là nguyên tố hĩa học trong bảng tuần hồn cĩ ký hiệu S và số nguyên tử 16. Nĩ là một phi kim phổ biến, khơng mùi, khơng vị, nhiều hĩa trị. Lưu huỳnh, trong dạng gốc của nĩ là chất rắn kết tinh màu vàng chanh. Trong tự nhiên, nĩ cĩ thể tìm thấy ở dạng đơn chất hay trong các khống chất sunfua và sulfat. Nĩ là một nguyên tố thiết yếu cho sự sống và được tìm thấy trong hai axít amin. Sử dụng thương mại của nĩ chủ yếu trong các phân bĩn nhưng cũng được dùng rộng rãi trong thuốc súng, diêm, thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm.
Các đặc trưng nổi bật
Một mẩu lưu huỳnh nĩng chảy thành chất lỏng màu đỏ máu. Ngọn lửa màu xanh lam của nĩ cĩ thể quan sát tốt nhất trong bĩng tối.
Ở nhiệt độ phịng, lưu huỳnh là một chất rắn xốp màu vàng nhạt. Mặc dù lưu huỳnh khơng được ưa thích do mùi của nĩ - thường xuyên bị so sánh với mùi trứng ung - mùi này thực ra là đặc trưng của sulfua hiđrơ (H2S); cịn lưu huỳnh đơn chất khơng cĩ mùi. Nĩ cháy với ngọn lửa màu xanh lam và tỏa ra điơxít lưu huỳnh, với mùi ngột ngạt dị thường. Lưu huỳnh khơng hịa tan trong nước nhưng hịa tan trong đisulfua cacbon và các dung mơi khơng phân cực khác. Các trạng thái ơxi hĩa phổ biến của nĩ là -2, +2, +4 và +6. Lưu huỳnh tạo thành các hợp chất ổn định với gần như mọi nguyên tố, ngoại trừ các khí trơ.
Lưu huỳnh trong trạng thái rắn thơng thường tồn tại như là các phân tử vịng dạng vịng hoa S8.
Lưu huỳnh cĩ nhiều thù hình bên cạnh S8. Loại một nguyên tử từ vịng sẽ là S7, đây là nguyên nhân cho màu vàng đặc trưng của lưu huỳnh. Nhiều vịng khác cũng được điều chế ra, bao gồm S12 và S18. Trái lại, nguyên tố ơxy cùng phân nhĩm nhưng nhẹ hơn về cơ bản chỉ tồn tại trong hai dạng cơ bản cĩ ý nghĩa hĩa học là: O2 và O3. Selen, nguyên tố nặng hơn cùng phân nhĩm với lưu huỳnh cĩ thể tạo ra các vịng nhưng thơng thường nĩ nằm trong chuỗi polyme.
Tinh thể lưu huỳnh rất phức tạp. Phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, các thù hình của lưu huỳnh tạo thành vài cấu trúc tinh thể khác nhau, với các dạng hình thoi và xiên đơn S8 là các dạng được nghiên cứu kỹ nhất.
Một tính chất đáng chú ý là độ nhớt của lưu huỳnh nĩng chảy, khơng giống như phần lớn các chất lỏng khác, tăng lên theo nhiệt độ do sự hình thành các chuỗi polyme. Tuy nhiên, sau khi đã đạt được một khoảng nhiệt độ nhất định thì độ nhớt lại bị giảm do đã đủ năng lượng để phá vỡ chuỗi polyme.
Lưu huỳnh vơ định hình hay "dẻo" cĩ thể được tạo ra khi làm nguội nhanh lưu huỳnh nĩng chảy. Các nghiên cứu tinh thể bằng tia X chỉ ra rằng dạng vơ định hình cĩ thể cĩ cấu trúc xoắn ốc với 8 nguyên tử trên một vịng. Dạng này là ổn định động ở nhiệt độ phịng và dần dần chuyển ngược thành dạng kết tinh. Tiến trình này diễn ra trong vịng vài giờ hay vài ngày nhưng cĩ thể tăng tốc nhờ xúc tác.
