LƯU HUỲNH TRIOXIT (SO3): CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, RỦI RO, SỬ DỤNG - HÓA HỌC - 2025

Các triôxít lưu huỳnh là một hợp chất vô cơ hình thành bởi sự kết hợp của một nguyên tử lưu huỳnh (S) và 3 nguyên tử oxy (O). Công thức phân tử của nó là SO ₃ . Ở nhiệt độ thường, SO ₃ là chất lỏng giải phóng các chất khí vào không khí.

Cấu trúc của SO ₃ ở thể khí là phẳng và đối xứng. Cả ba oxy đều nằm xung quanh lưu huỳnh. SO ₃ phản ứng mạnh với nước. Phản ứng tỏa nhiệt, có nghĩa là nhiệt được sinh ra, hay nói cách khác, nó trở nên rất nóng.

Phân tử lưu huỳnh trioxit SO ₃ . Tác giả: Benjah-bmm27. Nguồn: Wikimedia Commons.

Khi SO ₃ lỏng nguội đi, nó biến thành chất rắn có thể có ba loại cấu trúc: alpha, beta và gamma. Ổn định nhất là alpha, ở dạng các lớp liên kết với nhau tạo thành mạng.

Lưu huỳnh trioxit ở dạng khí được sử dụng để điều chế axit sulfuric bốc khói, còn được gọi là oleum, vì nó giống với dầu hoặc các chất có dầu. Một trong những ứng dụng quan trọng khác của nó là trong quá trình sulfo hóa các hợp chất hữu cơ, tức là, bổ sung các nhóm -SO ₃ vào chúng. Do đó, có thể chuẩn bị các hóa chất hữu ích như chất tẩy rửa, chất tạo màu, thuốc trừ sâu, trong số nhiều chất khác.

SO ₃ rất nguy hiểm, nó có thể gây bỏng nặng, tổn thương mắt và da. Nó cũng không được hít hoặc nuốt phải vì nó có thể gây tử vong do bỏng bên trong, trong miệng, thực quản, dạ dày, v.v.

Vì những lý do này, nó phải được xử lý hết sức thận trọng. Nó không bao giờ được tiếp xúc với nước hoặc các vật liệu dễ cháy như gỗ, giấy, vải, vv vì có thể xảy ra hỏa hoạn. Không nên vứt bỏ nó cũng như không nên đi vào cống rãnh vì nguy cơ nổ.

Khí SO _{3 sinh} ra trong các quá trình công nghiệp không được thải ra môi trường, vì nó là một trong những nguyên nhân gây ra mưa axit đã tàn phá nhiều diện tích rừng trên thế giới.

Kết cấu

Phân tử lưu huỳnh trioxit SO ₃ ở thể khí có cấu tạo tam giác phẳng.

Điều này có nghĩa là cả lưu huỳnh và ba oxy đều nằm trong cùng một mặt phẳng. Hơn nữa, sự phân bố của oxy và tất cả các electron là đối xứng.

Các cấu trúc cộng hưởng Lewis. Các electron phân bố đều trong SO ₃ . Tác giả: Marilú Stea.

Ở trạng thái rắn, ba dạng cấu trúc của SO _{3 được biết đến} : alpha (α-SO ₃ ), beta (β-SO ₃ ) và gamma (γ-SO ₃ ).

Dạng gamma γ-SO ₃ chứa các trime tuần hoàn, nghĩa là ba đơn vị SO ₃ cùng nhau tạo thành phân tử mạch vòng hoặc hình vòng.

Phân tử rắn lưu huỳnh trioxit dạng vòng gamma. Tác giả: Marilú Stea.

Pha beta β-SO ₃ có chuỗi xoắn vô hạn gồm tứ diện của thành phần SO ₄ liên kết với nhau.

Cấu trúc của một chuỗi trioxit lưu huỳnh rắn loại beta. Tác giả: Marilú Stea.

Dạng ổn định nhất là alpha α-SO ₃ , tương tự như beta nhưng có cấu trúc phân lớp, với các chuỗi liên kết để tạo thành mạng.

Danh pháp

- Lưu huỳnh trioxit

-Sulfuric anhydrit

-Sulfuric oxit

-SO ₃ gamma, γ-SO ₃

-SO ₃ beta, β-SO ₃

-SO ₃ alpha, α-SO ₃

Tính chất vật lý

Tình trạng thể chất

Ở nhiệt độ phòng (khoảng 25 ºC) và áp suất khí quyển, SO ₃ là chất lỏng không màu tỏa khói vào không khí.

Khi SO ₃ lỏng là nguyên chất ở 25ºC, nó là hỗn hợp của SO ₃ đơn chất (một phân tử duy nhất) và tam phân (3 phân tử liên kết) có công thức S ₃ O ₉ , còn được gọi là SO ₃ gamma γ-SO ₃ .

