Lưu huỳnh | Khái niệm hoá học

1. Tính chất vật lí

Lưu huỳnh tồn tại dưới một số dạng thù hình khác nhau. Hai dạng tinh thể thông thường nhất của lưu huỳnh là dạng tà phương và dạng đơn tà.

Lưu huỳnh tà phương, còn gọi là S có màu vàng, nóng chảy ở 112,8^oC và có tỉ khối là 2,06. Nó bền ở nhiệt độ thường, trên 95,5^oC chuyển sang dạng đơn tà. Lưu huỳnh tồn tại tự do trong thiên nhiên là lưu huỳnh tà phương.

Lưu huỳnh đơn tà, còn gọi là S, có màu vàng nhạt, nóng chảy ở 119,2^oC và có tỉ khối là 1,96. Nó bền trên 95,5^oC, dưới nhiệt độ đó chuyển dần sang dạng tà phương. 

Lưu huỳnh tà phương và lưu huỳnh đơn tà đều không tan trong nước, rất ít tan trong rượu và ete, tan nhiều trogn dầu hỏa, benzen và nhất là trong cacbon disunfua. Trong các dung môi đó, lưu huỳnh tà phương tan hơi nhiều hơn lưu huỳnh đơn tà. Khi kết tinh từ những dung dịch đó, lưu huỳnh xuất hiện dưới dạng tinh thể tà phương.

Phép xác định khối lượng phân tử của lưu huỳnh trong các dung môi khác nhau bằng phương pháp nghiệm lạnh cho thấy rằng lưu huỳnh tà phương và đơn tà đều gồm những phân tử có tám nguyên tử S₈. Tuy nhiên vì lí do động học, trong những phản ứng hóa học có lưu huỳnh tham gia, người ta thường dùng kí hiệu S để chỉ lưu huỳnh chứ không dùng S₈. 

Phân tử lưu huỳnh, S8

Khi đun đến nóng chảy, lưu huỳnh biến thành một chất lỏng trong suốt linh động và có màu vàng. Đến trên 160^oC lưu huỳnh nhanh chóng có màu nâu đỏ và nhớt dần, đến 200^oC lưu huỳnh lỏng đặc quánh lại giống như nhựa và có màu nâu đen. 

Một mẩu lưu huỳnh nóng chảy thành chất lỏng màu đỏ máu.

2. Tính chất hóa học

Lưu huỳnh là nguyên tố tương đối hoạt động: ở nhiệt độ thường hơi kém hoạt động, nhưng khi đun nóng tương tác với hầu hết các nguyên tố trừ các khí hiếm, nit ơ, iot, vàng và platin.

Đơn chất lưu huỳnh (số oxi hóa 0) là số oxi hóa trung gian giữa -2 với +4 hoặc +6. Vì vậy, lưu huỳnh vừa thể hiện tính khử vừa thể hiện tính oxi hóa. Tuy nhiên, tính oxi hóa vẫn trội hơn tính khử.

a. Tác dụng với Hidro

khi đun nóng ở nhiệt độ 300^oC lưu huỳnh tương tác với hidro tạo thành hidro sunfua

S (tà phương) + H₂ $\stackrel{{300}^{\mathrm{o}}\mathrm{C}}{\to }$H₂S

b. Tác dụng với kim loại

Lưu huỳnh tác dụng với kim loại tạo thành sunfua kim loại: với các kim loại kiềm, kiềm thổ, bạc, thủy ngân, phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp, còn với niken, coban,… ở nhiệt độ cao

Hg + S $\stackrel{t^o thường}{\to }$HgS 

Ứng dụng dùng để thu hồi thủy ngân.

Như vậy, khi tác dụng với hidro và kim loại, số oxi hóa của nguyên tố S giảm từ 0 xuống -2. Lưu huỳnh thể hiện oxi hóa. 

c. Tác dụng với phi kim

Ở nhiệt độ thích hợp, lưu huỳnh tác dụng với một số phi kim như Clo, flo, oxi…

S + O₂ $\stackrel{}{\to }$SO₂

S + F₂ $\stackrel{}{\to }$SF₆

Như vậy, khi tác dụng với các phi kim hoạt động như clo, flo, oxi số oxi hóa của S tăng từ 0 đến +4 hoặc +6. Lưu huỳnh thể hiện tính khử.

3. Ứng dụng

Lưu huỳnh là nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp:

– 90% lượng lưu huỳnh sản xuất được dùng để điều chế H₂SO₄

– 10% lượng lưu huỳnh còn lại được dùng để lưu hóa cao su, chế tạo diêm, sản xuất chất tẩy trắng bột giấy, chấy dẻo ebonit, dược phẩm, phẩm nhuộm, chất trừ sâu và chất diệt nấm trong công nghiệp…

4. Trạng thái tự nhiên và phương pháp điều chế

Lưu huỳnh là nguyên tố không kim loại duy nhất đã được biết từ thời thượng cổ. Nó thuộc nguyên tố rất phổ biến, chiếm khoảng 0,03% tổng số nguyên tử của vỏ Trái Đất. Trong thiên nhiên nó có thể tồn tại ở trạng thái tự do và tập trung chủ yếu ở các vùng có núi lửa như Xixili và Nhật Bản. Nga và Mĩ là những nước có mỏ lớn lưu huỳnh tự do. Phần lớn, lưu huỳnh tồn tại trong thiên nhiên dưới dạng hợp chất, phổ biến nhất là các khoáng vật sunfua như pirit (FeS₂), cancopirit (FeCuS₂), galen (PbS), blendo (ZnS) và một số khoáng vật sunfat như thạch cao, baritin, selestin. Trong khí núi lửa và trong nước của một số suối khoáng có chứa hợp chất của lưu huỳnh. Lưu huỳnh còn có trong thành phần của protein cho nên luôn luôn có trong thực vật và động vật.

Người ta khai thác lưu huỳnh chủ yếu từ mỏ lưu huỳnh tự do. Nguyên tắc của phương pháp khai thác này là hóa lỏng lưu huỳnh ở ngầm dưới đất rồi bơm lưu huỳnh lỏng lên trên mặt đất.

Ngoài phương pháp trên, lưu huỳnh có thể điều chế bằng cách nhiệt phân pirit FeS₂ ở nhiệt độ trên 600^oC trong lò hầm

FeS₂ $\stackrel{{600}^{\mathrm{o}}\mathrm{C}}{\to }$ FeS + S