LƯU HUỲNH: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, THU ĐƯỢC, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2025

Các lưu huỳnh là một yếu tố dẫn không kim loại, dưới oxy, nhóm chalcogens của bảng tuần hoàn. Nó đặc biệt nằm trong nhóm 16 với chu kỳ 3, và được biểu thị bằng ký hiệu hóa học S. Trong số các đồng vị tự nhiên của nó, cho đến nay ³² S là nhiều nhất (khoảng 94% tổng số nguyên tử lưu huỳnh).

Nó là một trong những nguyên tố phong phú nhất trên Trái đất, chiếm khoảng 3% tổng khối lượng của nó. Nói cách khác, nếu tất cả lưu huỳnh trên hành tinh được lấy đi, hai mặt trăng màu vàng có thể được xây dựng; sẽ có ba vệ tinh thay vì một. Nó có thể áp dụng các trạng thái oxy hóa khác nhau (+2, -2, +4 và +6), do đó, muối của nó rất nhiều và làm phong phú thêm lớp vỏ và lõi của trái đất.

Tinh thể lưu huỳnh. Nguồn: Pixabay.

Lưu huỳnh đồng nghĩa với màu vàng, mùi hôi và địa ngục. Lý do chính cho mùi hôi của nó là do các hợp chất có nguồn gốc của nó; đặc biệt là sô-đa và những loại hữu cơ. Phần còn lại, các khoáng chất của nó ở dạng rắn và có các màu bao gồm vàng, xám, đen và trắng (trong số những loại khác).

Nó là một trong những nguyên tố thể hiện một số lượng lớn các dạng thù hình. Nó có thể được tìm thấy dưới dạng các phân tử nhỏ, rời rạc của S ₂ hoặc S ₃ ; dưới dạng vòng hoặc chu kỳ, lưu huỳnh S ₈ trực thoi và đơn tà là ổn định và phong phú nhất trong tất cả; và dưới dạng chuỗi xoắn ốc.

Nó không chỉ được tìm thấy trong vỏ trái đất dưới dạng khoáng chất, mà còn trong các ma trận sinh học của cơ thể chúng ta. Ví dụ, nó có trong các axit amin cystine, cysteine ​​và methionine, trong protein sắt, keratin và trong một số vitamin. Nó cũng có trong tỏi, bưởi, hành tây, bắp cải, bông cải xanh và súp lơ trắng.

Về mặt hóa học, nó là một nguyên tố mềm, và khi thiếu oxy, nó tạo thành các khoáng chất và sulfat lưu huỳnh. Nó cháy với ngọn lửa hơi xanh và có thể xuất hiện dưới dạng chất rắn vô định hình hoặc tinh thể.

Mặc dù rất cần thiết cho quá trình tổng hợp axit sulfuric, một chất có tính ăn mòn cao và có mùi khó chịu, nó thực sự là một nguyên tố lành tính. Lưu huỳnh có thể được lưu trữ trong bất kỳ không gian nào mà không cần phải đề phòng lớn, miễn là tránh được hỏa hoạn.

Lịch sử của lưu huỳnh

Trong kinh Thánh

Lưu huỳnh là một trong những nguyên tố lâu đời nhất trong lịch sử loài người; đến nỗi việc phát hiện ra nó là không chắc chắn và người ta không biết nền văn minh cổ đại nào đã sử dụng nó lần đầu tiên (4000 năm trước Công nguyên). Trong chính những trang của Kinh thánh, người ta có thể thấy anh ta đi cùng với lửa địa ngục và hỏa ngục.

Người ta cho rằng mùi lưu huỳnh từ địa ngục có liên quan đến các vụ phun trào núi lửa. Người phát hiện ra nó đầu tiên chắc chắn đã bắt gặp các mỏ chứa nguyên tố này như vùng đất bụi hoặc các tinh thể màu vàng trong vùng lân cận của một ngọn núi lửa.

cổ xưa

Chất rắn màu vàng này đã sớm chứng tỏ tác dụng chữa bệnh đáng kể. Ví dụ, người Ai Cập đã sử dụng lưu huỳnh để điều trị viêm mí mắt. Nó cũng làm giảm ghẻ và mụn trứng cá, một ứng dụng có thể thấy ngày nay trong xà phòng lưu huỳnh và các sản phẩm da liễu khác.

