化硫**，（英語：sulphur dioxide , sulfur dioxide）化學式是 SO2。是最常見的硫氧化物。無色氣體，有強烈刺激性氣味。大氣主要污染物之一。火山爆發時會噴出該氣體，在許多工業過程中也會產生二氧化硫。由於煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃燒時會生成二氧化硫。當二氧化硫溶於水中，會形成亞硫酸（酸雨的主要成分）。若把 SO2 進一步氧化，通常在催化劑如二氧化氮的存在下，便會生成硫酸。這就是對使用這些燃料作為能源的環境效果的擔心的原因之一。

## 結構

SO2 是一個 V 型的分子，其對稱點群為 C2v。硫原子的氧化態為 + 4，形式電荷為 0，被 5 個電子對包圍著，因此可以描述為超價分子。從分子軌道理論的觀點來看，可以認為這些價電子大部分都參與形成 S-O 鍵。

SO2 中的 S-O 鍵長（143.1 pm）要比一氧化硫中的 S-O 鍵長（148.1 pm）短，而 O3 中的 O-O 鍵長（127.8 pm）則比氧氣 O2 中的 O-O 鍵長（120.7 pm）長。SO2 的平均鍵能（548 kJ mol−1）要大於 SO 的平均鍵能（524 kJ mol−1），而 O3 的平均鍵能（297 kJ mol−1）則小於 O2 的平均鍵能（490 kJ mol−1）。這些證據使化學家得出結論：二氧化硫中的 S-O 鍵的鍵級至少為 2，與臭氧中的 O-O 鍵不同，臭氧中的 O-O 鍵的鍵級為 1.5

## 存在

地球大氣層中的二氧化硫含量很小，約為 1 ppm。

在金星大氣層中，二氧化硫是第三多的氣體，含量 150 ppm。在那裡，它和水反應生成硫酸雲，是金星大氣層硫循環的關鍵物質，也導致了全球暖化。雖然二氧化硫在火星僅以痕量存在，但它被認為是早期火星變暖的關鍵因素，據估計低層大氣層中的二氧化硫濃度高達 100 ppm。在金星、地球和火星中，大氣層中的二氧化硫主要來自火山。木星的衛星木衛一的大氣層 90% 都是二氧化硫，而木星大氣層中可能也有痕量的二氧化硫。

二氧化硫被認為在伽利略衛星中大量存在。它可能是木衛一升華的冰或霜，也可能存在於木衛二、木衛三和木衛四的地殼和地函中。

## 化學性質

### 酸性氧化物

SO2 是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。可以與水作用得到二氧化硫水溶液，即「亞硫酸」（中強酸），但真正的亞硫酸分子從未在溶液中觀測到。

　
: ${\rm {SO_{2}+H_{2}O\longleftrightarrow H_{2}SO_{3}}}$

與鹼反應形成亞硫酸鹽和亞硫酸氫鹽。以與氫氧化鈉的反應為例，產物是亞硫酸鈉還是亞硫酸氫鈉，取決於二者的用量關係。

　
: ${\rm {SO_{2}+2NaOH\longrightarrow Na_{2}SO_{3}+H_{2}O}}$ 或

　
: ${\rm {SO_{2}+NaOH\longrightarrow NaHSO_{3}}}$

這也是二氧化硫能使澄清石灰水變渾濁的原因：

　
: ${\rm {SO_{2}+Ca(OH)_{2}\longrightarrow CaSO_{3}\downarrow +H_{2}O}}$

與鹼性氧化物反應生成鹽。

　
: ${\rm {SO_{2}+CaO\longrightarrow CaSO_{3}}}$

### 氧化還原反應

SO2 中的硫元素的化合價為 + 4 價，為中間價態，既可升高，也可下降。所以 SO2 既有氧化性，又有還原性，但以還原性為主。

SO2 的還原性較強，可被多種氧化劑（如 O2、Cl2、Br2、HNO3、KMnO4 等）氧化。

　
: ${\rm {SO_{2}+Cl_{2}\longrightarrow SO_{2}Cl_{2}}}$

　
: ${\rm {2SO_{2}+O_{2}\longleftrightarrow 2SO_{3}}}$ （該反應為可逆反應，條件為加熱和催化劑：V2O5 / Pt / Cr2O3）

SO2 也有一定的氧化性，如：

　
: ${\rm {SO_{2}+2H_{2}S\longrightarrow 3S+2H_{2}O}}$

工業上可以用此反應製造高純度硫磺。

## 用途

### 防腐劑

由於二氧化硫的抗菌性質，它有時用作乾果、醃漬蔬菜、與經加工處理的肉製品（如香腸及漢堡肉）等不同種類的食物中。用來保持水果的外表，或防止食物腐爛。二氧化硫的存在，可以使水果有一種特殊的化學味道、及保持新鮮的外觀。

### 釀酒

二氧化硫是釀酒時非常有用的化合物，它的 E 編碼為 E220。它甚至在所謂的「無硫的」酒中也存在，濃度可達每升 10 毫克。它作為抗生素和抗氧化劑，防止酒遭到細菌的損壞和氧化。它也幫助把揮發性酸度保持在想要的程度。酒的標籤上之所以有「含有亞硫酸鹽」等字句，就是因為二氧化硫。根據美國和歐盟的法律，如果酒的 SO2 濃度低於 10ppm，則不需要標示「含有亞硫酸鹽」。酒中允許的 SO2 濃度的上限在美國為 350ppm，而在歐盟，紅酒為 160ppm，白酒為 210ppm。如果 SO2 的濃度很低，那麼便很難探測到，但當濃度大於 50ppm 時，用鼻子就能聞出 SO2 的氣味，用舌頭也能品嘗出來。