Khi hạ nhiệt độ xuống, nếu SO ₃ tinh khiết khi đạt đến 16,86 ºC, nó sẽ đông đặc hoặc đóng băng thành γ-SO ₃ , còn được gọi là “SO ₃ băng ”.

Nếu nó chứa một lượng nhỏ độ ẩm (thậm chí là vết hoặc lượng cực nhỏ), SO _{3 sẽ} trùng hợp thành dạng beta β-SO ₃ , tạo thành các tinh thể có độ bóng mượt.

Sau đó, nhiều liên kết hơn được hình thành, tạo ra _{cấu trúc} alpha α-SO ₃ , là một chất rắn tinh thể hình kim giống như amiăng hoặc amiăng.

Khi hợp nhất alpha và beta, chúng tạo ra gamma.

Trọng lượng phân tử

80,07 g / mol

Độ nóng chảy

SO ₃ gamma = 16,86 ºC

Gấp ba lần Điểm

Đó là nhiệt độ mà tại đó ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí. Ở dạng alpha, điểm ba ở 62,2ºC và ở dạng beta, nó ở 32,5ºC.

Làm nóng dạng alpha có xu hướng thăng hoa nhiều hơn là nóng chảy. Thăng hoa có nghĩa là đi trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí, không đi qua trạng thái lỏng.

Điểm sôi

Tất cả các dạng SO _{3 đều} sôi ở 44,8ºC.

Tỉ trọng

SO ₃ lỏng (gamma) có khối lượng riêng là 1,9225 g / cm ³ ở 20ºC .

SO _{3 ở thể} khí có tỷ trọng so với không khí là 2,76 (không khí = 1), điều này cho thấy nó nặng hơn không khí.

Áp suất hơi

SO ₃ alpha = 73 mm Hg ở 25 ºC

SO ₃ beta = 344 mm Hg ở 25 ºC

SO ₃ gamma = 433 mm Hg ở 25 ºC

Điều này có nghĩa là dạng gamma có xu hướng dễ bay hơi hơn dạng beta và dạng beta hơn dạng alpha.

Ổn định

Dạng alpha là cấu trúc ổn định nhất, những dạng khác là dạng di căn, tức là chúng kém ổn định hơn.

Tính chất hóa học

SO ₃ phản ứng mạnh với nước tạo ra axit sunfuric H ₂ SO ₄ . Khi phản ứng xảy ra nhiều nhiệt nên hơi nước nhanh chóng thoát ra khỏi hỗn hợp.

Khi tiếp xúc với không khí, SO ₃ hút ẩm nhanh chóng, phát ra hơi đặc.

Nó là một chất khử nước rất mạnh, điều này có nghĩa là nó loại bỏ nước khỏi các vật liệu khác một cách dễ dàng.

Lưu huỳnh trong SO ₃ có ái lực với các điện tử tự do (nghĩa là các điện tử không nằm trong liên kết giữa hai nguyên tử) nên nó có xu hướng tạo phức với các hợp chất sở hữu chúng, chẳng hạn như pyridin, trimetylamin hoặc dioxan.

Phức hợp giữa lưu huỳnh trioxit và pyridin. 27. Nguồn: Wikimedia Commons.

Bằng cách tạo phức, lưu huỳnh “mượn” các electron từ hợp chất khác để lấp đầy chỗ thiếu chúng. Lưu huỳnh trioxit vẫn có sẵn trong các phức chất này, được sử dụng trong các phản ứng hóa học để cung cấp SO ₃ .

Nó là một thuốc thử sulfo hóa mạnh cho các hợp chất hữu cơ, có nghĩa là nó được sử dụng để dễ dàng thêm nhóm –SO ₃ - vào phân tử.

Nó phản ứng dễ dàng với oxit của nhiều kim loại để tạo ra sunfat của những kim loại này.

Nó ăn mòn kim loại, mô động vật và thực vật.

SO ₃ là một vật liệu khó xử lý vì một số lý do: (1) điểm sôi của nó tương đối thấp, (2) nó có xu hướng tạo thành polyme rắn ở nhiệt độ dưới 30 ºC và (3) nó có khả năng phản ứng cao đối với hầu hết chất hữu cơ và nước.

Có thể polyme hóa bùng nổ nếu nó không chứa chất ổn định và có hơi ẩm. Dimetyl sulfat hoặc oxit bo được sử dụng làm chất ổn định.

Thu được

Nó thu được bằng phản ứng ở 400ºC giữa lưu huỳnh đioxit SO ₂ và oxi phân tử O ₂ . Tuy nhiên, phản ứng xảy ra rất chậm và cần phải có chất xúc tác để tăng tốc độ của phản ứng.

