硫酸根

硫酸根（英文名：Sulfate），其化学式为SO42-，是一个硫原子和四个氧原子通过共价键连接形成的正四面体结构，硫原子位于正四面体的中心位置上，而四个氧原子则位于它的四个顶点，很容易与金属离子或铵根结合，产生离子键而稳定下来。^[5]

目前已知的硫酸盐矿物种数有170余种，但其只占地壳总重量的0.1%。^[5]活泼金属的硫酸盐如硫酸钾（K₂SO4）、硫酸钠（Na2SO4）、硫酸钡bèi（BaSO4）等具有一定的热稳定性，能进行多种化学反应。^[6][7]硫酸盐能从多种矿物中被提取，并且其中部分矿物在有广泛分布。^[8]

硫酸盐对环境有一定危害，可腐蚀混凝土^[9]并参与形成酸雨^[10]，人体大量摄入会导致腹泻。^[11]

硫酸根是无机化工行业、工业废水、矿井废水、地表水以及饮用水中常见的阴离子。^[6]硫酸根存在于硫酸^[12]中，并且以硫酸盐的形式存在于盐溃土或石膏性土壤等矿物中。^[13]

在硫酸根离子中，S以最高的价态S6+与四个O2-结合成SO42-，即硫酸盐中的硫酸根是一个硫原子和四个氧原子通过共价键连接形成的正四面体结构，其中硫原子位于正四面体的中心位置上，而四个氧原子则位于它的四个顶点，一组氧—硫—氧键的键角为109°28'，而一组氧—硫—氧键的键长为0. 144nm。由于硫酸根得到两个电子才得以形成稳定的结构，因此硫酸根离子带负电，且很容易与金属离子或铵根结合，产生离子键而稳定下来。^[5]

硫酸盐是由硫酸根离子与其他金属离子组成的化合物，都是电解质，大多数溶于水。相应的硫酸盐矿物是金属元素阳离子或铵ǎn根离子和硫酸根离子相化合而成的盐类。由于硫是一种变价元素，在自然界它可以呈不同的价态进而形成不同的矿物。在硫酸盐矿物中，与硫酸根化合的金属阳离子有二十余种，主要包括Ca2+、Al3+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Ba2+、Si3+、Pb2+、Cu2+。^[5]

硫酸盐中的硫酸钙、硫酸钡和硫酸铜都是较为常用的化学品。硫酸钙（Calciumsulfate），别名硬石膏，白色单斜结晶或结晶性粉末，无气味，有吸湿性，128℃失去1分子结晶水，163℃全部失水，溶于酸、硫代硫酸钠和铵盐溶液，溶于400份水，在热水中溶解较少，极慢溶于甘油，不溶于乙醇和多数有机溶剂，相对密度2.32，通常含有2个结晶水，自然界中以石膏矿形式存在。^[14]

硫酸盐的热稳定性跟相应阳离子的电荷数，离子半径以及最外层电子构型等有关。活泼金属的硫酸盐如K₂SO4、Na2SO4、BaSO4等较稳定，在1000摄氏度高温时也不会分解。^[15]

活泼性稍差的硫酸盐如硫酸铜、硫酸银、硫酸铁和硫酸铅等在高温下易分解，

使用氢氧化锆作为离子交换体，从盐水中连续有选择地脱除硫酸根的方法。由于硫酸根对Zr(OH)3具有强烈的亲和性，因此可用Zr(OH)3作吸附剂，选择性地吸附水中的硫酸根。这是一种化学吸附，其吸附反应为：

^[6]

硫酸根离子与氯化钡在盐酸酸性环境中生成硫酸钡的白色沉淀

^[7]

硝酸银溶液与硫酸或硫酸钠溶液反应获得硫酸银白色沉淀。

^[16][17]

由硝酸铅与硫酸钠溶液作用而制得硫酸铅。

^[16][18]

一些重金属的硫酸盐会分解成金属氧化物或单质。

^[15]

