Sulfur dioxide (SO₂) | Tính chất, điều chế và ứng dụng

Sulfur dioxide (SO₂) là oxide acid, vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử. Khí SO₂ được dùng trong sản xuất sulfuric acid và tẩy trắng, đồng thời góp phần gây ô nhiễm không khí và mưa acid.

Bài viết hệ thống khái niệm, tính chất vật lí, tính chất hóa học, phương trình phản ứng, điều chế, ứng dụng và biện pháp giảm phát thải sulfur dioxide theo chương trình Hóa học 11, bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống, kèm bài tập vận dụng có lời giải.

Sulfur dioxide là gì?

Sulfur dioxide là hợp chất oxide của sulfur, có công thức hóa học là SO₂ và phân tử khối bằng 64. Hợp chất này còn được gọi là lưu huỳnh đioxit, khí sunfurơ; “sulphur dioxide” là một cách viết tiếng Anh khác. [1]

Theo quy tắc số oxi hóa, oxygen có số oxi hóa −2 nên sulfur trong SO₂ có số oxi hóa +4; số oxi hóa không đồng nhất với điện tích hình thức. Trong thang số oxi hóa phổ biến của nguyên tố sulfur (gồm −2, 0, +4 và +6), mức +4 là số oxi hóa trung gian. [1]

Chính vị trí số oxi hóa trung gian S(+4) là cơ sở quan trọng quyết định tính chất hóa học đặc trưng của sulfur dioxide. Khi tham gia các phản ứng oxi hóa – khử, nguyên tử sulfur trong SO₂ vừa có thể giảm số oxi hóa xuống 0, vừa có thể tăng số oxi hóa lên +6. [1] [2]

Tính chất vật lý của sulfur dioxide

Ở điều kiện thường, sulfur dioxide là chất khí không màu và có mùi hắc rất đặc trưng. Khí này nặng hơn không khí hơn hai lần do có tỉ khối so với không khí xấp xỉ 2,21 (d = 64 / 29 ≈ 2,21). [1]

Sulfur dioxide là chất khí tan nhiều trong nước. Theo SGK, ở 20 °C, 1 lít nước hòa tan được khoảng 40 lít khí SO₂. Dung dịch thu được có tính acid; độ tan còn phụ thuộc nhiệt độ và áp suất riêng phần của SO₂. [1]

Do nặng hơn không khí, trong phòng thí nghiệm, khí sulfur dioxide thường được thu bằng phương pháp đẩy không khí với bình thu đặt ngửa. Ngoài ra, vì tan nhiều trong nước nên không sử dụng phương pháp đẩy nước để thu khí này.

Độc tính của sulfur dioxide đối với sức khỏe

Sulfur dioxide là một chất khí độc. SO₂ có thể gây kích ứng mắt và đường hô hấp; mức độ ảnh hưởng phụ thuộc nồng độ và thời gian tiếp xúc. [4] [1]

Người mắc bệnh hen, đặc biệt là trẻ em, nhạy cảm với SO₂; tiếp xúc ngắn hạn cũng có thể gây khó thở.[4]

Thí nghiệm có SO₂ cần thực hiện trong tủ hút dưới sự hướng dẫn của giáo viên và có bộ phận hấp thụ khí dư bằng dung dịch kiềm. Bông tẩm kiềm chỉ hỗ trợ hạn chế khí thoát ra, không thay thế tủ hút. Không nhận biết SO₂ bằng cách ngửi trực tiếp.