Ứng dụng
sản xuất axit sulfuric ở thế kỉ XVI
Lưu huỳnh cĩ nhiều ứng dụng cơng nghiệp. Thơng qua dẫn xuất chính của nĩ là axít sulfuric (H2SO4), lưu huỳnh được đánh giá là một trong các nguyên tố quan trọng nhất được sử dụng như là nguyên liệu cơng nghiệp. Nĩ là quan trọng bậc nhất đối với mọi lĩnh vực của nền kinh tế thế giới.
Sản xuất axít sulfuric là sử dụng chủ yếu của lưu huỳnh, và việc tiêu thụ axít sulfuric được coi như một trong các chỉ số tốt nhất về sự phát triển cơng nghiệp của một quốc gia. Axít sulfuric được sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ nhiều hơn bất kỳ hĩa chất cơng nghiệp nào khác.
Lưu huỳnh cũng được sử dụng trong ắc quy, bột giặt, lưu hĩa cao su, thuốc diệt nấm và trong sản xuất các phân bĩn phốtphat. Các sulfit được sử dụng để làm trắng giấy và làm chất bảo quản trong rượu vang và làm khơ hoa quả. Do bản chất dễ cháy của nĩ, lưu huỳnh cũng được dùng trong các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa. Các thiosulfat natri và amơni được sử dụng như là các tác nhân cố định trong nhiếp ảnh. Sulfat magiê, được biết dưới tên gọi muối Epsom cĩ thể dùng như thuốc
nhuận tràng, chất bổ sung cho các bình ngâm (xử lý hĩa học), tác nhân làm trĩc vỏ cây, hay để bổ sung magiê cho cây trồng.
Cuối thế kỷ 18, các nhà sản xuất đồ gỗ sử dụng lưu huỳnh nĩng chảy để tạo ra các lớp khảm trang trí trong các sản phẩm của họ. Do điơxít lưu huỳnh được tạo ra trong q chình nung chảy lưu huỳnh nên các đồ gỗ với lớp khảm lưu huỳnh đã bị loại bỏ rất nhanh.
Vai trị sinh học
Các axít amin cystein và methionin chứa lưu huỳnh, cũng như mọi polypeptid, protein và enzym cĩ chứa các axít amin này. Điều đĩ làm cho lưu huỳnh trở thành thành phần cần thiết cho mọi tế bào. Các liên kết disulfua giữa các polypeptid là rất quan trọng trong sự tạo thành và cấu trúc của protein. Homocystein và taurin cũng là các axít amin chứa lưu huỳnh nhưng nhưng khơng được mã hĩa bởi ADN và chúng cũng khơng phải là một phần của cấu trúc sơ cấp của các protein. Một số dạng vi khuẩn sử dụng sulfua hiđrơ (H2S) thay vào vị trí của nước như là chất cung cấp electron trong các tiến trình thơ sơ tương tự như quang hợp. Thực vật cũng hấp thụ lưu huỳnh từ đất trong dạng các ion sulfat. Lưu huỳnh vơ cơ tạo thành một phần của các cụm sắt-lưu huỳnh, và lưu huỳnh là chất cầu nối trong vị trí CuA của cytochrom c ơxidaza. Lưu huỳnh là thành phần quan trọng của coenzym A
Ảnh hưởng mơi trường
Sự đốt cháy than và dầu mỏ trong cơng nghiệp và các nhà máy điện giải phĩng ra một lượng lớn điơxít lưu huỳnh SO2, nĩ sẽ phản ứng với hơi nước và ơxy cĩ trong khí quyển để tạo ra axít sulfuric. Đây là nguyên nhân của các trận mưa axít và làm giảm pH của đt cũng như các khu vực chứa nước ngọt, tạo ra những tổn thất đáng kể cho mơi trường tư nhiên và gây ra phong hĩa hĩa học đối với các cơng trình xây dựng và kiến trúc. Các tiêu chuẩn về nhiên liệu đã thắt chặt các chỉ tiêu về hàm lượng lưu huỳnh trong các nhiên liệu hĩa thạch để giảm thiểu sự hình thành của mưa axít.Lưu huỳnh được tách ra từ các nhiên liệu này sau đĩ sẽ được làm tinh khiết và tạo ra một phần lớn của sản lượng lưu huỳnh được sản xuất.
