I - LƯU HUỲNH ĐIOXIT1. Cấu tạo phân tửNguyên tử lưu huỳnh ở trạng thái kích thích có $4$ electron độc thân ở các phân lớp $3p$ và $3d:...3s^23p^33d^1$. Những electron độc thân này của nguyên tử $S$ liên kết với $4$ electron độc thân của hai nguyên tử $O$ tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị có cực:
2. Tính chất vật lí
Lưu huỳnh đioxit hay khí sunfurơ là chất khí không màu, mùi hắc, nặng hơn hai lần không khí $(d=\frac{64}{29}\approx 2,2 )$, hóa lỏng ở $-10^0C$.
Lưu huỳnh đioxit tan nhiều trong nước ($1$ thể tích nước ở $20^0C$ hòa tan được $40$ thể tích khí $SO_2$).
Lưu huỳnh đioxit là khí độc, hít thở phải không khí có $SO_2$ sẽ gây viêm đường hô hấp.
3. Tính chất hóa học
a) Lưu huỳnh đioxit là oxit axit
$SO_2$ tan trong nước tạo thành dung dịch axit sunfurơ $(H_2SO_3)$:
$SO_2 +H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$
$H_2SO_3$ là axit yếu (mạnh hơn axit sunfuhiđric) và không bền (ngay trong dung dịch, $H_2SO_3$ cũng bị phân hủy thành $SO_2$ và $H_2O$ ).
$SO_2$ tác dụng với dung dịch bazơ, tạo nên $2$ muối: muối trung hòa, như $Na_2SO_3$, chứa ion sunfit $SO_3^{2-}$ và muối axit, như $NaHSO_3$, chứa ion hiđrosunfit $(HSO_3^-)$.
b) Lưu huỳnh đioxit là chất khử và là chất oxi hóa
Trong hợp chất $SO_2$, nguyên tố lưu huỳnh có số oxi hóa $+4$, là số oxi hóa trung gian giữa các số oxi hóa $-2$ và $+6$. Do vậy, khi tham gia phản ứng oxi hóa - khử, $SO_2$ có thể bị khử hoặc bị oxi hóa.
Thí dụ:
Lưu huỳnh đioxit là chất khử khi tác dụng với những chất oxi hóa mạnh, như halogen, kali pemanganat,...:
$\overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\,O_2 + \overset{{0}}{\mathop{{Br}}}\,_2 + 2H_2O \rightarrow 2H\overset{{-1}}{\mathop{{Br}}}\, + H_2 \overset{{+6}}{\mathop{{S}}}\, O_4 $
$5\overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\, O_2 + 2K\overset{{+7}}{\mathop{{Mn}}}\,O_4 \rightarrow K_2\overset{{+6}}{\mathop{{O}}}\,_4+2\overset{{+2}}{\mathop{{Mn}}}\, SO_4+2H_2\overset{{+6}}{\mathop{{S}}}\,O_4 $
Lưu huỳnh đioxit là chất oxi hóa khi tác dụng với chất khử mạnh hơn, như $H_2S, Mg,...$:
$\overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\,O_2 +2H_2\overset{{-2}}{\mathop{{S}}}\, \rightarrow 3\overset{{0}}{\mathop{{S}}}\, +2H_2O $
$\overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\,O_2+2\overset{{0}}{\mathop{{Mg}}}\, \rightarrow \overset{{0}}{\mathop{{S}}}\,+2\overset{{+2}}{\mathop{{Mg}}}\,O $
4. Lưu huỳnh đioxit - Chất gây ô nhiễm
Lưu huỳnh đioxit là một trong các chất chủ yếu gây ô nhiễm môi trường. Nó được sinh ra do sự đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí đốt), thoát vào bầu khí quyển và là một trong những nguyên nhân chính gây ra mưa axit. Mưa axit tàn phá nhiều rừng cây, công trình kiến trúc bằng đá và kim loại, biến đất đai trồng trọt thành những vùng hoang mạc. Không khí có $SO_2$ gây hại cho sức khỏe con người (gây viêm phổi, mắt, da).
5. Ứng dụng và điều chế lưu huỳnh đioxit
a) Ứng dụng
Lưu huỳnh đioxit được dùng để:
- Sản xuất axit sunfuric.
- Tẩy trắng giấy, bột giấy.
- Chống nấm mốc cho lương thực, thực phẩm,...
b) Điều chế
- Trong phòng thí nghiệm, $SO_2$ được điều chế bằng cách đun nóng dung dịch axit $H_2SO_4$ với muối $Na_2SO_3$.
$Na_2SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + SO_2 \uparrow $
Thu $SO_2$ vào bình bằng cách đẩy không khí.
