Bài học

Ôn tập đơn chất sulfur, SO2 và SO3

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em hệ thống hóa được toàn bộ chuỗi biến đổi từ đơn chất sulfur đến SO2, SO3, giải thích được sự thay đổi số oxi hóa xuyên suốt chuỗi, và giải được các bài tập tổng hợp kết hợp nhiều phản ứng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này ôn tập nội dung của Chương 1 và Chương 2: tính chất vật lí/hóa học của sulfur đơn chất, tính chất và vai trò môi trường của SO2, và bước đầu của phương pháp tiếp xúc — oxi hóa SO2 thành SO3 (Chương 3).

Khởi động

Trong suốt các bài đã học, sulfur đã "biến hình" qua rất nhiều số oxi hóa khác nhau: từ 0 (đơn chất) đến -2 (FeS, HgS, H2S), +4 (SO2) và +6 (SO3, H2SO4). Em có thể vẽ lại toàn bộ chuỗi biến đổi này chỉ bằng trí nhớ không?

Kiến thức trọng tâm

Cả SO2 và SO3 đều là oxide acid: tác dụng nước tạo acid tương ứng ( $SO_2 \to H_2SO_3$ , $SO_3 \to H_2SO_4$ ), tác dụng base tạo muối và nước.

SO2 gây mưa acid nhưng cũng là nguyên liệu không thể thay thế để sản xuất H2SO4 — cùng một chất, vừa là vấn đề môi trường, vừa là nguyên liệu công nghiệp thiết yếu, tùy vào việc nó được kiểm soát và sử dụng có chủ đích hay bị thải bỏ tự do ra khí quyển.

Dạng bài tổng hợp thường gặp trong đề kiểm tra: cho một chuỗi phản ứng liên tiếp (ví dụ $S \to SO_2 \to SO_3 \to H_2SO_4 \to BaSO_4$ ), yêu cầu viết đủ phương trình của từng bước và tính toán khối lượng/thể tích cuối chuỗi từ một dữ kiện ban đầu — dạng bài này kiểm tra đồng thời kỹ năng viết phương trình, cân bằng, và tính theo tỉ lệ mol qua nhiều bước liên tiếp.

Chuỗi số oxi hóa của sulfur: $S(0) \to FeS/HgS/H_2S(-2)$ khi gặp kim loại/hydrogen (S là chất oxi hóa); $S(0) \to SO_2(+4)$ khi gặp oxygen (S là chất khử); $SO_2(+4) \to SO_3(+6)$ khi bị oxi hóa tiếp bởi oxygen, xúc tác V2O5 (SO2 là chất khử ở bước này); $SO_2(+4)$ cũng có thể giảm xuống $S(0)$ khi gặp chất khử mạnh hơn như H2S (SO2 là chất oxi hóa ở bước này). Vai trò oxi hóa hay khử của một chất luôn phụ thuộc vào đối tác phản ứng, không phải là tính chất cố định của riêng chất đó. Cả SO2 và SO3 đều là oxide acid: tác dụng nước tạo acid tương ứng ($SO_2 \to H_2SO_3$, $SO_3 \to H_2SO_4$), tác dụng base tạo muối và nước. SO2 gây mưa acid nhưng cũng là nguyên liệu không thể thay thế để sản xuất H2SO4 — cùng một chất, vừa là vấn đề môi trường, vừa là nguyên liệu công nghiệp thiết yếu, tùy vào việc nó được kiểm soát và sử dụng có chủ đích hay bị thải bỏ tự do ra khí quyển. Dạng bài tổng hợp thường gặp trong đề kiểm tra: cho một chuỗi phản ứng liên tiếp (ví dụ $S \to SO_2 \to SO_3 \to H_2SO_4 \to BaSO_4$), yêu cầu viết đủ phương trình của từng bước và tính toán khối lượng/thể tích cuối chuỗi từ một dữ kiện ban đầu — dạng bài này kiểm tra đồng thời kỹ năng viết phương trình, cân bằng, và tính theo tỉ lệ mol qua nhiều bước liên tiếp.