Lịch sử
Tinh thể lưu huỳnh.
Lưu huỳnh (tiếng Phạn, sulvere; tiếng Latinh sulpur) đã được biết đến từ thời cổ đại, và nĩ được nhắc đến trong Pentateuch của Kinh Thánh (Sáng thế ký). Các phiên dịch ra tiếng Anh của nĩ đều coi lưu huỳnh
như là "brimstone", tạo ra tên gọi của các bài thuyết giáo 'Fire and brimstone', trong đĩ địa ngục và sự quở trách của Thượng đế đối với những kẻ cĩ tội được nhấn mạnh. Nĩ cĩ từ phần của Kinh Thánh cho rằng địa ngục cĩ mùi của lưu huỳnh.
Trong tiếng Ả Rập sufra cĩ nghĩa là màu vàng, cĩ từ màu sáng của dạng tự nhiên của lưu huỳnh và người ta cho rằng nĩ là nguyên từ của các tên gọi để chỉ lưu huỳnh trong ngơn ngữ của một số quốc gia châu Âu hiện nay.
Homer đã đề cập tới "lưu huỳnh ngăn ngừa các lồi phá hoại" từ thế kỷ 9 TCN và năm 424 TCN thì bộ tộc ở Boeotia đã tiêu hủy các bức tường của thành phố bằng cách đốt hỗn hợp than, lưu huỳnh và hắc ín dưới chân tường.
Vào khoảng thế kỷ 12, người Trung Quốc đã phát minh ra thuốc súng, nĩ là hỗn hợp của nitrat kali (KNO3), cacbon và lưu huỳnh. Các nhà giả kim thuật ban đầu cho lưu huỳnh ký hiệu giả kim thuật là một tam giác ở đỉnh của chữ thập. Vào những năm cuối thập niên 1770, Antoine Lavoisier đã củng cố niềm tin của cộng đồng khoa học khi cho rằng lưu huỳnh là một nguyên tố chứ khơng phải hợp chất.
Năm 1867 lưu huỳnh đã được phát hiện trong các mỏ ở Louisiana và Texas. Lớp nằm trên của nĩ là cát chảy đã ngăn cản các hoạt động khai thác thơng thường. Vì thế quy trình Frasch đã nảy sinh và được thực hiện.
Sự phổ biến
Lưu huỳnh.
Lưu huỳnh dạng đơn chất cĩ thể tìm thấy ở gần các suối nước nĩng và các khu vực núi lửa tại nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là dọc theo vành đai lửa Thái Bình Dương. Các nguồn phổ biến này là cơ sở cho tên gọi truyền thống brimstone, do lưu huỳnh cĩ thể tìm thấy gần các miệng núi lửa. Các trầm tích núi lửa hiện được khai thác tại Indonesia, Chile và Nhật Bản. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các mỏ đáng kể của lưu huỳnh đơn chất cũng tồn tại trong các mỏ muối dọc theo bờ biển thuộc vịnh Mexico và trong các evaporit ở Đơng Âu và Tây Á. Lưu huỳnh trong các mỏ này được cho là cĩ được nhờ hoạt động của các vi khuẩn kỵ khí đối với các khống chất sulfat, đặc biệt là thạch cao. Các mỏ này là nền tảng của sản xuất lưu huỳnh cơng nghiệp tại Hoa Kỳ, Ba Lan, Nga, Turkmenistan và Ukraina.
Lưu huỳnh thu được từ dầu mỏ, khí đốt và cát dầu Athabasca đã trở thành nguồn cung cấp lớn trên thị trường, với các kho dự trữ lớn dọc theo Alberta.
Lưu huỳnh khai thác ở Alberta, được chuẩn bị giao hàng tại Vancouver, B. C..
Các hợp chất chứa lưu huỳnh nguồn gốc tự nhiên phổ biến nhất là các sulfua kim loại, như pyrit (sulfua sắt), cinnabar hay chu sa (sulfua thủy ngân), galen (sulfua chì), sphalerit (sulfua kẽm) và stibnit (sulfua antimon) cũng như các sulfat kim loại, như thạch cao (sulfat canxi), alunit (sulfat nhơm kali) và barit (sulfat bari). Sulfua hiđrơ là một chất khí tạo ra mùi đặc trưng của trứng thối. Trong tự nhiên, nĩ cĩ trong các sản phẩm phun trào từ núi lửa, chẳng hạn từ các miệng phun thủy nhiệt, và do tác động của vi khuẩn với các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh khi bị phân hủy.