Người La Mã sử ​​dụng nguyên tố này trong các nghi lễ của họ, như một chất khử trùng và tẩy trắng. Khi cháy, nó giải phóng SO ₂ , một loại khí tràn ngập khắp phòng, hòa trộn với độ ẩm và tạo ra một môi trường kháng khuẩn có khả năng tiêu diệt côn trùng.

Người La Mã, cũng như người Hy Lạp, đã phát hiện ra tính dễ bắt cháy của lưu huỳnh, đó là lý do tại sao nó trở thành đồng nghĩa với lửa. Màu lửa hơi xanh của nó hẳn đã chiếu sáng các rạp xiếc La Mã. Người ta tin rằng về phần mình, người Hy Lạp đã sử dụng nguyên tố này để tạo ra vũ khí gây cháy.

Về phần mình, người Trung Quốc biết được rằng bằng cách trộn lưu huỳnh với diêm tiêu (KNO ₃ ) và than đá, họ đã tạo ra loại bột đen nguyên liệu tạo nên một bước ngoặt lịch sử, đồng thời khơi dậy nhu cầu và sự quan tâm lớn đến loại khoáng sản này ở các quốc gia thời đó.

Thời hiện đại

Như thể thuốc súng không đủ lý do để thèm muốn lưu huỳnh, axit sunfuric và các ứng dụng công nghiệp của nó đã sớm xuất hiện. Và với que axit sulfuric, lượng của cải hoặc thịnh vượng của một quốc gia được đo lường liên quan đến mức độ tiêu thụ hợp chất này.

Mãi đến năm 1789, nhà hóa học lỗi lạc Antoine Lavoisier mới có thể nhận ra lưu huỳnh và phân loại nó như một nguyên tố. Sau đó vào năm 1823, nhà hóa học người Đức Eilhard Mitscherlich đã phát hiện ra rằng lưu huỳnh chủ yếu có thể kết tinh theo hai cách: hình thoi và đơn tà.

Lịch sử của lưu huỳnh theo cùng một quá trình về các hợp chất và ứng dụng của nó. Với tầm quan trọng to lớn trong công nghiệp của axit sulfuric, nó đi kèm với quá trình lưu hóa cao su, tổng hợp penicillin, khai thác các mỏ, tinh chế dầu thô giàu lưu huỳnh, dinh dưỡng của đất, v.v.

Tính chất

Ngoại hình

Chất rắn dòn ở dạng bột hoặc tinh thể. Màu của nó là màu vàng chanh xỉn, không vị và không có mùi.

Xuất hiện chất lỏng

Lưu huỳnh lỏng đặc biệt ở chỗ màu vàng ban đầu của nó chuyển sang màu đỏ và đậm dần và sẫm màu nếu gặp nhiệt độ cao. Khi cháy, nó phát ra ngọn lửa sáng xanh.

Khối lượng phân tử

32 g / mol.

Độ nóng chảy

115,21 ° C.

Điểm sôi

445 ° C.

điểm đánh lửa

160 ° C.

Nhiệt độ tự bốc cháy

232 ° C.

Tỉ trọng

2,1 g / mL. Tuy nhiên, các dạng thù hình khác có thể ít đậm đặc hơn.

Nhiệt dung mol

22,75 J / mol K

Bán kính cộng hóa trị

105 ± 3 giờ chiều.

Độ âm điện

2,58 trên thang điểm Pauling.

Phân cực

Liên kết SS là liên kết bất cực vì cả hai nguyên tử lưu huỳnh có cùng độ âm điện. Điều này làm cho tất cả các dạng thù hình của nó, có chu kỳ hoặc hình chuỗi, không phân cực; và do đó, các tương tác của nó với nước không hiệu quả và nó không thể hòa tan trong đó.

Tuy nhiên, lưu huỳnh có thể được hòa tan trong các dung môi không phân cực như carbon disulfide, CS ₂ , và các chất thơm (benzen, toluen, xylen, v.v.).

Ion

Lưu huỳnh có thể tạo thành các ion khác nhau, thường là anion. Được biết đến nhiều nhất là lưu huỳnh, S ^2- . S ^2- có đặc điểm là cồng kềnh và có gốc Lewis mềm.