Tính chất hóa học của sulfur dioxide

Trong phân tử sulfur dioxide (SO₂), nguyên tử sulfur có số oxi hóa +4, là mức số oxi hóa trung gian giữa −2, 0 và +6. Vì vậy, bên cạnh tính chất của một acidic oxide điển hình, sulfur dioxide vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử tùy thuộc vào chất tham gia phản ứng cùng. [1]

Tính chất acidic oxide của sulfur dioxide

Khi tan trong nước, một phần nhỏ sulfur dioxide tác dụng với nước tạo thành dung dịch sulfurous acid (H₂SO₃). Phản ứng này diễn ra thuận nghịch theo phương trình:

SO₂ + H₂O ⇌ H₂SO₃

Ở mức độ phổ thông, H₂SO₃ được dùng để biểu diễn dung dịch SO₂ có tính acid. Trong thực tế, hệ dung dịch chứa SO₂ hòa tan và các dạng ion HSO₃⁻, SO₃²⁻ theo cân bằng; không nên hiểu SO₂ chuyển hoàn toàn thành H₂SO₃. Dung dịch làm quỳ tím chuyển đỏ. [1]

Là một acidic oxide, sulfur dioxide phản ứng với basic oxide (như CaO, Na₂O) tạo muối; phản ứng với dung dịch base có thể tạo muối và nước, tùy tỉ lệ mol. Tùy thuộc vào tỉ lệ mol giữa các chất tham gia, phản ứng với dung dịch kiềm có thể tạo muối hydrogensulfite hoặc muối sulfite. [1]

Xét phản ứng giữa sulfur dioxide và dung dịch sodium hydroxide (NaOH), hai phương trình hóa học có thể xảy ra là:

SO₂ + NaOH → NaHSO₃ (sodium hydrogensulfite)

SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O (sodium sulfite)

Để xác định chính xác sản phẩm muối trong các bài toán tính toán, cần dựa vào tỉ lệ số mol \(T=\frac{n_{\mathrm{NaOH}}}{n_{\mathrm{SO_2}}}\) (quy tắc dưới đây áp dụng cho NaOH hoặc KOH, không suy ra trực tiếp lượng kết tủa với Ca(OH)₂):

• Nếu 0 < T ≤ 1: Phản ứng chỉ tạo muối acid NaHSO₃ (khi T nhỏ hơn 1 thì SO₂ còn dư sau phản ứng).

• Nếu T ≥ 2: Phản ứng chỉ tạo muối trung hòa Na₂SO₃ (khi T lớn hơn 2 thì NaOH còn dư sau phản ứng).

• Nếu 1 < T < 2: Phản ứng tạo đồng thời cả hai muối là NaHSO₃ và Na₂SO₃. [1] [2]

Tương tự, khi dẫn khí sulfur dioxide vào dung dịch nước vôi trong (Ca(OH)₂ dư), hiện tượng quan sát được là xuất hiện kết tủa trắng của calcium sulfite (CaSO₃):

SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃↓ + H₂O

Nếu tiếp tục sục khí SO₂ đến dư vào hỗn hợp sau phản ứng, kết tủa trắng CaSO₃ sẽ tan dần để tạo thành dung dịch calcium hydrogensulfite trong suốt:

CaSO₃ + SO₂ + H₂O → Ca(HSO₃)₂

Tính oxi hóa của sulfur dioxide

Khi tác dụng với chất khử như H₂S, sulfur dioxide đóng vai trò là chất oxi hóa. Trong quá trình này, nguyên tử sulfur nhận electron và giảm số oxi hóa từ +4 xuống 0 trong ví dụ dưới đây:

\(S^{+4}+4e\to S^0\)

Ví dụ điển hình chứng minh tính oxi hóa của sulfur dioxide là phản ứng với khí hydrogen sulfide (H₂S) ở điều kiện thường. Khi dẫn khí SO₂ vào bình chứa khí H₂S hoặc dung dịch H₂S, phản ứng xảy ra tạo thành sulfur đơn chất:

SO₂ + 2H₂S → 3S↓ + 2H₂O

Trong phản ứng trên, SO₂ là chất oxi hóa (số oxi hóa của sulfur giảm từ +4 xuống 0), còn H₂S là chất khử (số oxi hóa của sulfur tăng từ −2 lên 0). Hiện tượng đặc trưng dùng để nhận biết phản ứng là sự xuất hiện chất rắn màu vàng của sulfur (hoặc dung dịch bị vẩn đục màu vàng). [1]

