Bài học

Đơn chất sulfur và sulfur dioxide

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phản ứng của sulfur với kim loại và oxygen (thể hiện cả tính oxi hóa lẫn tính khử tùy chất phản ứng cùng), giải thích được vai trò kép oxi hóa–khử của $SO_2$ , và trình bày được cơ chế hình thành mưa acid từ khí $SO_2$ .

Sau bài này, em viết được phản ứng của sulfur với kim loại và oxygen (thể hiện cả tính oxi hóa lẫn tính khử tùy chất phản ứng cùng), giải thích được vai trò kép oxi hóa–khử của $SO_2$, và trình bày được cơ chế hình thành mưa acid từ khí $SO_2$.

Kiến thức nền cần nhớ

Chương 2 đã cho em thấy nitrogen có một chuỗi oxi hóa từ đơn chất tới acid mạnh. Sulfur đi theo đúng mạch tư duy đó nhưng với những phản ứng đặc trưng khác. Em cũng cần nhớ khái niệm số oxi hóa để xác định khi nào sulfur đóng vai trò chất oxi hóa, khi nào đóng vai trò chất khử.

Khởi động

Nhà máy nhiệt điện đốt than thải ra khí $SO_2$ — không màu, không trực tiếp gây độc cấp ở nồng độ thấp trong không khí, nhưng lại là thủ phạm chính gây mưa acid ở những vùng cách xa hàng trăm kilômét. Cơ chế nào biến khí thải này thành mưa acid?

Kiến thức trọng tâm

Đơn chất sulfur: chất rắn màu vàng, giòn, không tan trong nước. Với kim loại, sulfur đóng vai trò chất oxi hóa (oxi hóa kim loại, còn sulfur bị khử về số oxi hóa $-2$ ): $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$ . Với oxygen — một chất oxi hóa mạnh hơn — sulfur lại đóng vai trò chất khử (bị oxi hóa từ số oxi hóa $0$ lên $+4$ ): $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ . Sự đổi vai trò này (oxi hóa với kim loại, khử với oxygen) là điểm khác biệt của sulfur so với các phi kim khác đã ôn: nó tùy thuộc vào việc chất phản ứng cùng có tính oxi hóa mạnh hơn hay yếu hơn sulfur.

Sulfur dioxide ( $SO_2$ ) là oxide acid: tác dụng với nước tạo acid sulfurơ yếu ( $SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$ ), tác dụng với dung dịch base tạo muối sulfite: $SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$ . Đặc biệt, $SO_2$ vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử tùy chất phản ứng cùng — vì lưu huỳnh trong $SO_2$ đang ở số oxi hóa trung gian $+4$ (có thể lên $+6$ hoặc xuống thấp hơn). Với chất oxi hóa mạnh hơn như nước bromine, $SO_2$ đóng vai trò chất khử: $SO_2 + 2H_2O + Br_2 \to H_2SO_4 + 2HBr$ — phản ứng này làm MẤT MÀU nước bromine (từ nâu đỏ thành không màu), là phép thử đặc trưng để nhận biết khí $SO_2$ (và cũng giúp phân biệt $SO_2$ với $CO_2$ , vì $CO_2$ không làm mất màu nước bromine).

Cơ chế mưa acid: khí $SO_2$ thải ra từ đốt than, dầu chứa lưu huỳnh trong nhà máy nhiệt điện, phương tiện giao thông, bị oxi hóa dần trong khí quyển (nhờ oxygen, có thể có xúc tác bụi kim loại) thành $SO_3$ : $2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$ (đây chính là phản ứng cân bằng đã ôn ở Chương 1, chỉ khác là trong khí quyển phản ứng xảy ra chậm, không cần xúc tác $V_2O_5$ công nghiệp). $SO_3$ tan trong hơi nước tạo $H_2SO_4$ : $SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$ . Giọt $H_2SO_4$ này rơi xuống cùng mưa, tạo thành mưa acid — ăn mòn công trình xây dựng bằng đá vôi, gây hại cây trồng, acid hóa đất và nguồn nước.