Các màu đặc trưng của các vệ tinh núi lửa của sao Mộc, như Io, là do các dạng khác nhau của lưu huỳnh gây ra (nĩng chảy, rắn hay khí). Các khu vực sẫm màu trên Mặt Trăng gần hố Aristarchus cĩ thể là mỏ lưu huỳnh. Lưu huỳnh cũng tồn tại trong nhiều loại thiên thạch.
Hợp chất
Sulfua hiđrơ cĩ mùi đặc trưng của trứng thối. Khi hịa tan trong nước nĩ cĩ tính axít và phản ứng với nhiều kim loại để tạo ra các sulfua kim loại. Các sulfua kim loại khá phổ biến, đặc biệt là của sắt. Sulfua sắt cịn được gọi là pyrit cũng như khống sản màu vàng. Một điều thú vị là pyrit cĩ các tính chất bán dẫn [1]. Galen là sulfua chì tự nhiên, là chất bán dẫn đầu tiên được phát hiện và nĩ đã từng được dùng làm bộ chỉnh lưu tín hiệu trong các "râu mèo" của các radio tinh thể đầu tiên.
Nhiều hợp chất hữu cơ của lưu huỳnh với mùi khĩ ngửi như các êtyl và mêtyl mecaptan được dùng làm chất tạo mùi cho khí đốt nhằm dễ dàng phát hiện rị rỉ. Mùi của tỏi và "mùi hơi như chồn hơi" cũng do các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh gây ra. Tuy nhiên, khơng phải mọi hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh đều cĩ mùi khĩ ngửi, chẳng hạn, terpen-một hợp chất chứa lưu huỳnh là tác nhân tạo ra mùi thơm đặc trưng của quả bưởi chùm.
Nitrua lưu huỳnh polyme hĩa cĩ các tính chất của kim loại mặc dù nĩ khơng chứa bất kỳ một nguyên tử kim loại nào. Hợp chất này cũng cĩ các tính chất điện và quang học bất thường. Polyme này cĩ thể tạo ra từ têtranitrua têtra lưu huỳnh S4N4.
Các hợp chất quan trọng khác của lưu huỳnh cịn cĩ:
Vơ cơ:
• Các sulfua (S2-) là các hợp chất đơn giản nhất của lưu huỳnh với các nguyên tố hĩa học khác.
• Các sulfit (SO32-), các muối của axít sulfurơ, H2SO3, được tạo ra bằng cách hịa tan SO2 trong nước. Axít sulfurơ và các sulfit tương ứng là các chất khử tương đối mạnh. Các hợp chất dẫn xuất khác từ SO2 cịn cĩ các ion pyrosulfit hay mêtabisulfit (S2O52−).
• Các sulfat (SO42-), các muối của axít sulfuric. Axít sulfuric cũng phản ứng với SO3 trong
các tỷ lệ đẳng phân tử gam để tạo ra axít pyrosulfuric (H2S2O7).
• Các thiơsulfat (đơi khi được gọi là thiơsulfit hay "hyposulfit") (S2O32−)- như thiơsulfat natri được dùng như các chất cố định trong nhiếp ảnh (trong vai trị của các chất khử) và thiơsulfat amơni đã được phát hiện như là chất thay thế cho các xyanua trong lọc quặng vàng.
• Đithiơnit natri, Na2S2O4 tạo ra từ axít hyposulfurơ/đithiơnơ - là một chất khử mạnh. • Đithiơnat natri (Na2S2O6)
• Các a xít polythiơnic (H2SnO6), trong đĩ n dao động từ 3 đến 80.
• Axít perơxymơnơsulfuric (H2SO5) và axít perơxyđisulfuric (H2S2O8)-được điều chế từ phản
ứng của SO3 hay H2SO4 với H2O2 đậm đặc một cách tương ứng. • Các polisulfua natri (Na2Sx)
• Hexaflorua lưu huỳnh , SF6, một tác nhân đẩy nặng, dạng khí, khơng phản ứng và khơng
độc
• Têtranitrua têtra lưu huỳnh S4N4.