Về mặt cân bằng electron, 1 nguyên tử S(+4) trong SO₂ nhận 4 electron, còn mỗi nguyên tử S(−2) trong H₂S nhường 2 electron. Do đó, tỉ lệ mol phản ứng giữa SO₂ và H₂S luôn là 1 : 2. Phản ứng này còn được ứng dụng trong công nghiệp để thu hồi sulfur và xử lý khí H₂S độc hại. [3]

Tính khử của sulfur dioxide

Khi tác dụng với các chất oxi hóa mạnh (như O₂, Br₂, Cl₂, KMnO₄), sulfur dioxide đóng vai trò là chất khử. Khi đó, nguyên tử sulfur nhường 2 electron và tăng số oxi hóa từ +4 lên mức cao nhất là +6:

\(S^{+4}\to S^{+6}+2e\)

Phản ứng với nitrogen dioxide (NO₂): Ở điều kiện thích hợp, SO₂ bị oxi hóa thành SO₃, còn NO₂ bị khử thành NO:

\(\mathrm{SO_2+NO_2\rightarrow SO_3+NO}\)

Sulfur tăng số oxi hóa từ +4 lên +6 nên SO₂ là chất khử; nitrogen giảm từ +4 xuống +2 nên NO₂ là chất oxi hóa. [1]

Phản ứng với oxygen (O₂):

Khi đun nóng ở nhiệt độ khoảng 450–500 °C có mặt xúc tác vanadium(V) oxide (V₂O₅), sulfur dioxide bị oxi hóa bởi oxygen tạo thành sulfur trioxide (SO₃). Đây là một phản ứng thuận nghịch:

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (điều kiện: t°, xúc tác V₂O₅)

Trong phản ứng này, SO₂ là chất khử và O₂ là chất oxi hóa. Đây là giai đoạn trung gian quan trọng trong dây chuyền sản xuất sulfuric acid công nghiệp theo phương pháp tiếp xúc. [1]

Phản ứng với dung dịch nước bromine (Br₂):

Khi dẫn khí sulfur dioxide vào dung dịch nước bromine có màu vàng nâu (hoặc màu da cam), dung dịch sẽ nhạt màu dần rồi mất màu hoàn toàn theo phương trình:

SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr

Ở phản ứng này, sulfur trong SO₂ tăng số oxi hóa từ +4 lên +6 (trong H₂SO₄) nên SO₂ đóng vai trò chất khử. Ngược lại, nguyên tử bromine giảm số oxi hóa từ 0 xuống −1 (trong HBr) nên Br₂ đóng vai trò chất oxi hóa.

Phản ứng với dung dịch thuốc tím (KMnO₄):

Khi sục khí sulfur dioxide vào dung dịch potassium permanganate (KMnO₄) trong điều kiện MnO₄⁻ bị khử thành Mn²⁺ (môi trường acid), màu tím đặc trưng của dung dịch bị nhạt dần và mất màu hoàn toàn:

5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄

Quá trình trao đổi electron trong phản ứng diễn ra như sau:

\(S^{+4}\to S^{+6}+2e\) (nhân hệ số 5)

\(Mn^{+7}+5e\to Mn^{+2}\) (nhân hệ số 2)

Do mỗi phân tử SO₂ nhường 2 electron và mỗi phân tử KMnO₄ nhận 5 electron, tỉ lệ mol SO₂ : KMnO₄ đã phản ứng là 5 : 2 khi MnO₄⁻ chuyển thành Mn²⁺. Trong môi trường khác, sản phẩm của mangan có thể thay đổi. Đây là tỉ lệ quan trọng cần ghi nhớ để giải nhanh các bài toán chuẩn độ hoặc tính toán lượng chất.