2 SO ₂ + O ₂ ⇔ 2 SO ₃

Trong số các hợp chất làm tăng tốc độ phản ứng này là kim loại platin Pt, vanadi pentoxit V ₂ O ₅ , oxit sắt Fe ₂ O ₃ và oxit nitric NO.

Các ứng dụng

Trong quá trình chuẩn bị oleum

Một trong những ứng dụng chính của nó bao gồm điều chế oleum hoặc axit sulfuric bốc khói, được gọi như vậy vì nó phát ra hơi có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Để thu được nó, người ta hấp thụ SO ₃ trong axit sunfuric đặc H ₂ SO ₄ .

Oleum hoặc axit sunfuric bốc khói. Bạn có thể thấy khói trắng thoát ra từ chai. W. Oelen. Nguồn: Wikimedia Commons.

Điều này được thực hiện trong các tháp thép không gỉ đặc biệt, nơi axit sulfuric đậm đặc (là chất lỏng) đi xuống và SO ₃ ở dạng khí đi lên.

Chất lỏng và chất khí tiếp xúc và kết hợp với nhau, tạo thành oleum, một chất lỏng trông như dầu. Nó có một hỗn hợp của H ₂ SO ₄ và SO ₃ , nhưng nó cũng có các phân tử của axit disulfuric H ₂ S ₂ O ₇ và axit trisulfuric H ₂ S ₃ O ₁₀ .

Trong các phản ứng hóa học sulfo hóa

Sulfonation là một quá trình quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn để sản xuất chất tẩy rửa, chất hoạt động bề mặt, chất tạo màu, thuốc trừ sâu và dược phẩm.

SO ₃ đóng vai trò là tác nhân sulfo hóa để điều chế dầu sulfo hóa và chất tẩy rửa alkyl-aryl-sulfonat, cùng nhiều hợp chất khác. Sau đây là phản ứng sulfo hóa của một hợp chất thơm:

ArH + SO ₃ → ArSO ₃ H

Sulfonat benzen bằng SO ₃ . Pedro8410. Nguồn: Wikimedia Commons.

Đối với các phản ứng sulfo hóa, oleum hoặc SO ₃ có thể được sử dụng ở dạng phức của nó với pyridin hoặc với trimetylamin, trong số những chất khác.

Trong quá trình khai thác kim loại

Khí SO ₃ đã được sử dụng trong xử lý khoáng. Các oxit đơn giản của kim loại có thể được chuyển đổi thành các sulfat dễ hòa tan hơn bằng cách xử lý chúng với SO ₃ ở nhiệt độ tương đối thấp.

Các khoáng chất sunfua như pyrit (sunfua sắt), chalcosine (sunfua đồng) và millerit (niken sunfua) là những nguồn kim loại màu kinh tế nhất, vì vậy việc xử lý bằng SO ₃ cho phép dễ dàng thu được các kim loại này. và với chi phí thấp.

Sắt, niken và đồng sunfua phản ứng với khí SO ₃ ngay cả ở nhiệt độ phòng, tạo thành các sunfat tương ứng, rất dễ tan và có thể trải qua các quá trình khác để thu được kim loại nguyên chất.

Trong các mục đích sử dụng khác nhau

SO _{3 được} sử dụng để điều chế axit clorosulfuric, còn được gọi là axit clorosulfonic HSO ₃ Cl.

Lưu huỳnh trioxit là một chất oxy hóa rất mạnh và được sử dụng trong sản xuất chất nổ.

Rủi ro

Để sức khỏe

SO ₃ là một hợp chất có độc tính cao theo tất cả các con đường, đó là hít thở, nuốt phải và tiếp xúc với da.

Kích ứng và ăn mòn màng nhầy. Gây bỏng da và mắt. Hơi của nó rất độc khi hít phải. Bỏng bên trong, khó thở, đau ngực và phù phổi.

Lưu huỳnh trioxit SO3 rất ăn mòn và nguy hiểm. Tác giả: OpenIcons. Nguồn: Pixabay.

Nó là chất độc. Ăn phải nó gây bỏng nghiêm trọng miệng, thực quản và dạ dày. Hơn nữa, nó còn bị nghi ngờ là chất gây ung thư.

Khỏi cháy hoặc nổ

Nó có nguy cơ cháy nổ khi tiếp xúc với các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ như gỗ, sợi, giấy, dầu, bông, và những vật liệu khác, đặc biệt nếu chúng bị ướt.

Cũng có rủi ro nếu bạn tiếp xúc với bazơ hoặc chất khử. Nó kết hợp với nước một cách bùng nổ, tạo thành axit sulfuric.

