Trả lời nhanh
Lưu huỳnh (S, Z = 16, chu kì 3, nhóm VIA) là phi kim có số oxi hóa phổ biến –2, 0, +4, +6. Nó thể hiện tính oxi hóa khi tác dụng với kim loại và hiđro (S⁰ → S⁻²), thể hiện tính khử khi tác dụng với oxi, flo hoặc chất oxi hóa mạnh như H₂SO₄ đặc, HNO₃ đặc (S⁰ → S⁺⁴ hoặc S⁺⁶).
1. Lưu huỳnh là gì? Vị trí và cấu tạo nguyên tử
- Kí hiệu: S; số hiệu nguyên tử Z = 16; nguyên tử khối ≈ 32.
- Cấu hình electron: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ (hay [Ne]3s²3p⁴).
- Vị trí: ô 16, chu kì 3 (3 lớp electron), nhóm VIA (6 electron lớp ngoài cùng, nguyên tố p).
- Độ âm điện: 2,58.
Lớp ngoài cùng có 6 electron nên S dễ nhận thêm 2 electron để thành S²⁻ (số oxi hóa –2). Vì có phân lớp 3d trống, khi bị kích thích S tách các electron ghép đôi để có 4 hoặc 6 electron độc thân, tạo số oxi hóa +4 và +6. Vì vậy trong hợp chất S có các số oxi hóa –2, +4, +6, còn trong đơn chất là 0.
Muốn ôn kĩ cách viết cấu hình, xem thêm phần cấu hình electron tại Cấu hình electron của các nguyên tố.
2. Tính chất vật lí và các dạng thù hình
Lưu huỳnh là chất rắn màu vàng, giòn, không tan trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ như benzen, cacbon đisunfua (CS₂). S kém dẫn nhiệt, dẫn điện. Hai dạng thù hình thường gặp:
| Dạng thù hình | Bền ở | Nhiệt độ nóng chảy | Khối lượng riêng |
|---|---|---|---|
| Lưu huỳnh tà phương (Sα) | dưới 95,5 °C | khoảng 113 °C | 2,07 g/cm³ |
| Lưu huỳnh đơn tà (Sβ) | trên 95,5 °C | khoảng 119 °C | 1,96 g/cm³ |
Cả hai đều gồm các phân tử S₈ mạch vòng, chỉ khác cách sắp xếp trong tinh thể. Khi đun nóng, trạng thái của S thay đổi theo nhiệt độ:
- Trên 119 °C: S nóng chảy thành chất lỏng màu vàng, linh động (phân tử S₈).
- Khoảng 187 °C: lỏng trở nên quánh, nhớt, màu nâu đỏ (vòng S₈ bị đứt, nối thành chuỗi Sn).
- Gần 445 °C: sôi, hơi màu vàng nâu gồm S₈, S₆, S₄, S₂…; nhiệt độ cao hơn nữa thì tạo S₂ rồi S.
Để viết phương trình cho gọn, ta quy ước dùng kí hiệu S.
3. Tính chất hóa học của lưu huỳnh
Số oxi hóa 0 nằm giữa –2 và +4, +6 nên S vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử. Hãy nhớ quy tắc: gặp chất có tính khử (kim loại, H₂) thì S nhận electron; gặp chất oxi hóa mạnh (O₂, F₂, axit đặc) thì S nhường electron.
3.1. Tính oxi hóa (S⁰ → S⁻²)
- Với hiđro (đun nóng): S + H₂ → H₂S (t°), tạo khí hiđro sunfua mùi trứng thối.
- Với đa số kim loại (đun nóng), tạo muối sunfua: Fe + S → FeS (t°); 2Al + 3S → Al₂S₃ (t°); Zn + S → ZnS (t°).
- Với thủy ngân ngay ở nhiệt độ thường: Hg + S → HgS (chất rắn màu đỏ). Vì thế người ta rắc bột lưu huỳnh để thu gom thủy ngân rơi vãi từ nhiệt kế vỡ.
Lưu ý: S là chất oxi hóa yếu, nên với kim loại nhiều hóa trị như Fe, Cu chỉ tạo muối có số oxi hóa thấp: FeS (không phải Fe₂S₃), Cu₂S.
3.2. Tính khử (S⁰ → S⁺⁴, S⁺⁶)
- Với oxi: S + O₂ → SO₂ (t°), lưu huỳnh cháy với ngọn lửa xanh nhạt, sinh khí mùi hắc. Chỉ tạo SO₂, muốn có SO₃ phải oxi hóa tiếp SO₂ có xúc tác.
- Với flo (phi kim có độ âm điện lớn hơn): S + 3F₂ → SF₆ (t°).
- Với axit sunfuric đặc, nóng: S + 2H₂SO₄ (đặc) → 3SO₂↑ + 2H₂O (t°).
- Với axit nitric đặc, nóng: S + 6HNO₃ (đặc) → H₂SO₄ + 6NO₂↑ + 2H₂O (t°).
Mẹo nhớ
“Gặp kim loại và H₂ thì S về –2; gặp O₂, F₂ và axit mạnh thì S lên +4, +6.” Riêng với clo, tùy điều kiện S có thể lên +1, +2 hoặc +4 (chương trình phổ thông ít yêu cầu).
4. Trạng thái tự nhiên
- Đơn chất: trong các mỏ lưu huỳnh, thường gần núi lửa hoặc dưới lòng đất.