- Trong công nghiệp, $SO_2$ được điều chế bằng cách:
+ Đốt cháy lưu huỳnh.
+ Đốt quặng sunfua kim loại, như pirit sắt $(FeS_2)$:
$4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2 \uparrow $
II - LƯU HUỲNH TRIOXIT1. Cấu tạo phân tử
Nguyên tử lưu huỳnh ở trạng thái kích thích có thể có cấu hình electron lớp ngoài cùng là: $3s^13p^33d^2$
Ở trạng thái này, nguyên tử $S$ có $6$ electron độc thân, do vậy nguyên tử $S$ có thể liên kết với $6$ electron độc thân của ba nguyên tử $O$ tạo ra sáu liên kết cộng hóa trị. Mỗi nguyên tử $O$ liên kết với nguyên tử $S$ bằng một liên kết đôi:
Trong hợp chất $SO_3$, nguyên tố $S$ có số oxi hóa cực đại là $+6$.
2. Tính chất, ứng dụng và điều chế
a) Tính chất vật lí
Ở điều kiện thường, $SO_3$ là chất lỏng không màu (nóng chảy ở $17^0C$, sôi ở $45^0C$). $SO_3$ tan vô hạn trong nước và trong axit sunfuric.
b) Tính chất hóa học
Lưu huỳnh trioxit là oxit axit, tác dụng rất mạnh với nước tạo thành axit sunfuric và tỏa nhiều nhiệt:
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
Ngoài ra, $SO_3$ tác dụng được với oxĩt bazơ, bazơ tạo thành muối sunfat.
c) Ứng dụng và điều chế
$SO_3$ ít có ứng dụng thực tiễn, tuy nhiên nó là sản phẩm trung gian để sản xuất axit có tầm quan trong bậc nhất trong công nghiệp là axit sunfuric.
Trong công nghiệp, $SO_3$ được điều chế bằng cách oxi hóa $SO_2$ ở nhiệt độ cao $(450^0C-500^0C)$ có chất xúc tác là $V_2O_5$.
xúc tác, $t^0$
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$
III - AXIT SUNFURIC1. Cấu tạo phân tử
Trong hợp chất $H_2SO_4$, nguyên tố $S$ có số oxi hóa cực đại là $+6$.
2. Tính chất vật lí
Axit sunfuric là chất lỏng sánh như dầu, không màu, không bay hơi, nặng gần gấp hai lần nước $(H_2SO_4 98\% có D=1,84g/cm^3). H_2SO_4$ đặc rất dễ hút ẩm, tính chất này được dùng làm khô khí ẩm.
Axit sunfuric đặc tan trong nước, tạo thành những hiđrat $H_2SO_4.nH_2O$ và tỏa một lượng nhiệt lớn. Nếu rót nước vào axit $H_2SO_4$ đặc, nước sôi đột ngột kéo theo những giọt axit bắn ra xung quanh gây nguy hiểm. Vì vậy muốn pha loãng axit sunfuric đặc, người ta rót từ từ axit vào nước và khuấy nhẹ bằng đũa thủy tinh, tuyệt đối không làm ngược lại.
3. Tính chất hóa học
a) Tính chất của dung dịch axit sunfuric loãng
Dung dịch axit sunfuric loãng có những tính chất chung của axit:
- Đổi màu quỳ tím thành đỏ.
- Tác dụng với kim loại hoạt động, giải phóng khí hiđro.
- Tác dụng với muối của những axit yếu.
- Tác dụng với oxit bazơ và bazơ.
b) Tính chất của axit sunfuric đặc
Axit sunfuric đặc có một số tính chất hóa học đặc trưng sau:
Tính oxi hóa mạnh:
- Axit sunfuric đặc và nóng có tính oxi hóa rất mạnh, nó oxi hóa được hầu hết các kim loại (trừ $Au, Pt$), nhiều phi kim như $C, S, P,...$ và nhiều hợp chất:
$6H_2\overset{{+6}}{\mathop{{S}}}\,O_4 +2\overset{{0}}{\mathop{{Fe}}}\,\rightarrow \overset{{+3}}{\mathop{{Fe}}}\,_2 (SO_4)_3 + 6H_2O +3 \overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\, O_2 $
$2H_2\overset{{+6}}{\mathop{{S}}}\,O_4 +\overset{{0}}{\mathop{{Cu}}}\, \rightarrow \overset{{+2}}{\mathop{{Cu}}}\,SO_4 +2H_2O +\overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\, O_2 $
$2H_2\overset{{+6}}{\mathop{{S}}}\,O_4 +\overset{{0}}{\mathop{{S}}}\, \rightarrow 3\overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\,O_2 +2H_2O $
$H_2\overset{{+6}}{\mathop{{S}}}\,O_4+2H\overset{{-1}}{\mathop{{I}}}\, \rightarrow \overset{{0}}{\mathop{{I}}}\,_2+2H_2O+ \overset{{+4}}{\mathop{{S}}}\,O_2$
- Axit sunfuric đặc, nguội làm một số kim loại như $Fe, Al, Cr,...$ bị thụ động hóa.