Tiếp xúc với kim loại có thể tạo ra khí hiđro H ₂ rất dễ cháy.

Nên tránh đun nóng trong lọ thủy tinh để tránh làm vỡ hộp.

Tác động môi trường

SO ₃ được coi là một trong những chất ô nhiễm chính có trong bầu khí quyển của trái đất. Điều này là do vai trò của nó trong việc hình thành các sol khí và góp phần tạo ra mưa axit (do sự hình thành axit sunfuric H ₂ SO ₄ ).

Rừng bị tàn phá do mưa axit ở Cộng hòa Séc. Lovecz. Nguồn: Wikimedia Commons.

SO ₃ được tạo thành trong khí quyển do quá trình oxy hóa lưu huỳnh đioxit SO ₂ . Khi SO _{3 được} tạo thành, nó phản ứng nhanh với nước tạo thành axit sunfuric H ₂ SO ₄ . Theo các nghiên cứu gần đây, có nhiều cơ chế khác để biến đổi SO ₃ trong khí quyển, nhưng do lượng nước lớn trong khí quyển, nhiều khả năng SO ₃ chủ yếu chuyển thành H ₂ SO ₄ .

Không được thải khí SO ₃ hoặc chất thải công nghiệp dạng khí có chứa nó vào khí quyển vì nó là chất ô nhiễm nguy hiểm. Nó là một chất khí có phản ứng mạnh và như đã đề cập ở trên, khi có độ ẩm trong không khí, SO ₃ chuyển thành axit sunfuric H ₂ SO ₄ . Do đó, trong không khí, SO ₃ tồn tại ở dạng axit sunfuric, tạo thành các giọt nhỏ hoặc bọt khí.

Nếu các giọt axit sulfuric đi vào đường hô hấp của người hoặc động vật, chúng sẽ phát triển kích thước nhanh chóng do độ ẩm có mặt ở đó, do đó chúng có cơ hội xâm nhập vào phổi. Một trong những cơ chế mà sương mù axit của H ₂ SO ₄ (tức là SO ₃ ) có thể tạo ra độc tính mạnh là do nó làm thay đổi độ pH ngoại bào và nội bào của các sinh vật sống (thực vật, động vật và con người).

Theo một số nhà nghiên cứu, sương mù SO ₃ là nguyên nhân làm gia tăng bệnh hen ở một vùng của Nhật Bản. Sương mù SO ₃ có tác dụng ăn mòn kim loại rất mạnh, do đó các công trình kim loại do con người xây dựng như một số cây cầu và tòa nhà có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng.

SO ₃ lỏng không được thải bỏ trong cống rãnh hoặc cống rãnh. Nếu tràn vào cống rãnh, nó có thể gây ra nguy cơ cháy nổ. Nếu vô tình bị đổ, không được hướng dòng nước vào sản phẩm. Nó không bao giờ được hấp thụ trong mùn cưa hoặc chất hấp thụ dễ cháy khác, vì nó có thể gây cháy.

Nó phải được hấp thụ trong cát khô, đất khô hoặc chất hấp thụ trơ hoàn toàn khô khác. SO ₃ không được thải ra môi trường và không được phép tiếp xúc với nó. Cần tránh xa nguồn nước vì nó tạo ra axit sulfuric có hại cho các sinh vật dưới nước và trên cạn.

Người giới thiệu

1. Sarkar, S. và cộng sự. (2019). Ảnh hưởng của amoniac và nước đến số phận của sunfua trioxit trong tầng đối lưu: Điều tra lý thuyết về con đường hình thành axit sulfamic và axit sulfuric. J Phys Chem A. 2019; 123 (14): 3131-3141. Đã khôi phục từ ncbi.nlm.nih.gov.
2. Muller, TL (2006). Axit sunfuric và lưu huỳnh trioxit. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Tập 23. Khôi phục từ onlinelibrary.wiley.com.
3. Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ. (2019). Lưu huỳnh trioxit. Đã khôi phục từ pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
4. Kikuchi, R. (2001). Quản lý Môi trường về Phát thải Sulfur Trioxide: Tác động của SO ₃ đối với Sức khỏe Con người. Quản lý Môi trường (2001) 27: 837. Phục hồi từ link.springer.com.
5. Cotton, F. Albert và Wilkinson, Geoffrey. (1980). Hóa học Vô cơ nâng cao. Ấn bản thứ tư. John Wiley và các con trai.
6. Ismail, MI (1979). Khai thác kim loại từ lưu huỳnh bằng cách sử dụng lưu huỳnh trioxit trong tầng sôi. J. Chem. Tech. Biotechnol. Năm 1979, 29, 361-366. Được khôi phục từ onlinelibrary.wiley.com.