Hai phản ứng làm mất màu Br₂ và KMnO₄ chứng minh tính khử của SO₂; riêng hiện tượng mất màu không đủ nhận diện SO₂ trong một hỗn hợp chưa biết vì nhiều chất khử khác cũng gây hiện tượng này. Đồng thời, tính chất này được dùng để phân biệt khí SO₂ với khí carbon dioxide (CO₂), vì CO₂ cũng làm đục nước vôi trong giống SO₂ nhưng không có tính khử nên không làm mất màu nước bromine hay thuốc tím. [1]

Điều chế sulfur dioxide và nguồn phát sinh SO₂

Trong khí quyển, sulfur dioxide (SO₂) được hình thành từ cả các quá trình tự nhiên lẫn hoạt động sản xuất, sinh hoạt của con người. Việc xác định rõ các nguồn phát thải này giúp giải thích nguyên nhân gia tăng nồng độ SO₂ tại các khu công nghiệp và đô thị lớn. [1]

Điều chế sulfur dioxide trong phòng thí nghiệm

Có thể tạo khí SO₂ bằng cách cho muối sulfite, chẳng hạn Na₂SO₃, tác dụng với dung dịch H₂SO₄ loãng:

\(\mathrm{Na_2SO_3+H_2SO_4\rightarrow Na_2SO_4+SO_2\uparrow+H_2O}\)

Hiện tượng là có khí không màu thoát ra. Do SO₂ độc và tan nhiều trong nước, thí nghiệm cần có hệ hấp thụ khí dư, không thu bằng phương pháp đẩy nước.

Nguồn phát sinh sulfur dioxide trong tự nhiên

Trong tự nhiên, nguồn phát sinh sulfur dioxide chủ yếu đến từ hoạt động phun trào của núi lửa. Khi núi lửa hoạt động, một lượng lớn khí SO₂ cùng các hợp chất chứa sulfur từ trong lòng đất bị đẩy thẳng vào bầu khí quyển. [1]

Khí SO₂ có thể được giải phóng từ magma và các quá trình địa hóa khi núi lửa hoạt động. Không nên đồng nhất mọi nguồn SO₂ tự nhiên với phản ứng đốt sulfur trong không khí.

Nguồn phát sinh sulfur dioxide từ hoạt động của con người

Mặc dù tự nhiên tạo ra một lượng đáng kể SO₂, phần lớn lượng khí sulfur dioxide gây ô nhiễm môi trường cục bộ hiện nay lại bắt nguồn từ các hoạt động công nghiệp, năng lượng và giao thông vận tải của con người. [1]

Đốt cháy nhiên liệu hóa thạch

Nguồn phát thải nhân tạo lớn nhất là quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch như than đá và dầu mỏ chứa sulfur. Các nhiên liệu này có thể chứa sulfur dưới dạng hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ (như FeS₂ trong than đá). [1]

Khi đốt cháy nhiên liệu tại các nhà máy nhiệt điện, lò hơi công nghiệp hoặc trong động cơ phương tiện giao thông, các hợp chất chứa sulfur bị oxi hóa bởi oxygen không khí và giải phóng một lượng lớn khí sulfur dioxide ra môi trường. [1]

Đốt quặng sulfide và quá trình luyện kim

Nguồn phát sinh quan trọng thứ hai là quá trình nung đốt các loại quặng sulfide trong công nghiệp luyện kim. Nhiều kim loại như sắt (iron), đồng (copper) hay kẽm (zinc) tồn tại phổ biến trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật sulfide. [1]

Khi nung các quặng như pyrite (FeS₂), chalcopyrite (CuFeS₂) hoặc sphalerite (ZnS) ở nhiệt độ cao với oxygen trong giai đoạn chuyển sulfide thành oxide, khí sulfur dioxide được tạo thành với lưu lượng lớn theo các phương trình phản ứng:

4FeS₂ + 11O₂ → 8SO₂ + 2Fe₂O₃ (điều kiện: t°)