SO2 還是釀酒廠衛生的很重要的要素。釀酒廠和設備必須保持十分清潔，且因為漂白劑不能用於釀酒廠中，SO2、水和檸檬酸的混合物通常用來清潔水管、水槽和其它設備，以保持清潔和沒有細菌。

### 還原性漂白劑

二氧化硫還是一個很好的還原劑。在水的存在下，二氧化硫可以使物質褪色。特別地，它是紙張和衣物的有用的漂白劑。這個漂白作用通常不能持續很久。空氣中的氧氣把被還原的染料重新氧化，使顏色恢復。

可以下列化學方程式表示：
　H2SO3 + 染料 → H2SO4 +（染料 - O）

因為空氣提供氧氣給予染料，染料被馬上氧化，顯示原來的顏色，這就是漂白作用通常不能持續很久的原因。

可以下列化學方程式表示：
2（染料 - O） + O2 → 2 染料

中學實驗室中用鹼性品紅溶液檢測二氧化硫的存在。二氧化硫可以使品紅試液褪色，從而說明二氧化硫使有機物漂白的性質；而褪色後的溶液經過加熱，又恢復為紅色，從而說明了二氧化硫漂白的原理是與有機物生成了「加合物」，而此類加合物不穩定，加熱時便分解，又放出二氧化硫。一個相關的化學鑑定方法稱為希夫法 (Schiff 法) ，是用亞硫酸氫鈉與品紅或副品紅發生加成，再用二氧化硫脫色。如果得到的溶液（希夫試劑）與待檢試液作用生成粉紅色或紫色，則可以證明待檢試液中醛類的存在。目前該反應的機理一般認為是下圖所示的機理：

### 硫酸的前體

二氧化硫還用來製備硫酸，首先轉化成三氧化硫，然後再轉化成發煙硫酸，最後轉化成硫酸。這個過程中的二氧化硫是含硫礦物與氧氣反應產生的。把二氧化硫轉化成硫酸的過程，稱為接觸法。

### 製冷劑

由於二氧化硫容易液化，且汽化熱很大，因此適合作為製冷劑。在氟利昂的發展之前，二氧化硫就曾經用作家用冰箱的製冷劑。

### 試劑和溶劑

液態二氧化硫是萬用的惰性溶劑，廣泛用於溶解強氧化性鹽。它會發生自偶電離生成 SO2+ 和 SO32−。

　
: ${\rm {2SO_{2}\rightarrow SO^{2+}+SO_{3}^{2-}}}$

它有時也用作有機合成中磺醯基的來源，把芳基重氮鹽用二氧化硫處理，便可獲得對應的芳基磺醯氯。

### 脫氯

在城市的污水處理中，二氧化硫用來處理排放前的氯化污水。二氧化硫與氯氣反應，氯氣被還原，生成 Cl−。

### 在生物化學或生物醫學上的功用

## 排放

根據美國國家環保局，下面的表格列出了美國每年排放的二氧化硫，單位為英噸：

主要由於美國環境保護機構的酸雨計劃，美國在 1983 年和 2002 年期間的二氧化硫排放量減少了 33%。這是由於煙氣脫硫，一種可以讓 SO2 不從發電廠排放出去的技術。特別地，氧化鈣與二氧化硫反應，生成亞硫酸鈣：

　
: ${\rm {CaO+SO_{2}\longleftrightarrow CaSO_{3}}}$

然後 CaSO3 再被空氣氧化成 CaSO4（石膏）。大部分在歐洲出售的石膏都是來自煙氣脫硫。

到 2006 年為止，中國是世界上二氧化硫排放量最大的國家，2005 年的排放量估計為 25.49 百萬噸。自從 2000 年以來，排放量增加了 27%，差不多與美國在 1980 年的排放量相等。

2003 年，一座伊拉克的硫廠發生了災難，大量二氧化硫被排放到大氣中。

## 溶解度與溫度的關係

* 以上的值是分壓為 101.3 kPa 的 SO2 在水中的溶解度。根據亨利定律，氣體在液體中的溶解度取決於氣體的分壓。
* 這裡的溶解度是指在「純水」中的溶解度，也就是說，水中所含的 SO2 與氣相中的二氧化硫平衡。此時的水溶液是酸性的。SO2 在中性（或鹼性）水中的溶解度一般要更大，因為 SO2 將轉化為亞硫酸氫根和一些亞硫酸根離子。

## 對健康的威脅

二氧化硫具有酸性，可與空氣中的其他物質反應，生成微小的亞硫酸鹽和硫酸鹽顆粒。當這些顆粒被吸入時，它們將聚集於肺部，是呼吸系統症狀和疾病、呼吸困難，以及過早死亡的一個原因。如果與水混合，再與皮膚接觸，便有可能發生凍傷。與眼睛接觸時，會造成紅腫和疼痛。

## 參考文獻