Bài giảng bài về Lưu huỳnh

Lưu huỳnh Lưu huỳnh là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu S và số nguyên tử 16. Nó là một phi kim phổ biến, không mùi, không vị, nhiều hóa trị. Lưu huỳnh, trong dạng gốc của nó là chất rắn kết tinh màu vàng chanh. Trong tự nhiên, nó có thể tìm thấy ở dạng đơn chất hay trong các khoáng chất sulfua và sulfat. Nó là một nguyên tố thiết yếu cho sự sống và được tìm thấy trong hai axít amin. Sử dụng thương mại của nó chủ yếu trong các phân bón nhưng cũng được dùng rộng rãi trong thuốc súng, diêm, thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm. Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí của lưu huỳnh biến đổi như thế nào theo nhiệt độ? Tính chất hóa học của lưu huỳnh có gì quan trọng? Lưu huỳnh có những ứng dụng quan trọng nào? I. Vị trí, cấu hình electron nguyên tử Nguyên tử lưu huỳnh có số hiệu nguyên tử là 16, thuộc nhóm VIA, chu kì 3 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Nguyên tử lưu huỳnh có câu hình electron . Lớp ngoài cùng có 6e II. Tính chất vật lí 1. Hai dạng thù hình của lưu huỳnh Lưu huỳnh có 2 dạng thù hình: lưu huỳnh tà phương và lưu huỳnh đơn tà . Chúng khác nhau về cấu tạo tinh thể và một số tính chất vật lí, nhưng tính chất hóa học giống nhau. Hai thù hình này có thể biến đổi qua lại với nhau tùy theo điều kiện nhiệt độ 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất vật lí Ở nhiệt độ thấp hơn là những chất màu vàng. Phân tử lưu huỳnh có 8 nguyên tử liên kết cộng hóa trị tạo thành mạch vòng. Ở đều nóng chảy thành chất lỏng màu vàng, rất linh động. Ở nhiệt độ lưu huỳnh lỏng trở nên quánh nhớt, có màu nâu đỏ. Ở   lưu huỳnh sôi, các phân tử lưu huỳnh bị phá vỡ thành nhiều phân tử nhỏ bay hơi. III. Tính chất hóa học Cấu hình electron của nguyên tử . Như vậy, nguyên tử S có 6e ở lớp ngoài cùng. Nguyên tử S có độ âm điện là 2,58. Khi lưu huỳnh tham gia phản ứng với kim loại hoặc hiđro, số oxi hóa của nó từ 0 giảm xuống -2. Khi lưu huỳnh tham gia phản ứng với phi kim họat động mạnh hơn, số oxi hóa tăng từ 0 lên +4 hoặc +6. Như vậy, đơn chất lưu huỳnh khi tham gia phản ứng hóa học, số oxi hóa của nó có thể giảm hoặc tăng. Ta nói, lưu huỳnh có tính oxi hóa và tính khử 1. Lưu huỳnh tác dụng với kim loại và hiđro Ở nhiệt độ cao, lưu huỳnh tác dụng với nhiều kim loại tạo ra muối sunfua và với khí hiđro tạo thành khí hiđro sunfua:                                         Thủy ngân tác dụng với S ở ngya nhiệt độ thường:                     2. Lưu huỳnh tác dụng với phi kim Ở nhiệt độ thích hợp, lưu huỳnh tác dụng với một số phi kim mạnh hơn như flo, oxi, clo...                                         IV. Ứng dụng của lưu huỳnh Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp: - 90% lượng lưu huỳnh khai thác được dùng để sản xuất - 10% lượng lưu huỳnh còn lại được dùng để lưu hóa cao su, sản xuất chất tẩy trắng bột giấy, diêm, chất dẻo ebonic, dược phẩm, phẩm nhuộm, chất trừ sâu, diệt nấm trong nông nghiệp... V. Trạng thái tự nhiên và sản xuất lưu huỳnh Trong tự nhiên, lưu huỳnh có nhiều ở dạng đơn chất, tạo thành những mỏ lớn trong vỏ trái đất. Ngoài ra, lưu huỳnh còn có ở dạng hợp chất như các muối sunfat, muối sunfua... Để khai thác lưu huỳnh trong mỏ lưu huỳnh, người ta dùng thiết bị đặc biệt để nén nước siêu nóng vào mỏ làm lưu huỳnh nóng chảy và đẩy lên mặt đất. Sau đó, lưu huỳnh được tách ra khỏi các tạp chất. Các đặc trưng nổi bật Một mẩu lưu huỳnh nóng chảy thành chất lỏng màu đỏ máu. Ngọn lửa màu xanh lam của nó có thể quan sát tốt nhất trong bóng tối. Ở nhiệt độ phòng, lưu huỳnh là một chất rắn xốp màu vàng nhạt. Mặc dù lưu huỳnh không được ưa thích do mùi của nó - thường xuyên bị so sánh với mùi trứng ung - mùi này thực ra là đặc trưng của sulfua hiđrô (H2S); còn lưu huỳnh đơn chất không có mùi. Nó cháy với ngọn lửa màu xanh lam và tỏa ra điôxít lưu huỳnh, với mùi ngột ngạt dị thường. Lưu huỳnh không hòa tan trong nước nhưng hòa tan trong đisulfua cacbon và các dung môi không phân cực khác. Các trạng thái ôxi hóa phổ biến của nó là -2, +2, +4 và +6. Lưu huỳnh tạo thành các hợp chất ổn định với gần như mọi nguyên tố, ngoại trừ các khí trơ. Lưu huỳnh trong trạng thái rắn thông thường tồn tại như là các phân tử vòng dạng vòng hoa S8. Lưu huỳnh có nhiều thù hình bên cạnh S8. Loại một nguyên tử từ vòng sẽ là S7, đây là nguyên nhân cho màu vàng đặc trưng của lưu huỳnh. Nhiều vòng