Bài học

SO2, mưa acid và ứng dụng trong đời sống

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được cơ chế hình thành mưa acid từ khí SO2, nêu được hậu quả của mưa acid với công trình xây dựng và môi trường, đồng thời trình bày được các ứng dụng chính của SO2 trong công nghiệp và đời sống.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã nắm SO2 vừa là oxide acid vừa có tính oxi hóa-khử kép, đặc biệt là phản ứng $SO_2 + Br_2 + 2H_2O \to H_2SO_4 + 2HBr$ — SO2 bị oxi hóa thành gốc sulfate. Phản ứng oxi hóa SO2 lên số oxi hóa +6 trong khí quyển chính là bước đầu tiên của chuỗi phản ứng tạo mưa acid.

Khởi động

Nhiều bức tượng đá vôi, công trình kiến trúc cổ ở châu Âu bị hòa tan, mòn dần theo thời gian dù được xây bằng đá — vật liệu vốn rất bền với nước mưa thông thường. Vì sao mưa lại có thể "ăn mòn" đá?

Kiến thức trọng tâm

Trong khí quyển, SO2 bị oxi hóa dần bởi oxygen (có mặt bụi kim loại, ánh sáng, hoặc ozone làm xúc tác) thành SO3: $2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$ . SO3 tiếp tục phản ứng với hơi nước có sẵn trong không khí: $SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$ . Các giọt H2SO4 (cùng HNO3 sinh ra từ NOₓ) lơ lửng trong mây, rơi xuống cùng mưa tạo thành mưa acid, có pH thường dưới 5,6 — thấp hơn hẳn mưa bình thường vốn đã hơi acid do CO2 hòa tan.

Hậu quả của mưa acid: ăn mòn công trình xây bằng đá vôi, đá cẩm thạch ( $CaCO_3 + H_2SO_4 \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ — khí CO2 thoát ra làm đá xốp, vỡ vụn dần); ăn mòn kết cấu kim loại, cầu, mái tôn; làm chua đất, hại rễ cây và vi sinh vật đất; acid hóa ao hồ, gây chết cá và các loài thủy sinh nhạy cảm với pH thấp.

SO2 cũng có nhiều ứng dụng: tẩy trắng bột giấy, vải sợi (SO2 khử các sắc tố tạp màu, có kiểm soát nồng độ để không làm hỏng vật liệu); bảo quản thực phẩm khô như mứt, hoa quả sấy, rượu vang ở nồng độ rất thấp, kiểm soát chặt vì SO2 độc, nhờ khả năng ức chế nấm mốc và vi khuẩn; và quan trọng nhất — nguyên liệu trực tiếp để sản xuất sulfuric acid, học kỹ ở chương sau.

Để giảm thiểu mưa acid, các nhà máy lắp hệ thống hấp thụ SO2 trong khí thải bằng sữa vôi $Ca(OH)_2$ (chính là phản ứng $SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$ đã học ở bài trước) trước khi thải ra môi trường, dùng nhiên liệu ít lưu huỳnh, và chuyển dần sang năng lượng tái tạo.

Nguồn phát thải SO2 chủ yếu đến từ việc đốt than đá, dầu mỏ, khí đốt trong nhà máy nhiệt điện, luyện kim, giao thông — nhiên liệu hóa thạch thường lẫn tạp chất sulfur. Núi lửa phun trào tự nhiên cũng thải một lượng SO2 đáng kể. Trong khí quyển, SO2 bị oxi hóa dần bởi oxygen (có mặt bụi kim loại, ánh sáng, hoặc ozone làm xúc tác) thành SO3: $2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$. SO3 tiếp tục phản ứng với hơi nước có sẵn trong không khí: $SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$. Các giọt H2SO4 (cùng HNO3 sinh ra từ NOₓ) lơ lửng trong mây, rơi xuống cùng mưa tạo thành mưa acid, có pH thường dưới 5,6 — thấp hơn hẳn mưa bình thường vốn đã hơi acid do CO2 hòa tan. Hậu quả của mưa acid: ăn mòn công trình xây bằng đá vôi, đá cẩm thạch ($CaCO_3 + H_2SO_4 \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ — khí CO2 thoát ra làm đá xốp, vỡ vụn dần); ăn mòn kết cấu kim loại, cầu, mái tôn; làm chua đất, hại rễ cây và vi sinh vật đất; acid hóa ao hồ, gây chết cá và các loài thủy sinh nhạy cảm với pH thấp. SO2 cũng có nhiều ứng dụng: tẩy trắng bột giấy, vải sợi (SO2 khử các sắc tố tạp màu, có kiểm soát nồng độ để không làm hỏng vật liệu); bảo quản thực phẩm khô như mứt, hoa quả sấy, rượu vang ở nồng độ rất thấp, kiểm soát chặt vì SO2 độc, nhờ khả năng ức chế nấm mốc và vi khuẩn; và quan trọng nhất — nguyên liệu trực tiếp để sản xuất sulfuric acid, học kỹ ở chương sau. Để giảm thiểu mưa acid, các nhà máy lắp hệ thống hấp thụ SO2 trong khí thải bằng sữa vôi $Ca(OH)_2$ (chính là phản ứng $SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$ đã học ở bài trước) trước khi thải ra môi trường, dùng nhiên liệu ít lưu huỳnh, và chuyển dần sang năng lượng tái tạo.