Bởi vì nó là một bazơ mềm, lý thuyết nói rằng nó sẽ có xu hướng tạo hợp chất với axit mềm; chẳng hạn như các cation kim loại chuyển tiếp, bao gồm Fe ²⁺ , Pb ²⁺ và Cu ²⁺ .

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Vương miện lưu huỳnh

Phân tử S8, dạng thù hình bền nhất và nhiều nhất của lưu huỳnh. Nguồn: Benjah-bmm27.

Lưu huỳnh có thể xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau; và đến lượt chúng lại có cấu trúc tinh thể được biến đổi dưới các áp suất và / hoặc nhiệt độ khác nhau. Do đó, lưu huỳnh là một nguyên tố giàu dạng thù hình và dạng đa hình, và việc nghiên cứu cấu trúc rắn của nó là một nguồn vô tận của công việc lý thuyết-thực nghiệm.

Tại sao cấu trúc phức tạp như vậy? Đầu tiên, các liên kết cộng hóa trị trong lưu huỳnh (SS) rất mạnh, chỉ bị vượt qua bởi các liên kết của cacbon, CC và của hydro, HH.

Lưu huỳnh, không giống như cacbon, không có xu hướng tạo thành tứ diện mà là boomerang; mà với các góc của chúng gấp lại và vòng để ổn định các chuỗi lưu huỳnh. Vòng được biết đến nhiều nhất, cũng đại diện cho dạng thù hình ổn định nhất của lưu huỳnh, là S ₈ , "vương miện lưu huỳnh" (hình trên).

Lưu ý rằng tất cả các liên kết SS trong S ₈ trông giống như boomerang riêng lẻ, dẫn đến một chiếc nhẫn có nếp gấp và không phẳng chút nào. Những vương miện S _{8 này} tương tác thông qua các lực London, tự định hướng theo cách mà chúng tạo ra các mẫu cấu trúc xác định một tinh thể trực thoi; được gọi là S ₈ α (S-α, hay đơn giản là lưu huỳnh trực thoi).

Đa hình

Vương miện lưu huỳnh là một trong nhiều dạng thù hình của nguyên tố này. S ₈ α là một hình đa hình của vương miện này. Có hai cái khác (trong số những cái quan trọng nhất) được gọi là S ₈ β và S ₈ γ (S-β và S-γ, tương ứng). Cả hai đa hình đều kết tinh thành cấu trúc đơn tà, với S ₈ γ đậm đặc hơn (lưu huỳnh gamma).

Cả ba đều là chất rắn màu vàng. Nhưng làm thế nào để bạn có được từng đa hình riêng biệt?

S ₈ β được điều chế bằng cách nung nóng S ₈ α đến 93 ° C, sau đó cho phép làm lạnh chậm để làm chậm quá trình chuyển trở lại pha trực thoi (α). Và mặt khác, S ₈ γ thu được khi S ₈ α nóng chảy ở 150 ° C, lại để nguội từ từ; nó là loại dày đặc nhất trong số các hình đa hình của vương miện lưu huỳnh.

Các dạng thù hình chu kỳ khác

Vương miện S ₈ không phải là dạng chu kỳ duy nhất. Có những chất khác như S ₄ , S ₅ (tương tự như xiclopentan), S ₆ (được biểu diễn bằng một hình lục giác như xyclohexan), S ₇ , S ₉ , và S _10-20 ; loại thứ hai có nghĩa là có thể có các vòng hoặc chu kỳ chứa từ 10 đến 20 nguyên tử lưu huỳnh.

Mỗi người trong số họ đại diện cho các dạng chu kỳ khác nhau của lưu huỳnh; và đến lượt nó, để nhấn mạnh nó, chúng có nhiều dạng đa hình hoặc cấu trúc đa hình phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ.

Ví dụ, S ₇ có đến bốn đa hình đã biết: α, β, γ và γ. Các thành viên hoặc mão có khối lượng phân tử cao hơn là sản phẩm của quá trình tổng hợp hữu cơ và không chiếm ưu thế trong tự nhiên.

