유황(S)의 연소 반응식($S+O_2→SO_2$)과 유황이 다양한 산화수를 가질 수 있는 이유

 

안녕하세요. 더불어숲입니다. 이번 시간에는 제2류 위험물인 유황(S)의 성질 및 특징, 소화방법, 취급 시 주의사항 등에 대해 저와 함께 알아보실까요? 더불어 유황의 연소 반응식에 대해서도 알아보겠습니다.

 

유황(S)의 특징에 대해 요약하면 아래와 같습니다. 참고로  유황은 순도가 60 중량퍼센트 이상인 것일 경우 위험물에 해당합니다.

 

① 유황($S$)은 황색의 결정이나 분말로 존재하는 무기 화합물입니다. 물에는 녹지 않고, 이황화탄소나 톨루엔 등에는 녹습니다.

② 유황(S)은 가연성 고체로서, 착화점이 약 250℃이고, 연소 시 이산화황($SO_2$)을 발생시킵니다. 이산화황은 인체에 유해하고, 공기 중에서 산성비를 일으킬 수 있습니다.

 

③ 유황(S)은 산화제와 접촉하면 폭발할 수 있으므로, 저장이나 취급 시에는 산화제와의 접촉을 피해야 합니다. 또한 화기, 불꽃, 고온체와의 접촉도 피해야 합니다.

 

④ 유황(S)의 지정수량은 100kg이고, 위험등급은 II입니다. 지정수량은 위험물의 양이나 농도가 일정 수준 이상인 경우에 적용되는 것으로, 위험물의 취급, 운반, 저장 등에 관한 규제를 받게 됩니다. 위험등급은 위험물의 위험성을 나타내는 것으로, I부터 Ⅲ까지의 3단계로 구분됩니다.

 

⑤ 유황(S)의 소화방법은 물을 이용한 주수 냉각소화가 가능합니다. 물을 뿌리면 유황(S)의 표면 온도가 낮아져 연소를 억제할 수 있습니다. 그러나 물을 뿌리면 유황(S)이 물에 녹지 않고 부유하므로, 화재가 확산될 가능성도 있습니다. 따라서, 물 외에도 이산화탄소, 건조사, 분말 소화약제 등을 이용하여 질식소화하는 것이 효과적입니다.

 

 

유황(S)의 물리적 성질

분자식	S
분자량	32
상온에서의 상태	고체
색상	노랑색
융점	112~119℃
비점	440℃
용해성	- 물에 불용 - $CS_2, C_6H_6$, 액체 암모니아 같은 유기 용매에 용해
독성	- 없음 - 눈꺼풀, 호흡기관자극, 드물게 피부자극
공기중 분진 폭발한계	35~1400m$^3$
액체 유황의 인화점	168~188℃
반응성	- 보통, 연소시 $SO_2$ 발생 - 연소산염, 질산염, 산화제와 폭발혼합물 형성 - 알카리, 알카리토류금속과 반응

 

 

 

유황(S)의 취급 및 화재안전

 

유황은 비금속원소로서 지각의 약 0.1%를 구성하고 있으며 원소 형태로나 다양한 화합물의 형태로 존재합니다. 유황은 다양한 화학공업에서 원료물질로 사용되며 다양한 물질을 제조하는 데에 쓰입니다. 유황의 물리적 성질, 위험성, 건물 구조 설계, 폭발 방지, 화재 진압, 인명 안전에 대한 정보를 말씀드리겠습니다.

1. 위험성
     ① 고체유황은 가연성이지만 다른 가연성 고체물질과는 다른 특성을 가지며, 발화점과 융점이 낮습니다.
     ② 연소시에는 옅은 청색불꽃을 내며 이황산가스가 생성됩니다.
     ③ 분말유황은 마찰, 정전기에 의해 쉽게 발화할 수 있으며, 분진이 불활성 고체와 혼합되어도 발화온도가 높아지지 않습니다.
     ④ 분말유황을 취급, 저장할 때에는 분진폭발의 위험이 있습니다.

2. 건물 구조
     ① 유황을 취급, 저장하는 건물은 분진 축적을 최소화하기 위해 설계되어야 합니다.
     ② 분진이 쌓일 수 있는 내부 보나 돌출부 등이 없도록 해야 하며, 쌓이는 유황분진이 미끄러져 내려가도록 경사가 가파른 커버를 사용해야 합니다.
     ③ 축적된 분진은 신속히 제거되어야 합니다.

3. 폭발 방지
     ① 유황의 이송과 취급에 사용되는 설비는 분진 발생을 최소화하기 위해 설계되어야 합니다.
     ② 콘베이어 이송장치 등 분진이 발생하는 장소에는 분진 배출장치가 설치되어야 합니다.
     ③ 집진기는 불연성 구조로 설치되어야 하며, 폭발구(Explosion Vent)를 설치해야 합니다.
     ④ 전기설비는 분진폭발 위험지역에 맞게 설치되어야 합니다.

4. 화재 특성
     ①  비세한 분말유황은 쉽게 발화할 수 있습니다. 정전기, 마찰열, 스파크 등에 의해 발화할 수 있습니다.
     ② 유황화재는 천천히 확대되며, 융해된 유황은 화재를 확대시킬 수 있는 요인이 됩니다.
     ③ 주요 생성물은 이황산가스($SO_2$)입니다.

