Bài học

Cấu tạo, tính chất vật lí và trạng thái tự nhiên của sulfur

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được vị trí sulfur trong bảng tuần hoàn, nêu được tính chất vật lí đặc trưng và hai dạng thù hình chính của sulfur, đồng thời giải thích được vì sao sulfur tồn tại phổ biến trong tự nhiên ở cả dạng đơn chất lẫn hợp chất.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 3, em đã học nitrogen — phi kim nhóm VA có phân tử N2 bền do liên kết ba. Sulfur (S), số hiệu nguyên tử 16, thuộc nhóm VIA, chu kỳ 3, có 6 electron lớp ngoài cùng — cấu hình electron $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ . Em cũng cần nhớ lại khái niệm dạng thù hình đã gặp ở carbon (than chì, kim cương) trong chương trình lớp 9: cùng một nguyên tố nhưng cấu trúc mạng tinh thể khác nhau cho tính chất vật lí khác nhau.

Ở Course 3, em đã học nitrogen — phi kim nhóm VA có phân tử N2 bền do liên kết ba. Sulfur (S), số hiệu nguyên tử 16, thuộc nhóm VIA, chu kỳ 3, có 6 electron lớp ngoài cùng — cấu hình electron $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$. Em cũng cần nhớ lại khái niệm dạng thù hình đã gặp ở carbon (than chì, kim cương) trong chương trình lớp 9: cùng một nguyên tố nhưng cấu trúc mạng tinh thể khác nhau cho tính chất vật lí khác nhau.

Khởi động

Ở nhiều vùng núi lửa và suối nước nóng, người ta tìm thấy những tinh thể màu vàng chanh đóng thành khối quanh miệng phun khí. Đó là sulfur tự nhiên — một trong số ít phi kim tồn tại sẵn ở dạng đơn chất trong tự nhiên, không cần qua phản ứng hóa học nào. Vì sao sulfur lại kết tinh sẵn thành khối như vậy?

Kiến thức trọng tâm

Ở điều kiện thường, các nguyên tử S liên kết cộng hóa trị khép thành phân tử vòng 8 nguyên tử, công thức $S_8$ , xếp thành mạng tinh thể phân tử. Sulfur tồn tại ở hai dạng thù hình: sulfur tà phương (kí hiệu $S_\alpha$ , bền ở nhiệt độ dưới 95,5°C) và sulfur đơn tà (kí hiệu $S_\beta$ , bền trên 95,5°C) — cùng công thức phân tử $S_8$ , chỉ khác cách sắp xếp các phân tử trong mạng tinh thể, chuyển hóa thuận nghịch lẫn nhau khi nhiệt độ thay đổi.

Về tính chất vật lí: sulfur là chất rắn màu vàng, giòn; ở dạng tinh khiết gần như không mùi (mùi hắc ta ngửi thấy khi đốt sulfur là mùi khí SO2 sinh ra, không phải mùi của sulfur); không tan trong nước, nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như carbon disulfide ( $CS_2$ ) — tính chất này được dùng để thu hồi sulfur lẫn trong đất đá. Sulfur nóng chảy ở khoảng 113°C thành chất lỏng vàng, linh động; đun nóng thêm, chất lỏng quánh dần và sẫm màu; sôi ở 445°C.

Sulfur là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất, tồn tại ở cả hai dạng: đơn chất (mỏ sulfur tự nhiên gần miệng núi lửa, suối nước nóng, hình thành do khí $H_2S$ / $SO_2$ thoát ra từ lòng đất bị oxi hóa một phần ngay trong không khí) và hợp chất (khoáng vật sulfide như pyrite $FeS_2$ , galena $PbS$ ; khoáng vật sulfate như thạch cao $CaSO_4.2H_2O$ ; trong dầu mỏ, khí thiên nhiên, và cả trong cơ thể sinh vật — các amino acid như cysteine, methionine đều chứa sulfur).

Trong công nghiệp, sulfur là nguyên liệu chính để sản xuất sulfuric acid (học ở các chương sau), dùng lưu hóa cao su (sulfur tạo cầu nối giữa các mạch polymer cao su, giúp cao su bền và đàn hồi hơn), và dùng sản xuất diêm, thuốc trừ sâu, thuốc súng đen.

Sulfur ở ô 16, nhóm VIA, chu kỳ 3. Có 6 electron lớp ngoài cùng nên sulfur có xu hướng nhận thêm 2 electron để đạt cấu hình bền của khí hiếm — giống oxygen (cũng nhóm VIA), nhưng sulfur ở chu kỳ dưới nên bán kính nguyên tử lớn hơn, độ âm điện thấp hơn oxygen. Ở điều kiện thường, các nguyên tử S liên kết cộng hóa trị khép thành phân tử vòng 8 nguyên tử, công thức $S_8$, xếp thành mạng tinh thể phân tử. Sulfur tồn tại ở hai dạng thù hình: sulfur tà phương (kí hiệu $S_\alpha$, bền ở nhiệt độ dưới 95,5°C) và sulfur đơn tà (kí hiệu $S_\beta$, bền trên 95,5°C) — cùng công thức phân tử $S_8$, chỉ khác cách sắp xếp các phân tử trong mạng tinh thể, chuyển hóa thuận nghịch lẫn nhau khi nhiệt độ thay đổi. Về tính chất vật lí: sulfur là chất rắn màu vàng, giòn; ở dạng tinh khiết gần như không mùi (mùi hắc ta ngửi thấy khi đốt sulfur là mùi khí SO2 sinh ra, không phải mùi của sulfur); không tan trong nước, nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như carbon disulfide ($CS_2$) — tính chất này được dùng để thu hồi sulfur lẫn trong đất đá. Sulfur nóng chảy ở khoảng 113°C thành chất lỏng vàng, linh động; đun nóng thêm, chất lỏng quánh dần và sẫm màu; sôi ở 445°C. Sulfur là nguyên tố phổ biến trong vỏ Trái Đất, tồn tại ở cả hai dạng: đơn chất (mỏ sulfur tự nhiên gần miệng núi lửa, suối nước nóng, hình thành do khí $H_2S$/$SO_2$ thoát ra từ lòng đất bị oxi hóa một phần ngay trong không khí) và hợp chất (khoáng vật sulfide như pyrite $FeS_2$, galena $PbS$; khoáng vật sulfate như thạch cao $CaSO_4.2H_2O$; trong dầu mỏ, khí thiên nhiên, và cả trong cơ thể sinh vật — các amino acid như cysteine, methionine đều chứa sulfur). Trong công nghiệp, sulfur là nguyên liệu chính để sản xuất sulfuric acid (học ở các chương sau), dùng lưu hóa cao su (sulfur tạo cầu nối giữa các mạch polymer cao su, giúp cao su bền và đàn hồi hơn), và dùng sản xuất diêm, thuốc trừ sâu, thuốc súng đen.