Chuỗi lưu huỳnh

Chuỗi lưu huỳnh. Nguồn: OpenStax

Khi nhiều nguyên tử lưu huỳnh được kết hợp vào cấu trúc, xu hướng vòng của chúng giảm đi và các chuỗi lưu huỳnh vẫn mở và áp dụng các cấu trúc xoắn (như thể chúng là xoắn ốc hoặc vít).

Và do đó, một họ đa dạng lưu huỳnh khổng lồ khác xuất hiện không bao gồm các vòng hoặc chu kỳ mà là các chuỗi (như trong hình trên).

Khi các chuỗi SS này xếp hàng song song trong tinh thể, chúng bẫy các tạp chất và cuối cùng tạo ra một chất rắn dạng sợi được gọi là lưu huỳnh dạng sợi, hoặc S-ψ. Nếu giữa các chuỗi song song này có các liên kết cộng hóa trị nối chúng với nhau (như xảy ra với quá trình lưu hóa cao su), chúng ta có lưu huỳnh tầng.

Khi lưu huỳnh S ₈ nóng chảy, thu được một pha lỏng màu vàng, có thể chuyển sang màu sẫm nếu tăng nhiệt độ. Điều này là do các liên kết SS bị phá vỡ, và do đó xảy ra quá trình khử phân tử nhiệt.

Chất lỏng này khi nguội cho thấy đặc tính dẻo và sau đó là thủy tinh; nghĩa là, thu được thủy tinh thể và lưu huỳnh vô định hình (S-χ). Thành phần của nó bao gồm cả vòng và chuỗi lưu huỳnh.

Và khi hỗn hợp của allotrope dạng sợi và lớp thu được từ lưu huỳnh vô định hình, Crystex được sản xuất, một sản phẩm thương mại được sử dụng để lưu hóa cao su.

Các dạng thù hình nhỏ

Mặc dù chúng được xếp sau cùng, nhưng chúng không kém phần quan trọng (hoặc thú vị) so với các dạng thù hình có khối lượng phân tử cao hơn. Các phân tử S ₂ và S ₃ là các phiên bản được lưu huỳnh hóa của O ₂ và O ₃ . Trong hai nguyên tử lưu huỳnh đầu tiên được tham gia bằng một liên kết đôi, S = S, và trong thứ hai có ba nguyên tử có cấu trúc cộng hưởng, S = SS.

Cả S ₂ và S ₃ đều ở thể khí. S ₃ có màu đỏ anh đào. Cả hai đều có đủ tài liệu thư mục cho mỗi trang bìa một bài báo riêng lẻ.

Cấu hình điện tử

Cấu hình electron của nguyên tử lưu huỳnh là:

3s ² 3p ⁴

Nó có thể nhận được hai điện tử để hoàn thành octet hóa trị của nó, và do đó có trạng thái oxy hóa -2. Tương tự như vậy, nó có thể mất electron, bắt đầu bằng hai trong các obitan 3p của nó, trạng thái oxy hóa của nó là +2; nếu bạn mất thêm hai electron, với các obitan 3p của chúng trống, trạng thái oxy hóa của bạn sẽ là +4; và nếu bạn mất tất cả các electron, nó sẽ là +6.

Thu được

Khoáng vật học

Lưu huỳnh là một phần của nhiều khoáng chất. Trong số đó có pyrit (FeS ₂ ), galena (PbS), covellit (CuS), và các khoáng chất sunfat và sunfua khác. Bằng cách xử lý chúng, không chỉ các kim loại có thể được chiết xuất mà còn cả lưu huỳnh sau một loạt các phản ứng khử.

Nó cũng có thể được lấy một cách tinh khiết trong các lỗ thông hơi của núi lửa, khi nhiệt độ tăng lên, nó tan chảy và tràn xuống dốc; Và nếu nó bắt lửa, nó sẽ trông giống như dung nham hơi xanh vào ban đêm. Thông qua lao động gian khổ và lao động chân tay vất vả, người ta có thể thu hoạch lưu huỳnh giống như cách làm khá thường xuyên ở Sicily.

Lưu huỳnh cũng có thể được tìm thấy trong các mỏ hầm lò, được tạo ra để bơm nước quá nhiệt để làm tan chảy và di chuyển nó lên bề mặt. Quy trình thu thập này được gọi là Quy trình Frasch, hiện nay ít được sử dụng.