- Hợp chất: quặng pirit sắt (FeS₂), muối sunfua (như ZnS, HgS), muối sunfat (như thạch cao CaSO₄·2H₂O).
- Có trong thành phần một số hợp chất hữu cơ, ví dụ các protein chứa các axit amin có S.
5. Khai thác và điều chế lưu huỳnh
- Phương pháp Frasch (với mỏ S tự do trong lòng đất): dùng hệ thống ống nén nước siêu nóng (khoảng 170 °C) xuống lớp lưu huỳnh để làm nóng chảy, rồi dùng khí nén đẩy S lỏng lên mặt đất.
- Từ hợp chất (thu hồi từ khí H₂S trong khí thiên nhiên, khí lò luyện kim):
2H₂S + O₂ (thiếu) → 2S + 2H₂O (t°)
2H₂S + SO₂ → 3S↓ + 2H₂O (xuất hiện chất rắn màu vàng).
6. Ứng dụng
- Khoảng 90% lưu huỳnh dùng để sản xuất axit sunfuric H₂SO₄.
- Phần còn lại dùng lưu hóa cao su (làm cao su bền, đàn hồi), sản xuất diêm, thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm, chất tẩy trắng, thuốc nổ đen, dược phẩm.
Các hợp chất quan trọng cần học tiếp: SO₂, SO₃, H₂S và H₂SO₄. Bạn có thể xem tổng quan ở Tổng hợp tính chất hóa học đơn chất, hợp chất; nguyên tố cùng nhóm là Oxi (O).
7. Lỗi sai thường gặp
- Viết S + O₂ → SO₃: sai, sản phẩm trực tiếp là SO₂.
- Viết Fe + S → Fe₂S₃: sai, sản phẩm là FeS.
- Quên điều kiện nhiệt độ: hầu hết phản ứng của S cần đun nóng, chỉ Hg phản ứng ở nhiệt độ thường.
- Nhầm vai trò: với H₂SO₄ đặc, S là chất khử (lên +4), còn H₂SO₄ là chất oxi hóa.
8. Bài tập vận dụng
Câu 1. Vị trí của lưu huỳnh (Z = 16) trong bảng tuần hoàn là: A. ô 16, chu kì 3, nhóm VIA; B. ô 16, chu kì 2, nhóm VIA; C. ô 16, chu kì 3, nhóm IVA; D. ô 16, chu kì 2, nhóm IVA.
Đáp án A. Cấu hình 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴: 3 lớp electron → chu kì 3; 6 electron lớp ngoài cùng, nguyên tố p → nhóm VIA.
Câu 2. Trong phản ứng S + 2H₂SO₄ (đặc) → 3SO₂ + 2H₂O, tỉ lệ số nguyên tử S bị khử : số nguyên tử S bị oxi hóa là bao nhiêu?
Đáp án 2 : 1. S⁰ → S⁺⁴ (bị oxi hóa, 1 nguyên tử); 2 nguyên tử S⁺⁶ trong H₂SO₄ → S⁺⁴ (bị khử). Kiểm tra electron: 1 nguyên tử S nhường 4e, 2 nguyên tử S⁺⁶ nhận 2 × 2e = 4e.
Câu 3. Đốt cháy hoàn toàn 1,28 g lưu huỳnh trong oxi dư. Tính khối lượng SO₂ thu được.
Đáp án 2,56 g. n(S) = 1,28 : 32 = 0,04 mol; S + O₂ → SO₂ nên n(SO₂) = 0,04 mol; m = 0,04 × 64 = 2,56 g.
Câu 4. Nung hỗn hợp gồm 5,6 g bột Fe và 3,2 g bột S (không có không khí). Tính khối lượng FeS tạo thành.
Đáp án 8,8 g. n(Fe) = 0,1 mol; n(S) = 0,1 mol; Fe + S → FeS, vừa đủ nên n(FeS) = 0,1 mol; m = 0,1 × 88 = 8,8 g.
Câu 5. Trong số các chất O₂, Al, H₂SO₄ đặc, F₂, chất nào khiến S thể hiện tính oxi hóa?
Đáp án Al. Chỉ với Al, số oxi hóa của S giảm từ 0 xuống –2 (2Al + 3S → Al₂S₃); với ba chất còn lại S bị oxi hóa.
Câu hỏi thường gặp
Lưu huỳnh có tính oxi hóa hay tính khử?
Cả hai. S có số oxi hóa 0 là trung gian nên thể hiện tính oxi hóa khi tác dụng với kim loại, hiđro và thể hiện tính khử khi tác dụng với oxi, flo, H₂SO₄ đặc, HNO₃ đặc.
Lưu huỳnh có những số oxi hóa nào trong hợp chất?
Trong hợp chất, S có các số oxi hóa –2 (H₂S, FeS), +4 (SO₂, Na₂SO₃) và +6 (SO₃, H₂SO₄). Trong đơn chất S có số oxi hóa 0.
Vì sao rắc bột lưu huỳnh lên thủy ngân bị đổ vỡ?
Vì S phản ứng với Hg ngay ở nhiệt độ thường tạo HgS dạng rắn, ít bay hơi và ít độc hơn hơi thủy ngân nên dễ thu gom: Hg + S → HgS.
Lưu huỳnh đốt trong oxi tạo SO₂ hay SO₃?
Tạo SO₂: S + O₂ → SO₂ (t°). SO₃ chỉ thu được khi oxi hóa tiếp SO₂ bằng O₂ ở nhiệt độ cao có xúc tác V₂O₅.