Ví dụ

Xác định vị trí và tính chất vật lí cơ bản

1
Nguyên tử sulfur có số hiệu nguyên tử Z = 16. Xác định vị trí của sulfur trong bảng tuần hoàn (chu kỳ, nhóm) và cho biết công thức phân tử của sulfur ở điều kiện thường.
2
Cấu hình electron: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$ . Lớp electron ngoài cùng là lớp thứ 3 ( $n=3$ ) nên sulfur thuộc chu kỳ 3. Lớp ngoài cùng có 6 electron (2 ở 3s, 4 ở 3p) nên sulfur thuộc nhóm VIA.
Cấu hình electron: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^4$. Lớp electron ngoài cùng là lớp thứ 3 ($n=3$) nên sulfur thuộc chu kỳ 3. Lớp ngoài cùng có 6 electron (2 ở 3s, 4 ở 3p) nên sulfur thuộc nhóm VIA.
3
Ở điều kiện thường, các nguyên tử S liên kết cộng hóa trị khép thành vòng 8 nguyên tử, công thức phân tử là $S_8$ .
Ở điều kiện thường, các nguyên tử S liên kết cộng hóa trị khép thành vòng 8 nguyên tử, công thức phân tử là $S_8$.
4
Sulfur thuộc ô 16, chu kỳ 3, nhóm VIA; công thức phân tử ở điều kiện thường là $S_8$ , tồn tại ở hai dạng thù hình tà phương và đơn tà.
Sulfur thuộc ô 16, chu kỳ 3, nhóm VIA; công thức phân tử ở điều kiện thường là $S_8$, tồn tại ở hai dạng thù hình tà phương và đơn tà.

Ví dụ

Giải thích hiện tượng thực tế: tinh thể vàng ở khe nứt hầm mỏ

1
Ở một số hầm mỏ than, người ta quan sát thấy các tinh thể màu vàng bám quanh miệng khe nứt nơi có khí thoát ra. Hãy giải thích cơ chế hình thành các tinh thể này, biết trong khí thoát ra có lẫn khí hydrogen sulfide ( $H_2S$ ).
Ở một số hầm mỏ than, người ta quan sát thấy các tinh thể màu vàng bám quanh miệng khe nứt nơi có khí thoát ra. Hãy giải thích cơ chế hình thành các tinh thể này, biết trong khí thoát ra có lẫn khí hydrogen sulfide ($H_2S$).
2
Khí $H_2S$ thoát ra từ lòng đất gặp oxygen trong không khí sẽ bị oxi hóa một phần: $2H_2S + O_2 \to 2S + 2H_2O$ . Khi lượng oxygen không đủ để oxi hóa tiếp, phản ứng dừng lại ở sulfur đơn chất thay vì tạo $SO_2$ .
Khí $H_2S$ thoát ra từ lòng đất gặp oxygen trong không khí sẽ bị oxi hóa một phần: $2H_2S + O_2 \to 2S + 2H_2O$. Khi lượng oxygen không đủ để oxi hóa tiếp, phản ứng dừng lại ở sulfur đơn chất thay vì tạo $SO_2$.
3
Sulfur sinh ra ở dạng hơi hoặc rắn mịn, gặp môi trường lạnh hơn ở miệng khe nứt sẽ ngưng tụ và kết tinh dần thành các tinh thể màu vàng đặc trưng, giống cách sulfur tự nhiên hình thành quanh miệng núi lửa.
4
Đây chính là cơ chế sulfur tồn tại ở dạng đơn chất ngay trong tự nhiên, không cần con người thực hiện phản ứng hóa học nào — khí chứa lưu huỳnh thoát ra rồi tự oxi hóa một phần trong không khí.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm mùi hắc đặc trưng khi đốt sulfur là "mùi của sulfur", trong khi sulfur tinh khiết ở thể rắn hầu như không mùi. Mùi hắc, khó chịu đó thực chất là mùi của khí SO2 sinh ra khi sulfur cháy — sẽ học kỹ ở bài sau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Sulfur (Z=16, nhóm VIA, chu kỳ 3) tồn tại dạng phân tử S8; hai dạng thù hình tà phương/đơn tà; chất rắn vàng, giòn, không tan nước, tan trong CS2; có trong tự nhiên ở dạng đơn chất (núi lửa) và hợp chất (sulfide, sulfate).

Bài tiếp theo học tính chất hóa học của sulfur: khi nào sulfur thể hiện tính oxi hóa, khi nào thể hiện tính khử, và điều đó phụ thuộc vào chất phản ứng cùng ra sao.