khác cũng được điều chế ra, bao gồm S12 và S18. Trái lại, nguyên tố ôxy cùng phân nhóm nhưng nhẹ hơn về cơ bản chỉ tồn tại trong hai dạng cơ bản có ý nghĩa hóa học là: O2 và O3. Selen, nguyên tố nặng hơn cùng phân nhóm với lưu huỳnh có thể tạo ra các vòng nhưng thông thường nó nằm trong chuỗi polyme. Tinh thể lưu huỳnh rất phức tạp. Phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, các thù hình của lưu huỳnh tạo thành vài cấu trúc tinh thể khác nhau, với các dạng hình thoi và xiên đơn S8 là các dạng được nghiên cứu kỹ nhất. Một tính chất đáng chú ý là độ nhớt của lưu huỳnh nóng chảy, không giống như phần lớn các chất lỏng khác, tăng lên theo nhiệt độ do sự hình thành các chuỗi polyme. Tuy nhiên, sau khi đã đạt được một khoảng nhiệt độ nhất định thì độ nhớt lại bị giảm do đã đủ năng lượng để phá vỡ chuỗi polyme. Lưu huỳnh vô định hình hay "dẻo" có thể được tạo ra khi làm nguội nhanh lưu huỳnh nóng chảy. Các nghiên cứu tinh thể bằng tia X chỉ ra rằng dạng vô định hình có thể có cấu trúc xoắn ốc với 8 nguyên tử trên một vòng. Dạng này là ổn định động ở nhiệt độ phòng và dần dần chuyển ngược thành dạng kết tinh. Tiến trình này diễn ra trong vòng vài giờ hay vài ngày nhưng có thể tăng tốc nhờ xúc tác. Ứng dụng Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng công nghiệp. Thông qua dẫn xuất chính của nó là axít sulfuric (H2SO4), lưu huỳnh được đánh giá là một trong các nguyên tố quan trọng nhất được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp. Nó là quan trọng bậc nhất đối với mọi lĩnh vực của nền kinh tế thế giới. Sản xuất axít sulfuric là sử dụng chủ yếu của lưu huỳnh, và việc tiêu thụ axít sulfuric được coi như một trong các chỉ số tốt nhất về sự phát triển công nghiệp của một quốc gia. Axít sulfuric được sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ nhiều hơn bất kỳ hóa chất công nghiệp nào khác. Lưu huỳnh cũng được sử dụng trong ắc quy, bột giặt, lưu hóa cao su, thuốc diệt nấm và trong sản xuất các phân bón phốtphat. Các sulfit được sử dụng để làm trắng giấy và làm chất bảo quản trong rượu vang và làm khô hoa quả. Do bản chất dễ cháy của nó, lưu huỳnh cũng được dùng trong các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa. Các thiosulfat natri và amôni được sử dụng như là các tác nhân cố định trong nhiếp ảnh. Sulfat magiê, được biết dưới tên gọi muối Epsom có thể dùng như thuốc nhuận tràng, chất bổ sung cho các bình ngâm (xử lý hóa học), tác nhân làm tróc vỏ cây, hay để bổ sung magiê cho cây trồng. Cuối thế kỷ 18, các nhà sản xuất đồ gỗ sử dụng lưu huỳnh nóng chảy để tạo ra các lớp khảm trang trí trong các sản phẩm của họ. Do điôxít lưu huỳnh được tạo ra trong quá chình nung chảy lưu huỳnh nên các đồ gỗ với lớp khảm lưu huỳnh đã bị loại bỏ rất nhanh. Vai trò sinh học Các axít amin cystein và methionin chứa lưu huỳnh, cũng như mọi polypeptid, protein và enzym có chứa các axít amin này. Điều đó làm cho lưu huỳnh trở thành thành phần cần thiết cho mọi tế bào. Các liên kết disulfua giữa các polypeptid là rất quan trọng trong sự tạo thành và cấu trúc của protein. Homocystein và taurin cũng là các axít amin chứa lưu huỳnh nhưng nhưng không được mã hóa bởi ADN và chúng cũng không phải là một phần của cấu trúc sơ cấp của các protein. Một số dạng vi khuẩn sử dụng sulfua hiđrô (H2S) thay vào vị trí của nước như là chất cung cấp electron trong các tiến trình thô sơ tương tự như quang hợp. Thực vật cũng hấp thụ lưu huỳnh từ đất trong dạng các ion sulfat. Lưu huỳnh vô cơ tạo thành một phần của các cụm sắt-lưu huỳnh, và lưu huỳnh là chất cầu nối trong vị trí CuA của cytochrom c ôxidaza. Lưu huỳnh là thành phần quan trọng của coenzym A Ảnh hưởng môi trường Sự đốt cháy than và dầu mỏ trong công nghiệp và các nhà máy điện giải phóng ra một lượng lớn điôxít lưu huỳnh SO2, nó sẽ phản ứng với hơi nước và ôxy có trong khí quyển để tạo ra axít sulfuric. Đây là nguyên nhân của các trận mưa axít và làm giảm pH của đất cũng như các khu vực chứa nước ngọt, tạo ra những tổn thất đáng kể cho môi trường tự nhiên và gây ra phong hóa hóa học đối với các công trình xây dựng và kiến trúc. Các tiêu chuẩn về nhiên liệu đã thắt chặt các chỉ tiêu về hàm lượng lưu huỳnh trong các nhiên liệu hóa thạch để giảm thiểu sự hình thành của mưa axít.Lưu huỳnh được tách ra từ các nhiên liệu này sau đó sẽ được làm tinh khiết và tạo ra một phần lớn của sản lượng lưu huỳnh được sản xuất.