Trước hết, sulfur tồn tại ở hai dạng thù hình chính: sulfur tà phương (dạng bền ở nhiệt độ thường, tinh thể vàng) và sulfur đơn tà (bền ở nhiệt độ cao hơn, khoảng $95$–$119\,°C$) — cả hai đều gồm phân tử $S_8$ dạng vòng, chỉ khác cách sắp xếp tinh thể, nên tính chất hóa học của chúng giống hệt nhau, khác với hai dạng thù hình carbon (than chì, kim cương) vốn có tính chất vật lí khác biệt rõ rệt do kiểu liên kết mạng khác nhau. **Đơn chất sulfur**: chất rắn màu vàng, giòn, không tan trong nước. Với kim loại, sulfur đóng vai trò chất oxi hóa (oxi hóa kim loại, còn sulfur bị khử về số oxi hóa $-2$): $Fe + S \xrightarrow{t^\circ} FeS$. Với oxygen — một chất oxi hóa mạnh hơn — sulfur lại đóng vai trò chất khử (bị oxi hóa từ số oxi hóa $0$ lên $+4$): $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$. Sự đổi vai trò này (oxi hóa với kim loại, khử với oxygen) là điểm khác biệt của sulfur so với các phi kim khác đã ôn: nó tùy thuộc vào việc chất phản ứng cùng có tính oxi hóa mạnh hơn hay yếu hơn sulfur. **Sulfur dioxide** ($SO_2$) là oxide acid: tác dụng với nước tạo acid sulfurơ yếu ($SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$), tác dụng với dung dịch base tạo muối sulfite: $SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$. Đặc biệt, $SO_2$ vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử tùy chất phản ứng cùng — vì lưu huỳnh trong $SO_2$ đang ở số oxi hóa trung gian $+4$ (có thể lên $+6$ hoặc xuống thấp hơn). Với chất oxi hóa mạnh hơn như nước bromine, $SO_2$ đóng vai trò chất khử: $SO_2 + 2H_2O + Br_2 \to H_2SO_4 + 2HBr$ — phản ứng này làm MẤT MÀU nước bromine (từ nâu đỏ thành không màu), là phép thử đặc trưng để nhận biết khí $SO_2$ (và cũng giúp phân biệt $SO_2$ với $CO_2$, vì $CO_2$ không làm mất màu nước bromine). **Cơ chế mưa acid**: khí $SO_2$ thải ra từ đốt than, dầu chứa lưu huỳnh trong nhà máy nhiệt điện, phương tiện giao thông, bị oxi hóa dần trong khí quyển (nhờ oxygen, có thể có xúc tác bụi kim loại) thành $SO_3$: $2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$ (đây chính là phản ứng cân bằng đã ôn ở Chương 1, chỉ khác là trong khí quyển phản ứng xảy ra chậm, không cần xúc tác $V_2O_5$ công nghiệp). $SO_3$ tan trong hơi nước tạo $H_2SO_4$: $SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$. Giọt $H_2SO_4$ này rơi xuống cùng mưa, tạo thành mưa acid — ăn mòn công trình xây dựng bằng đá vôi, gây hại cây trồng, acid hóa đất và nguồn nước.

Ví dụ

Xác định vai trò oxi hóa/khử của sulfur

1
Xác định vai trò của sulfur (oxi hóa hay khử) trong ba phản ứng: (a) $Zn + S \xrightarrow{t^\circ} ZnS$ ; (b) $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ ; (c) $S + 3F_2 \xrightarrow{t^\circ} SF_6$ .
Xác định vai trò của sulfur (oxi hóa hay khử) trong ba phản ứng: (a) $Zn + S \xrightarrow{t^\circ} ZnS$; (b) $S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$; (c) $S + 3F_2 \xrightarrow{t^\circ} SF_6$.
2
Số oxi hóa của S đi từ $0$ (đơn chất) xuống $-2$ (trong $ZnS$ ) — S bị khử, nên S đóng vai trò chất oxi hóa (oxi hóa $Zn$ từ $0$ lên $+2$ ).
Số oxi hóa của S đi từ $0$ (đơn chất) xuống $-2$ (trong $ZnS$) — S bị khử, nên S đóng vai trò chất oxi hóa (oxi hóa $Zn$ từ $0$ lên $+2$).
3
Số oxi hóa của S đi từ $0$ lên $+4$ (trong $SO_2$ ) — S bị oxi hóa, nên S đóng vai trò chất khử.
Số oxi hóa của S đi từ $0$ lên $+4$ (trong $SO_2$) — S bị oxi hóa, nên S đóng vai trò chất khử.
4
Số oxi hóa của S đi từ $0$ lên $+6$ (trong $SF_6$ ) — S bị oxi hóa, nên S đóng vai trò chất khử (fluorine có tính oxi hóa rất mạnh, mạnh hơn cả oxygen).
Số oxi hóa của S đi từ $0$ lên $+6$ (trong $SF_6$) — S bị oxi hóa, nên S đóng vai trò chất khử (fluorine có tính oxi hóa rất mạnh, mạnh hơn cả oxygen).
5
Với kim loại (chất khử), sulfur là chất oxi hóa; với phi kim mạnh hơn (oxygen, fluorine), sulfur là chất khử — vai trò của sulfur hoàn toàn phụ thuộc vào tính oxi hóa/khử tương đối của chất phản ứng cùng.