Dầu

Ngày nay, hầu hết lưu huỳnh đến từ ngành công nghiệp dầu mỏ, vì các hợp chất hữu cơ của nó là một phần của thành phần dầu thô và các dẫn xuất tinh chế của nó.

Nếu một sản phẩm thô hoặc tinh chế giàu lưu huỳnh và trải qua quá trình hydro hóa lưu huỳnh, nó sẽ giải phóng một lượng lớn H ₂ S (khí có mùi hôi thối như trứng thối):

RSR + 2 H ₂ → 2 RH + H ₂ S

Sau đó H ₂ S được xử lý hóa học trong quy trình Clauss, được tóm tắt bằng các phương trình hóa học sau:

3 O ₂ + 2 H ₂ S → 2 SO ₂ + 2 H ₂ O

SO ₂ + 2 H ₂ S → 3 S + 2 H ₂ O

Các ứng dụng

Một số cách sử dụng lưu huỳnh được đề cập dưới đây và một cách tổng quát:

- Nó là một yếu tố cần thiết cho cả thực vật và động vật. Nó thậm chí còn có mặt trong hai axit amin: cysteine ​​và methionine.

- Nó là nguyên liệu cho axit sunfuric, một hợp chất tham gia vào quá trình điều chế vô số sản phẩm thương mại.

- Trong công nghiệp dược phẩm, nó được sử dụng để tổng hợp các dẫn xuất của lưu huỳnh, ví dụ như penicillin được biết đến nhiều nhất.

- Cho phép lưu hóa cao su bằng cách kết nối các chuỗi cao phân tử với nhau bằng liên kết SS.

- Màu vàng của nó và hỗn hợp của nó với các kim loại khác làm cho nó được ưa chuộng trong ngành công nghiệp bột màu.

- Trộn với ma trận vô cơ, chẳng hạn như cát và đá, bê tông và nhựa đường lưu huỳnh được chuẩn bị để thay thế bitum.

Rủi ro và biện pháp phòng ngừa

Bản thân lưu huỳnh là một chất vô hại, không độc hại và nó cũng không tiềm ẩn rủi ro, trừ khi nó phản ứng để tạo thành các hợp chất khác. Các muối sunfat của nó không nguy hiểm và có thể được xử lý mà không cần các biện pháp phòng ngừa lớn. Tuy nhiên, điều này không đúng với các dẫn xuất thể khí của nó: SO ₂ và H ₂ S, cả hai đều có độc tính cao.

Nếu nó ở trong pha lỏng, nó có thể gây bỏng nghiêm trọng. Nếu nuốt phải với số lượng lớn, nó có thể kích hoạt sản xuất H ₂ S trong ruột. Nếu không, nó không đại diện cho bất kỳ rủi ro nào cho những người nhai nó.

Nói chung, lưu huỳnh là một nguyên tố an toàn không cần quá nhiều biện pháp phòng ngừa, ngoại trừ việc tránh xa lửa và các chất oxy hóa mạnh.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Laura Crapanzano. (2006). Tính đa hình của lưu huỳnh: Các khía cạnh cấu trúc và động lực học. Vật lý .Université Joseph-Fourier - Grenoble I. Tiếng Anh. fftel-00204149f
3. Wikipedia. (2019). Các dạng thù hình của lưu huỳnh. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
4. Meyer Beat. (Năm 1976). Lưu huỳnh nguyên tố. Nhận xét hóa học, Tập 76, Số 3.
5. Tiến sĩ Doug Stewart. (2019). Sự kiện về nguyên tố lưu huỳnh. Hóa chất. Phục hồi từ: chemicool.com
6. Donald W. Davis và Randall A. Detro. (2015). Lịch sử lưu huỳnh. Tổng công ty lưu huỳnh Vịnh Georgia. Khôi phục từ: georgiagulfsulfur.com
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 11 tháng 1 năm 2019). 10 sự thật thú vị về lưu huỳnh. Phục hồi từ: thinkco.com
8. Boone, C .; Trái phiếu, C .; Hallman, A .; Jenkins, J. (2017). Bảng thông tin chung về lưu huỳnh; Trung tâm Thông tin Thuốc trừ sâu Quốc gia, Dịch vụ Mở rộng Đại học Bang Oregon. npic.orst.edu