2ZnS + 3O₂ → 2SO₂ + 2ZnO (điều kiện: t°)

Sản xuất sulfuric acid trong công nghiệp

\(\mathrm{S+O_2\xrightarrow{t^\circ}SO_2}\)

Bên cạnh đó, các nhà máy sản xuất sulfuric acid (H₂SO₄) cũng là nguồn phát sinh sulfur dioxide. Ở giai đoạn đầu tiên của quy trình sản xuất theo phương pháp tiếp xúc, có thể đốt cháy trực tiếp sulfur hoặc quặng pyrite để điều chế khí SO₂ làm nguyên liệu. [1]

Nếu hệ thống thu hồi và xử lý khí thải tại các nhà máy hóa chất hoặc cơ sở luyện kim không đảm bảo độ kín và hiệu suất hấp thụ, lượng khí sulfur dioxide dư thừa sẽ thất thoát trực tiếp ra bầu khí quyển. [1] [3]

Ứng dụng của sulfur dioxide trong đời sống và sản xuất

Mặc dù là một khí độc và gây ô nhiễm nếu phát thải tự do, sulfur dioxide (SO₂) lại là hóa chất có giá trị kinh tế cao trong nhiều ngành công nghiệp. Nhờ tính khử đặc trưng và khả năng ức chế vi sinh vật, hợp chất này được ứng dụng rộng rãi từ sản xuất hóa chất cơ bản đến chế biến thực phẩm và hàng tiêu dùng. [1]

Sử dụng sulfur dioxide làm chất trung gian sản xuất sulfuric acid

Ứng dụng quan trọng và tiêu thụ sản lượng lớn nhất của sulfur dioxide là làm chất trung gian trong quy trình sản xuất sulfuric acid (H₂SO₄) công nghiệp. SO₂ được chuyển thành SO₃, sau đó dùng để sản xuất H₂SO₄ theo phương pháp tiếp xúc. [1]

Trong công nghiệp sản xuất sulfuric acid theo phương pháp tiếp xúc, khí sulfur dioxide sau khi được làm sạch sẽ bị oxi hóa bởi oxygen ở nhiệt độ 450–500 °C với xúc tác vanadium(V) oxide (V₂O₅) để tạo thành sulfur trioxide (SO₃):

2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ (điều kiện: t°, xúc tác V₂O₅)

Sau đó, khí SO₃ được hấp thụ vào H₂SO₄ đặc tạo thành oleum (H₂SO₄·nSO₃), rồi pha loãng với lượng nước thích hợp để thu được sulfuric acid thương phẩm. Từ H₂SO₄, ngành công nghiệp tiếp tục sản xuất phân bón hóa học, chất tẩy rửa, sơn, phẩm nhuộm và ắc quy. [1]

Ứng dụng của sulfur dioxide trong tẩy trắng và khử màu

Trong công nghiệp giấy và dệt may, sulfur dioxide được sử dụng làm tác nhân tẩy trắng cho bột giấy, lụa, len và các loại sợi tự nhiên. Khả năng khử màu của SO₂ được khai thác trong những quy trình phù hợp với từng vật liệu; không nên suy rộng rằng khí này an toàn cho mọi loại sợi. [1] [3]

Trong công nghiệp sản xuất đường từ mía hoặc củ cải đường, khí sulfur dioxide được sục vào dịch đường thô để khử màu các tạp chất hữu cơ tự nhiên. Quá trình này giúp dịch đường trở nên trong suốt, tạo điều kiện kết tinh ra đường kính trắng đạt tiêu chuẩn. [1]

Ứng dụng chống nấm mốc và bảo quản của sulfur dioxide

Nhờ khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc, sulfur dioxide được dùng phổ biến để xông khói bảo quản các sản phẩm thủ công mỹ nghệ từ mây, tre, đan. Biện pháp này giúp sản phẩm vừa có màu sáng đẹp, hạn chế nấm mốc khi lưu kho và vận chuyển. [1]