Ví dụ

Nhận biết khí

SO_2

và tính toán mưa acid — dạng thiNhận biết khí $SO_2$ và tính toán mưa acid — dạng thi

1
Một mẫu khí thải công nghiệp nghi chứa $SO_2$ và $CO_2$ . Đề xuất thí nghiệm đơn giản để nhận biết riêng $SO_2$ trong hỗn hợp. Sau đó, nếu dẫn 2,479 lít hỗn hợp khí này (đkc) qua dung dịch nước bromine dư và thấy nước bromine nhạt màu hoàn toàn, ứng với 0,05 mol $Br_2$ đã phản ứng, tính phần trăm thể tích $SO_2$ trong hỗn hợp ban đầu.
Một mẫu khí thải công nghiệp nghi chứa $SO_2$ và $CO_2$. Đề xuất thí nghiệm đơn giản để nhận biết riêng $SO_2$ trong hỗn hợp. Sau đó, nếu dẫn 2,479 lít hỗn hợp khí này (đkc) qua dung dịch nước bromine dư và thấy nước bromine nhạt màu hoàn toàn, ứng với 0,05 mol $Br_2$ đã phản ứng, tính phần trăm thể tích $SO_2$ trong hỗn hợp ban đầu.
2
Dẫn hỗn hợp khí qua dung dịch nước bromine: $SO_2$ làm mất màu nước bromine (do bị oxi hóa theo phản ứng $SO_2 + 2H_2O + Br_2 \to H_2SO_4 + 2HBr$ ), còn $CO_2$ không phản ứng, không làm mất màu — từ đó phân biệt được sự có mặt của $SO_2$ .
Dẫn hỗn hợp khí qua dung dịch nước bromine: $SO_2$ làm mất màu nước bromine (do bị oxi hóa theo phản ứng $SO_2 + 2H_2O + Br_2 \to H_2SO_4 + 2HBr$), còn $CO_2$ không phản ứng, không làm mất màu — từ đó phân biệt được sự có mặt của $SO_2$.
3
Theo phương trình, tỉ lệ mol $SO_2 : Br_2 = 1 : 1$ , nên $n(SO_2) = n(Br_2) = 0{,}05$ mol.
Theo phương trình, tỉ lệ mol $SO_2 : Br_2 = 1 : 1$, nên $n(SO_2) = n(Br_2) = 0{,}05$ mol.
4
$n_{hh} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1$ mol.
$n_{hh} = \dfrac{2{,}479}{24{,}79} = 0{,}1$ mol.
5
Vì các khí đo cùng điều kiện nên tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ số mol: $\%V(SO_2) = \dfrac{0{,}05}{0{,}1} \times 100\% = 50\%$ . Vậy hỗn hợp khí ban đầu chứa 50% thể tích $SO_2$ và 50% thể tích $CO_2$ .
Vì các khí đo cùng điều kiện nên tỉ lệ thể tích bằng tỉ lệ số mol: $\%V(SO_2) = \dfrac{0{,}05}{0{,}1} \times 100\% = 50\%$. Vậy hỗn hợp khí ban đầu chứa 50% thể tích $SO_2$ và 50% thể tích $CO_2$.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay cho rằng sulfur luôn là chất khử vì hay gặp phản ứng với oxygen — quên mất khi phản ứng với kim loại, sulfur lại là chất oxi hóa. Luôn xác định số oxi hóa của S trước và sau phản ứng để kết luận đúng, không suy diễn theo thói quen.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Sulfur: oxi hóa với kim loại (→ muối sulfide), khử với oxygen (→ SO2). $SO_2$ là oxide acid, vừa oxi hóa vừa khử tùy chất phản ứng cùng; làm mất màu nước bromine (nhận biết, phân biệt với CO2). Mưa acid: $SO_2 \to SO_3 \to H_2SO_4$ .

Bài tiếp theo ôn tập acid sulfuric — sản phẩm công nghiệp quan trọng nhất từ $SO_2$ — cùng các muối sulfate và phép thử nhận biết ion $SO_4^{2-}$ .

Bài tiếp theo ôn tập acid sulfuric — sản phẩm công nghiệp quan trọng nhất từ $SO_2$ — cùng các muối sulfate và phép thử nhận biết ion $SO_4^{2-}$.