包括钡盐沉淀法及离子色谱法，钡盐沉淀法是实验室中常用的硫酸根离子检测方法，而国标的离子色谱法结果更为精确，需要的材料和仪器更复杂。^[19][20]

将样品溶解后取溶液。经调节酸度，以氯化钡反应，如有白色沉淀（硫酸钡）生成则样品中含硫酸根，经分离洗涤，灼烧称重。^[19]

样品中的待测阴离子随淋洗液进入离子交换柱系统，随淋洗液进入电导检测器进行测定，以色谱峰的相对保留时间定性，以峰高或峰面积定量。^[20]

用硫酸与金属氧化物或氢氧化物反应或把金属溶在硫酸中来制取硫酸盐。^[15]

从水溶液中得到的硫酸盐晶体，此法制得的硫酸盐常含有结晶水，例如CuSO4·5H20、FeSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O等。^[12]

无水硫酸盐可由三氧化硫与相应的氧化物在非水介质(如液态二氧化硫或氧化亚硫酰xiān)中相互反应而制得。^[12]

工业上用硫铁矿(主要成分FeS₃)、空气(氧气)和水作为原料，使用沸腾炉、接触室、吸收塔等设备，并使用氨水吸收尾气中的SO2，防止污染空气并充分利用原料，进行以下反应制备硫酸^[12]：

^[12]

氨法生产碳酸钠的副产品氯化钙加硫酸钠制得，或将生产有机酸的中间体所得钙盐与硫酸作用制得。^[14]

多数硫酸盐矿物形成于近地表风化作用，地表有氧浓度大和低温等条件有利于硫酸盐矿物的形成，此外少数矿物（如重晶石）形成与热液作用。^[5]硫酸盐矿物主要有重晶石族、石膏族、硬石膏族、芒硝族、无水芒硝族、明矾石一黄钾铁矾族、胆矾族、明矾族、泻利盐族、叶绿矾族等60余个矿物族。水盆地中的硫酸盐矿物的产生比钙镁碳酸盐晚，而比氧化物的产生早。^[8]

重晶石在世界范围内分布较为广泛。据美国地质调查局2021年矿物产品综述数据显示，目前已探明的重晶石矿物资源储量约4亿吨。伊朗重晶石总储量达1亿吨，占全球储量的26%，位居世界第一，其余主要分布国家为哈萨克斯坦、印度、巴基斯坦、中国和土耳其，储量分别为8500万吨、5100万吨、4000万吨、3600万吨和3500万吨，这五国总储量占全球储量的63%，全球重晶石总储量再次呈现增长趋势。^[21]

硫酸盐矿物中，石膏主要由化学沉积作用形成，常形成巨大的矿层或透镜体存在于石灰岩、砂岩、泥厌岩及黏土岩层之间，与硬石膏、石盐等共生。在硫化矿床氧化带中，也可生成石膏。世界上石膏资源丰富，分布广泛，已有100多个国家和地区勘查探明了石膏储量，根据美国地质调查局统计，石膏资源储量丰富的国家主要有：俄罗斯32亿吨、伊朗24亿吨、中国13亿吨、巴西2.3亿吨、美国7亿吨、加拿大4.5亿吨，其他石膏资源储量较大的国家有墨西哥、西班牙、法国、泰国、澳大利亚、印度和英国等。^[22][23]

硫酸钾K2SO4是化学中性、生理酸性肥料，广泛应用于各类土壤和作物。硫酸钾钾可作为追肥、基肥、种肥和根外追肥使用。^[24]

一般不用于酸性土壤和水田，宜与含钙丰富的肥料混合施用，因价格比较高应重点用在对氯敏感及喜硫喜钾的经济作物，如烟草、茶树、葡萄、甘蔗、甜菜、西瓜和薯类等。 ^[24]