Ngoài ra, trong các quy trình được kiểm soát, sulfur dioxide và các muối sulfite còn được dùng để bảo quản một số loại trái cây sấy khô, cũng như làm chất chống oxi hóa và ức chế vi khuẩn tạp trong quy trình sản xuất rượu vang. [1] [3]

Tác hại của sulfur dioxide và biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Khi phát thải vào bầu khí quyển vượt mức cho phép, sulfur dioxide (SO₂) gây ra nhiều tác động tiêu cực đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái. Đặc biệt, khí này là một trong những nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng mưa acid. [1]

Quá trình chuyển hóa sulfur dioxide thành mưa acid

Sulfur dioxide và các oxide của nitrogen (NOₓ) là những tiền chất quan trọng của mưa acid. Trong khí quyển, chúng phản ứng với nước, oxygen và các chất oxi hóa khác để hình thành sulfuric acid và nitric acid. Quá trình diễn ra qua nhiều bước trong pha khí và trong các giọt nước.

Ở mức độ phổ thông, có thể biểu diễn tổng quát sự chuyển hóa SO₂ thành H₂SO₄ bằng phương trình gộp:

\(\mathrm{2SO_2+O_2+2H_2O\rightarrow 2H_2SO_4}\)

Phương trình gộp không mô tả một phản ứng đơn lẻ hay toàn bộ cơ chế trong khí quyển. Mưa tự nhiên đã hơi acid do CO₂ hòa tan; trong bài học phổ thông, mưa acid thường được nhận diện khi pH nhỏ hơn khoảng 5,6.

Tác hại của sulfur dioxide và mưa acid đối với đời sống

Đối với môi trường tự nhiên, mưa acid làm chua hóa đất và nguồn nước tại các ao, hồ, sông, suối. Sự giảm pH làm rửa trôi chất dinh dưỡng trong đất, gây hại cho cây trồng, làm suy thoái rừng và khiến nhiều loài thủy sinh bị chết. [1]

Đối với các công trình xây dựng, acid trong nước mưa ăn mòn mạnh các kết cấu kim loại (như cầu cống, khung sắt thép) và phá hủy các công trình, tượng đài làm bằng đá vôi hoặc đá cẩm thạch (thành phần chính là CaCO₃):

CaCO₃ + H₂SO₄ → CaSO₄ + CO₂↑ + H₂O

Đối với sức khỏe con người, hít thở không khí chứa sulfur dioxide gây kích ứng niêm mạc mắt, mũi và họng. SO₂ có thể làm nặng thêm triệu chứng hen và gây khó thở; ảnh hưởng phụ thuộc mức độ tiếp xúc. [4] [1]

Biện pháp giảm thiểu phát thải sulfur dioxide ra môi trường

Để giảm thiểu ô nhiễm do sulfur dioxide gây ra, cần kết hợp đồng bộ giữa việc cắt giảm nguồn phát sinh và xử lý khí thải trước khi xả ra môi trường, chuyển hóa SO₂ thành các chất ít gây ô nhiễm hơn.

Thay đổi nguồn nhiên liệu và năng lượng:

Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch chứa nhiều tạp chất sulfur (than đá, dầu mỏ), đồng thời chuyển dịch sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió; đồng thời tiết kiệm năng lượng, dùng nhiên liệu ít sulfur và cải tiến công nghệ. [1]

Xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ hóa học:

Xử lý khí thải công nghiệp trước khi thải ra môi trường bằng cách dẫn khí chứa sulfur dioxide qua tháp hấp thụ dùng vôi sống (CaO), huyền phù sữa vôi (Ca(OH)₂) hoặc đá vôi nghiền (CaCO₃):

SO₂ + CaO → CaSO₃

\(\mathrm{SO_2+CaCO_3\rightarrow CaSO_3+CO_2\uparrow}\)