Tính háo nước:
Axit sunfuric đặc chiếm nước kết tinh của nhiều muối hiđrat (muối ngậm nước) hoặc chiếm các nguyên tố $H$ và $O$ (thành phần của nước) trong nhiều hợp chất:
- Muối $CuSO_4.5H_2O$ màu xanh tác dụng với $H_2SO_4$ đặc sẽ biến thành $CuSO_4$ khan màu trắng:
$CuSO_4.5H_2O \xrightarrow{H_2SO_4 đặc} CuSO_4 + 5H_2O$
(màu xanh) (màu trắng)
Hợp chất gluxit (cacbonhiđrat) tác dụng với $H_2SO_4$ đặc bị biến thành cacbon (than):
$C_n(H_2O)_m \xrightarrow{H_2SO_4 đặc} nC +mH_2O$
Một phần sản phẩm $C$ bị $H_2SO_4$ đặc oxi hóa thành khí $CO_2$, cùng với khí $SO_2$ gây hiện tượng sủi bọt đẩy cacbon trào ra ngoài cốc:
$C+2H_2SO_4 \rightarrow CO_2+2SO_2 +2H_2O$
Da thịt tiếp xúc với $H_2SO_4$ đặc sẽ bị bỏng rất nặng, vì vậy khi sử dụng axit sunfuric phải
hết sức thận trọng.
4. Ứng dụng
Hàng năm, thế giới sản xuất khoảng $160$ triệu tấn $H_2SO_4$. Axit sunfuric là hóa chất hàng đầu trong nhiều ngành sản xuất.
5. Sản xuất axit sunfuric
Axit sunfuric được sản xuất trong công nghiệp bằng phương pháp tiếp xúc. Phương pháp này gồm ba công đoạn chính:
a) Sản xuất $SO_2$
Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu có sẵn mà phương pháp sản xuất $SO_2$ có khác nhau.
- Thiêu quặng pirit sắt $(FeS_2)$:
$4FeS_2+11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 +8SO_2$
- Đốt cháy lưu huỳnh:
$S+O_2 \rightarrow SO_2$
b) Sản xuất $SO_3$
Oxi hóa $SO_3$ bằng khí oxi hoặc lượng dư không khí ở nhiệt độ $450-500^0C$, chất xúc tác là $V_2O_5$:
xúc tác, $t^0$
$2SO_2+O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$
c) Sản xuất $H_2SO_4$
Khí $SO_3$ đi từ dưới lên đỉnh tháp, $H_2SO_4$ đặc chảy từ đỉnh tháp xuống dưới.
Dùng $H_2SO_4 98\%$ hấp thụ $SO_3$ được $oleum H_2SO_4.nSO_3$.
$H_2SO_4+nSO_3 \rightarrow H_2SO_4.nSO_3$
Sau đó dùng lượng nước thích hợp pha loãng $oleum$, được $H_2SO_4$ đặc:
$H_2SO_4.nSO_3+nH_2O \rightarrow (n+1)H_2SO_4$
Tóm lại, sơ đồ các phản ứng hóa học sản xuất $H_2SO_4$ được biểu diễn như sau:
6. Muối sunfat và nhận biết ion sunfat
a) Muối sunfat
Muối sunfat là muối của axit sunfuric. Có $2$ loại muối sunfat:
- Muối trung hòa (muối sunfat) chứa ion sunfat $(SO_4^{2-})$. Phần lớn muối sunfat đều tan, trử $BaSO_4, CaSO_4, PbSO_4,...$không tan.
- Muối axit (muối hiđrosunfat) chứa ion hiđrosunfat $(HSO_4^-)$.
b) Nhận biết ion sunfat
Dùng dung dịch muối bari để nhận biết ion $SO_4^{2-}$ trong dung dịch $H_2SO_4$ hoặc trong dung dịch muối sunfat. Phản ứng sinh ra kết tủa trắng không tan trong axit hoặc kiềm.
$H_2SO_4 (dd) + BaCl_2 (dd) \rightarrow BaSO_4 (r) +2HCl (dd)$
$Na_2SO_4 (dd)+BaCl_2 (dd) \rightarrow BaSO_4 (r)+2NaCl (dd)$