Ví dụ

Viết chuỗi phản ứng hình thành mưa acid

1
Viết các phương trình hóa học mô tả chuỗi phản ứng từ khí SO2 thải ra đến khi hình thành mưa acid gây ăn mòn công trình đá vôi.
2
$2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$ (trong khí quyển).
$2SO_2 + O_2 \to 2SO_3$ (trong khí quyển).
3
$SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$ .
$SO_3 + H_2O \to H_2SO_4$.
4
$CaCO_3 + H_2SO_4 \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ .
$CaCO_3 + H_2SO_4 \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$.
5
Ba phương trình trên là chuỗi liên hoàn giải thích đầy đủ vì sao khí SO2 thải ra từ nhà máy cách xa hàng trăm ki-lô-mét vẫn có thể gây ăn mòn công trình đá vôi thông qua mưa acid.

Ví dụ

Tính toán lượng khí thải và biện pháp xử lý

1
Một nhà máy nhiệt điện đốt than mỗi ngày thải ra 495,8 kg khí SO2. Để xử lý, khí thải được dẫn qua bể sữa vôi Ca(OH)2. Tính khối lượng Ca(OH)2 tối thiểu cần dùng mỗi ngày để hấp thụ hết lượng SO2 trên, giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn, tạo muối trung hòa CaSO3.
2
$M(SO_2)=64$ g/mol; $n(SO_2) = 495\,800/64 = 7\,747$ mol (xấp xỉ $7{,}75 \times 10^3$ mol).
$M(SO_2)=64$ g/mol; $n(SO_2) = 495\,800/64 = 7\,747$ mol (xấp xỉ $7{,}75 \times 10^3$ mol).
3
$SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$ . Tỉ lệ mol 1:1 nên $n(Ca(OH)_2) = n(SO_2) \approx 7\,747$ mol.
$SO_2 + Ca(OH)_2 \to CaSO_3\downarrow + H_2O$. Tỉ lệ mol 1:1 nên $n(Ca(OH)_2) = n(SO_2) \approx 7\,747$ mol.
4
$M(Ca(OH)_2)=74$ g/mol; $m = 7\,747 \times 74 \approx 573\,178$ gam $\approx 573{,}2$ kg.
$M(Ca(OH)_2)=74$ g/mol; $m = 7\,747 \times 74 \approx 573\,178$ gam $\approx 573{,}2$ kg.
5
Vậy nhà máy cần tối thiểu khoảng 573,2 kg Ca(OH)2 mỗi ngày để xử lý triệt để lượng khí SO2 thải ra, tránh phát thải trực tiếp gây mưa acid ra môi trường xung quanh.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay nhầm CO2 cũng là "thủ phạm chính" gây mưa acid vì cả hai đều là oxide acid từ khí thải đốt nhiên liệu. Thực ra CO2 hòa tan tạo acid carbonic rất yếu, chỉ làm mưa hơi acid tự nhiên (pH khoảng 5,6); mưa acid thực sự (pH có thể xuống dưới 4) chủ yếu do SO2 và NOₓ tạo ra H2SO4, HNO3 — những acid mạnh hơn hẳn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

SO2 thải ra bị oxi hóa thành SO3 rồi gặp hơi nước tạo H2SO4 gây mưa acid, ăn mòn đá vôi/kim loại, hại cây trồng và thủy sinh; đồng thời SO2 có ứng dụng tẩy trắng, bảo quản thực phẩm (kiểm soát chặt) và là nguyên liệu sản xuất H2SO4.

Chương tiếp theo học chính chuỗi phản ứng công nghiệp biến SO2 thành sulfuric acid — hóa chất có sản lượng lớn nhất trong công nghiệp hóa chất toàn cầu.