• Các thiơxyanat là các hợp chất chứa ion thiơxyanat, SCN-. Liên quan đến các ion này là thiơxyanơgen, (SCN)2.
Hữu cơ:
• đimêtyl sulfơniơprơpiơnat (DMSP; (CH3 )2S+CH2CH2COO-) là thành phần trung tâm của chu trình lưu huỳnh hữu cơ trong đại dương.
• Các thiơête là các phân tử với cơng thức tổng quát dạng R-S-R′, trong đĩ R và R′ là các nhĩm hữu cơ. Các chất này là sự tương đương của các ête (lưu huỳnh thay thế ơxy).
• Các thiol (hay mecaptan) là các phân tử với nhĩm chức -SH. Chúng là các chất tương đương với rượu (lưu huỳnh thay thế ơxy).
• Các thiolat cĩ nhĩm chức -S- gắn vào. Chúng là các chất tương đương của các ankoxit (lưu huỳnh thay thế ơxy).
• Sulfơxít là các phân tử với nhĩm chức R-S(=O)-R′, trong đĩ R và R′ là các nhĩm hữu cơ. Một chất phổ biến trong số các sulfơxít là DMSO. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
• Sulfon là các phân tử với nhĩm chức R-S(=O)-R′, trong đĩ R và R′ là các nhĩm hữu cơ. • Thuốc thử Lawesson là thuốc thử hĩa học cĩ thể lấy ơxy từ các chất hữu cơ khác và thay
nĩ bằng lưu huỳnh.
Đồng vị
Lưu huỳnh cĩ 18 đồng vị, trong đĩ 4 đồng vị ổn định: S32 (95,02%), S33 (0,75%), S34 (4,21%) và S36 (0,02%). Các đồng vị khác và S35 là các đồng vị phĩng xạ và cĩ chu kỳ bán rã ngắn. S35 được tạo ra từ sự bắn phá của các tia vũ trụ với Ar40 trong khí quyển Trái Đất. Nĩ cĩ chu kỳ bán rã là 87 ngày.
Khi các khống chất sulfua theo nước mưa xuống đất thì cân bằng đồng vị giữa các thể rắn và các thể lỏng cĩ thể sinh ra sự sai biệt nhỏ trong các giá trị của dS34 của các khống chất cùng nguồn gốc. Sự khác biệt trong các khống chất cĩ thể sử dụng để ước tính nhiệt độ của cân bằng. dC13 và dS34 của các cacbonat cùng tồn tại và các sulfua cĩ thể sử dụng để xác định pH và độ khĩ giữ ơxy của các chất lỏng mang theo quặng trong quá trình hình thành quặng.
Trong phần lớn các hệ sinh thái rừng, sulfat chủ yếu thu được từ khí quyển hay sự phong hĩa của các quặng khống sản và các chất đã thốt hơi nước cũng cung cấp một lượng lưu huỳnh nhỏ. Lưu huỳnh với thành phần đồng vị đặc biệt được sử dụng để xác định các nguồn ơ nhiễm, và lưu huỳnh được làm giàu được thêm vào dưới dạng dấu vết trong các nghiên cứu thủy học. Các khác biệt trong độ phổ biến tự nhiên cũng được sử dụng trong các hệ thống mà trong đĩ cĩ các biến đổi đủ lớn của S34 trong thành phần của hệ sinh thái.
Phịng ngừa
Các chất như đisulfua cacbon, ơxysulfua cacbon, sulfua hiđrơ và điơxít lưu huỳnh cần phải rất cẩn thận khi tiếp xúc.
Mặc dù điơxít lưu huỳnh là khá an tồn để sử dụng như là phụ gia thực phẩm với một lượng nhỏ, nhưng khi ở nồng độ cao nĩ phản ứng với hơi ẩm để tạo ra axít sulfurơ mà với một lượng đủ lớn cĩ thể gây tổn thương cho phổi, mắt hay các cơ quan khác. Trong các sinh vật khơng cĩ phổi như