以硫酸亚铁FeSO4 为代表的铁补充剂是目前治疗缺铁性贫血（Iron Deficiency Anemia，IDA）的主要方法，许多国家的药品和食品添加剂相关法规允许硫酸亚铁作为铁补充剂。^[25]

然而，FeSO4治疗IDA虽然有效，但经常在胃肠道中产生副作用，例如恶心、呕吐、便秘和腹泻等。^[25]

硫酸在工业业生产中应用为多种化合物的前身，用于制硫酸盐、各种挥发性酸，制化肥，金属除锈，精炼石油，制炸药、农药、染料，作脱水剂和干燥剂等。^[12]

硫酸钙（硬石膏）在食品中应用为稳定剂和凝固剂、增稠剂、酸度调节剂、营养强化剂、食品工业用加工助剂。可用于豆类制品、面包、糕点、饼干、腌腊肉制品和肉灌肠类以及干酪及稀奶油的混合物的制作。^[14]

使用注意事项：本品对蛋白质凝固性缓和，所生产的豆腐质地细嫩，持水性好，有弹性。但因其难溶于水，易残留涩味和杂质。^[14]

硫酸盐侵蚀是混凝土化学腐蚀的一种，由于海水中含有大量的可溶性硫酸盐，水工结构物和靠近码头的建筑很容易受到硫酸盐的腐蚀，从而导致混凝土开裂，钢筋锈蚀，直至整个结构崩解。另外环境污染造成的酸雨也成为硫酸盐的重要来源。^[9]

在青海湖地区周围环境中的混凝土结构，由于硫酸盐的侵蚀，基本上是“一年粉化，三年坍tān塌”。的天津、河北、山东等省市，还有大片的盐碱地。在这些地方的混凝土结构物，也由于硫酸盐的侵蚀而产生“烘根”。广大西部地区，由于硫酸盐侵蚀和其他作用，埋在盐渍土地带的水泥电杆，一年后即发现纵向裂缝，两年后即出现了纵筋和螺旋筋外露。这很早以来就引起了人们的重视，美国学者米勒从1923年开始在含硫酸盐土壤中进行混凝土的腐蚀试验。^[9]

酸雨是湿性酸沉降，指大气中的酸通过降水，如雨、雾、雪等迁移到地表。 一般的，当雨水的pH 值低于 5.6时就称其为酸雨了。酸雨素有“空中死神”之称，已成为当今世界上最严重的区域性环境问题之一。^[10]

直接引起酸雨的主要物质是人为和天然排放的硫氧化物 (SO₂ 和 SO₃) 和氮氧化物(NO 和 NO₂)。其中，全球范围释放到大气中的硫氧化物大部分是人为排放的，在特定的高密度工业地区，人为排放的比例占据了硫排放的全部。化石燃料如煤、石油、天然气中往往都含有大量硫元素，它们的燃烧是大气中硫含量增高的主要原因， 它约占人为排放的85%,矿石冶炼和石油精炼分别约占 11%和4%。^[10]

硫酸镁MgSO₄具有下泻作用^[11]。

当饮用的水硫酸盐含量超过1000～1200mg/L 时，会产生下泻的作用，特别是婴儿食用这种水调制的婴儿食品后会腹泻。饮用硫酸盐含量水平较低的水，可能导致便秘。长期饮用硫酸盐和镁含量低的饮用水的人，当改喝硫酸盐和镁盐浓度高的时，初期会产生显著的腹泻症状。数据显示，在饮用水中硫酸盐浓度低的城市(同 时，钙、镁、钠、钾和钡等元素的浓度也很低)，因高血压和动脉硬化引起的死亡率较高。^[11]

低风险的SO₄浓度范围为50～250mg/L。 对于镁加强水，暂定的建议上限值是Mg+SO₄ ≈400mg/L，最大的镁浓度是150mg/L。 包括钙、硫酸盐和其他离子在内，溶解性总固体不应该超过上限1g/L,建议<500mg/L。 推荐的下限值是100mg/L。^[11]