5. 화재 진압
     ①  소규모 유황화재는 삽이나 유황으로 불을 덮어 산소 공급을 차단하여 진압할 수 있습니다.
     ② 유황분진이 공기중에 있으면 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 주의가 필요합니다.
     ③ 대규모 화재에는 물이 가장 효과적인 소화제로 사용됩니다.
     ④ 물은 무상으로 뿌려서 유황분진이 비산 하도록 해야 합니다.

6. 인명 안전
     ①  유황은 비독성이지만 유황분진은 눈과 호흡기관을 자극하고 피부자극을 일으킬 수 있습니다.
     ② 분진보호안경과 마스크를 착용하는 것이 좋습니다.
     ③ 유황화재를 진압할 때 물을 사용한 경우, $H_2SO_3$가 남아있기 때문에 완전히 씻어내야 합니다.
     ④ 고체유황 화재는 스팀이나 불활성 가스를 사용하여 질식소화하는 방법이 이용됩니다.

 

 

 

유황(S)의 연소반응

 

유황의 연소반응식에 대해 공부하기 전에 아래 내용을 참조하시기 바랍니다.

 

★ 참고 _ 산화-환원 반응(산화제, 환원제)

★ 참고 _ 산화-환원 반응, 산성 용액과 염기성 용액에서 균형 맞추기 

★ 참고 _ 산화-환원 반응, 반쪽 반응법, 이온 전자법

 

1. 황산($H_2SO_4$)의 생성

     - 황산($H_2SO_4$)의 이온화 : $H_2SO_4(aq) + 2H^+(aq)$ $+$ $SO_4^2$$^-(aq)$

     ① 화석연료(석탄이나 석유 등)가 연소하면 여기에 포함된 유황이 공기 중의 산소와 반응하여 이산화황이 됩니다.

$S + O_2 → SO_2$

     ② ①에서 발생한 이산화황($SO_2$)은 대기 중의 산소와 반응하여 삼산화황($SO_3$)이 됩니다.

$2SO_2 + O_2 → 2SO_3$

     ③ 삼산화황은 대기 중의 수분과 만나면 황산( $H_2SO_4$)이 됩니다.

$SO_3 + H_2O → H_2SO_4$

    ▶ ①과 ②는 산화-환원 반응이지만 ③은 산화-환원 반응이 아님에 주의하시기 바랍니다.

          - 최대 산화수를 갖는 $SO_3$는 산화제로서의 역할만 합니다.

 

    ▶ 위 내용을 정리하면 아래와 같습니다.

유황과 공기의 반응	이산황 생성 $S + O_2 → SO_2$
이산화황과 물의 반응	아황산 생성 $SO_2 + H_2O → H_2SO_3$
삼산화황과 물의 반응	황산 생성 $SO_3 + H_2O → H_2SO_4$

 

2. 유황의 산화-환원 반응

    1) 유황의 연소 반응

          유황의 연소 반응식($S + O_2 → SO_2$)이 이렇게 되는 이유는?

    S의 산화수는 0개에서 4개로 증가하여 산화가 되었고, O는 산화수가 0개에서 -2개로 감소하여 환원된 것을 알 수 있습니다.

 

    2) $SO_2, SO_3, SO_4, H_SO_4$의 산화수

$SO_2$의 산화수	① 산소의 산화수를 배정한다. $O$ = -2 ② 양전하 + 음전하 = 0을 이용하여 계산하면 ② $S$ + 2 × (-2) = 0, $S$ = 4
$SO_3$의 산화수	① 산소의 산화수를 배정한다. $O$ = -2 ② 양전하 + 음전하 = 0을 이용하여 계산하면 ② $S$ + 3 × (-2) = 0, $S$ = 6
$SO_4^2$$^-$의 산화수	① 산소의 산화수를 배정한다. $O$ = -2 ② 양전하 + 음전하 = 다원자 이온 전하수 이용, 계산하면 ② $S$ + 4 × (-2) = -2, $S$ = 6
$H_2SO_4$의 산화수	① 수소의 산화수를 배정한다. $H$ = +1 ② 산소의 산화수를 배정한다. $O$ = -2 ③ 양전하 + 음전하 = 0을 이용하여 계산하면 ④ 2 × (+1) + $S$ + 4 × (-2) = 0, $S$ = 6

 

    3) 유황($S$)이 다양한 산화수를 가질 수 있는 이유

         ① 3주기 원소인 유황($S$)은 d 오비탈이 비어 있습니다.

         ② 유황($S$)의 바닥상태 전자배치 상태 : $1S^2 2S^2 2P^6 3S^2 3P^4$(3d 오비탈에 전자가 없다)

         ③ 다른 원자와 유황이 결합하여 화합물을 만들 때 d 오비탈을 사용하기 때문에 다양한 산화수를 가질 수 있는 이유인 것입니다.

 

 

저와 함께 유황(S)의 연소 반응식($S+O_2→SO_2$)과 유황이 다양한 산화수를 가질 수 있는 이유에 대해 알아보았습니다. 더불어 $SO_2, SO_3, SO_4, H_SO_4$의 산화수에 대해서도 알아보았습니다. 여러분의 궁금증이 많은 부분에서 해소되었길 바랍니다.