Ví dụ

Hoàn thành chuỗi phản ứng

1
Viết các phương trình hóa học thực hiện chuỗi biến đổi sau: S → SO2 → SO3 → H2SO4 → BaSO4.
2
$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$ .
$S + O_2 \xrightarrow{t^\circ} SO_2$.
3
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ (xúc tác $V_2O_5$ , $t^\circ$ ).
$2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$ (xúc tác $V_2O_5$, $t^\circ$).
4
$SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$ .
$SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$.
5
$H_2SO_4 + BaCl_2 \to BaSO_4\downarrow + 2HCl$ .
$H_2SO_4 + BaCl_2 \to BaSO_4\downarrow + 2HCl$.
6
Bốn phương trình trên minh họa trọn vẹn chuỗi biến đổi số oxi hóa của sulfur từ 0 (S) lên +4 (SO2) rồi +6 (SO3, H2SO4, BaSO4) — số oxi hóa +6 giữ nguyên từ SO3 đến sản phẩm cuối BaSO4 vì hai bước sau chỉ là phản ứng acid-base và trao đổi ion, không phải phản ứng oxi hóa-khử.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp nhiều bước

1
Đốt cháy hoàn toàn 8 gam sulfur trong khí oxygen dư thu được khí SO2. Toàn bộ lượng SO2 này được oxi hóa hoàn toàn (xúc tác V2O5) thành SO3, rồi SO3 được hấp thụ hoàn toàn vào nước dư tạo dung dịch H2SO4. Tính khối lượng H2SO4 thu được, giả sử hiệu suất mỗi giai đoạn đều 100%.
2
$M(S) = 32$ g/mol; $n(S) = 8/32 = 0{,}25$ mol.
$M(S) = 32$ g/mol; $n(S) = 8/32 = 0{,}25$ mol.
3
Vì tỉ lệ mol $S : SO_2 : SO_3 : H_2SO_4 = 1{:}1{:}1{:}1$ qua toàn bộ chuỗi phản ứng (mỗi nguyên tử S cuối cùng nằm trong đúng một phân tử H2SO4), nên $n(H_2SO_4) = n(S) = 0{,}25$ mol.
Vì tỉ lệ mol $S : SO_2 : SO_3 : H_2SO_4 = 1{:}1{:}1{:}1$ qua toàn bộ chuỗi phản ứng (mỗi nguyên tử S cuối cùng nằm trong đúng một phân tử H2SO4), nên $n(H_2SO_4) = n(S) = 0{,}25$ mol.
4
$M(H_2SO_4) = 98$ g/mol; $m = 0{,}25 \times 98 = 24{,}5$ gam.
$M(H_2SO_4) = 98$ g/mol; $m = 0{,}25 \times 98 = 24{,}5$ gam.
5
Vậy thu được 24,5 gam H2SO4. Dù chuỗi phản ứng trải qua ba giai đoạn với điều kiện khác nhau, việc bám sát đúng tỉ lệ mol nguyên tố sulfur (bảo toàn nguyên tố S) giúp tính trực tiếp mà không cần tính riêng số mol của từng chất trung gian SO2, SO3.

Sai lầm thường gặp

Khi gặp bài toán chuỗi nhiều bước, nhiều học sinh cố tính số mol của SO2 rồi SO3 rồi mới ra H2SO4 một cách tuần tự và dễ nhầm lẫn hệ số. Với chuỗi mà tỉ lệ mol giữa nguyên tố cần theo dõi là 1:1 xuyên suốt (như sulfur ở đây), áp dụng ngay định luật bảo toàn nguyên tố sẽ nhanh và ít sai sót hơn nhiều so với tính tuần tự từng bước.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chuỗi S(0)→SO2(+4)→SO3(+6)→H2SO4(+6): số oxi hóa tăng dần khi bị oxi hóa; vai trò oxi hóa/khử của mỗi chất phụ thuộc đối tác phản ứng; bài toán chuỗi nhiều bước giải nhanh bằng bảo toàn nguyên tố sulfur.

Bài cuối cùng ôn tập tính chất của sulfuric acid (loãng, đặc) và muối sulfate, khép lại toàn bộ khóa học bằng một đề tổng hợp theo đúng cấu trúc đề kiểm tra thực tế.