Bài 45. Hợp chất có oxi của lưu huỳnh

I - LƯU HUỲNH ĐIOXIT

1. Cấu tạo phân tử

Nguyên tử lưu huỳnh ở trạng thái kích thích có  4  electron độc thân ở các phân lớp  3p  và  3d:...3s²3p³3d¹. 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:

. Tính chất vật lí

Lưu huỳnh đioxit hay khí sunfurơ là chất khí không màu, mùi hắc, nặng hơn hai lần không khí  (d=64/29≈2,2), hóa lỏng ở  −10^oC.

Lưu huỳnh đioxit tan nhiều trong nước (1  thể tích nước ở  20^oC  hòa tan được  40  thể tích khí  SO₂).

Lưu huỳnh đioxit là khí độc, hít thở phải không khí có  SO₂  sẽ gây viêm đường hô hấp.

3. Tính chất hóa học

a) Lưu huỳnh đioxit là oxit axit

SO₂  tan trong nước tạo thành dung dịch axit sunfurơ  (H₂SO₃):

                  SO₂+H₂O⇌H₂SO₃

H₂SO₃  là axit yếu (mạnh hơn axit sunfuhiđric)  và không bền (ngay trong dung dịch,  H₂SO₃  cũng bị phân hủy thành  SO₂  và  H₂O ).

SO₂  tác dụng với dung dịch bazơ, tạo nên  2  muối: muối trung hòa, như  Na₂SO₃, chứa ion sunfit  SO²⁻₃  và muối axit, như  NaHSO₃, chứa ion hiđrosunfit  (HSO⁻₃).

b) Lưu huỳnh đioxit là chất khử và là chất oxi hóa

Trong hợp chất  SO2, 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,  SO2  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,...

Lưu huỳnh đioxit là chất oxi hóa khi tác dụng với chất khử mạnh hơn, như  H₂S,Mg,... 

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  SO2  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,  SO₂  được điều chế bằng cách đun nóng dung dịch axit  H₂SO₄  với muối  Na₂SO₃.

                  Na₂SO₃+H₂SO₄→Na₂SO₄+H₂O+SO₂↑

Thu   SO₂   vào bình bằng cách đẩy không khí.

- Trong công nghiệp,  SO₂  được điều chế bằng cách:

+ Đốt cháy lưu huỳnh.

+ Đốt quặng sunfua kim loại, như pirit sắt  (FeS₂):

                  4FeS₂+11O₂→2Fe₂O₃+8SO₂↑

II - LƯU HUỲNH TRIOXIT

1. Cấu tạo phân tử

Nguyên tử lưu huỳnh ở trạng thái kích thích có thể có cấu hình electron lớp ngoài cùng là:  3s13p33d2

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  SO₃, 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, SO₃  là chất lỏng không màu (nóng chảy ở  17^oC, sôi ở  45^oC). SO₃  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:

                  SO₃+H₂O→H₂SO₄

Ngoài ra,  SO₃  tác dụng được với oxĩt bazơ, bazơ tạo thành muối sunfat.

c) Ứng dụng và điều chế

SO₃  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,  SO3  được điều chế bằng cách oxi hóa  SO₂  ở nhiệt độ cao  (450^oC−500^oC)  có chất xúc tác là  V₂O₅.

2SO₂+O₂⇌2SO₃

III - AXIT SUNFURIC

1. Cấu tạo phân tử

Trong hợp chất  H₂SO₄, 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  (H₂SO₄ 98%cóD=1,84g/cm³). H₂SO₄  đặc rất dễ hút ẩm, tính chất này được dùng làm khô khí ẩm.

Axit sunfuric đặc tan trong nước, tạo thành những hiđrat  H₂SO₄.nH₂O  và tỏa một lượng nhiệt lớn. Nếu rót nước vào axit  H₂SO₄ 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

- 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  CuSO₄.5H₂O  màu xanh tác dụng với  H₂SO₄  đặc sẽ biến thành  CuSO₄  khan màu trắng

Hợp chất gluxit (cacbonhiđrat)  tác dụng với  H₂SO₄  đặc bị biến thành cacbon (than):

Một phần sản phẩm  C  bị  H2SO4  đặc oxi hóa thành khí  CO₂, cùng với khí  SO₂  gây hiện tượng sủi bọt đẩy cacbon trào ra ngoài cốc:

Da thịt tiếp xúc với  H2SO4  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  H₂SO₄. 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  SO₂

Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu có sẵn mà phương pháp sản xuất  SO2  có khác nhau.

- Thiêu quặng pirit sắt  (FeS₂):

                  4FeS₂+11O₂→2Fe2O₃+8SO₂

- Đốt cháy lưu huỳnh:

                  S+O₂→SO₂

b) Sản xuất  SO₃

Oxi hóa  SO₃  bằng khí oxi hoặc lượng dư không khí ở nhiệt độ  450−500^oC, chất xúc tác là  V₂O₅:

xúc tác,  t^o

                  2SO₂+O₂⇌2SO₃

c) Sản xuất  H2SO4

Khí  SO₃    đi từ dưới lên đỉnh tháp,  H₂SO₄  đặc chảy từ đỉnh tháp xuống dưới.

Dùng  H₂SO₄ 98%  hấp thụ  SO₃  được  oleum H₂SO₄.nSO₃.

                  H₂SO₄+nSO₃→H₂SO₄.nSO₃

Sau đó dùng lượng nước thích hợp pha loãng  oleum, được  H2SO4  đặc:

                  H₂SO₄.nSO3+nH₂O→(n+1)H₂SO₄

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  (SO²⁻₄). Phần lớn muối sunfat đều tan, trử  BaSO₄,CaSO₄,PbSO₄,...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  SO2−4  trong dung dịch  H2SO4  hoặc trong dung dịch muối sunfat. Phản ứng sinh ra kết tủa trắng không tan trong axit hoặc kiềm.

                  H₂SO₄(dd)+BaCl₂(dd)→BaSO₄(r)+2HCl(dd)

                  Na₂SO₄(dd)+BaCl₂(dd)→BaSO₄(r)+2NaCl(dd)