SO₂ + Ca(OH)₂ → CaSO₃↓ + H₂O

Muối calcium sulfite (CaSO₃) tạo thành được oxi hóa tiếp bởi oxygen trong tháp xử lý để chuyển hóa thành thạch cao (CaSO₄·2H₂O), sản phẩm có thể tận dụng làm vật liệu xây dựng khi đáp ứng yêu cầu chất lượng; bã và nước thải vẫn cần được quản lý. [3]

2CaSO₃ + O₂ + 4H₂O → 2CaSO₄·2H₂O

Thu hồi khí thải để sản xuất hóa chất:

Tại các nhà máy luyện kim hoặc nung đốt quặng sulfide, lượng khí sulfur dioxide nồng độ cao được thu hồi trực tiếp để làm nguyên liệu sản xuất sulfuric acid, vừa giảm thiểu ô nhiễm vừa mang lại giá trị kinh tế. [1] [3]

Bài tập vận dụng về sulfur dioxide

Quy ước: Các phản ứng với KMnO₄ dưới đây xét môi trường acid, sản phẩm khử của mangan là Mn²⁺. Với thể tích khí ở 25 °C, 1 bar, dùng Vₘ = 24,79 L/mol.

Trong Hóa học 11, câu hỏi về sulfur dioxide (SO₂) thường tập trung vào nhận biết hiện tượng thực nghiệm, xác định vai trò chất oxi hóa – chất khử và tính toán theo phương trình phản ứng với dung dịch Br₂, KMnO₄ hoặc dung dịch kiềm. Việc nắm vững bản chất số oxi hóa và tỉ lệ mol giúp học sinh xử lý chính xác câu hỏi trắc nghiệm, đúng – sai và trả lời ngắn. [1] [2]

Nhận biết và phân biệt khí sulfur dioxide trong phòng thí nghiệm

Trong thực hành và bài tập nhận biết, sulfur dioxide thường được đặt cạnh các chất khí như carbon dioxide (CO₂) hoặc hydrogen sulfide (H₂S). Cả SO₂ và CO₂ đều là acidic oxide có khả năng làm đục nước vôi trong dư do tạo kết tủa trắng (CaSO₃ và CaCO₃), nên không thể dùng riêng Ca(OH)₂ để phân biệt hai khí này. [1] [2]

Để nhận biết đặc trưng khí sulfur dioxide và phân biệt với CO₂, có thể dựa vào tính khử của SO₂ khi tác dụng với các dung dịch chất oxi hóa mạnh có màu:

• Dùng dung dịch nước bromine (Br₂): Khí SO₂ làm mất màu vàng nâu của dung dịch nước bromine, trong khi khí CO₂ không phản ứng và không làm đổi màu dung dịch:

SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr

• Dùng dung dịch thuốc tím (KMnO₄): Khí SO₂ làm mất màu tím đặc trưng của dung dịch KMnO₄, còn khí CO₂ không gây ra hiện tượng này:

5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄

Ngược lại, để phân biệt khí SO₂ với khí H₂S, có thể xét hiện tượng khi dẫn từng khí vào dung dịch CuSO₄: H₂S tạo kết tủa CuS màu đen, còn SO₂ không gây hiện tượng này. Đây là bài tập lý thuyết; không tự thực hiện với khí độc. Ngoài ra, khi trộn trực tiếp hai khí SO₂ và H₂S với nhau sẽ xuất hiện kết tủa sulfur màu vàng. [2]

Dạng 1. Nhận biết tính chất, nguồn gốc, ứng dụng và tác hại của sulfur dioxide

Phương pháp: Nắm vững các đặc điểm vật lý (khí không màu, mùi hắc, độc, nặng hơn không khí, tan nhiều trong nước), nguồn phát sinh (núi lửa, đốt nhiên liệu hóa thạch, đốt quặng sulfide), ứng dụng và cơ chế gây mưa acid của sulfur dioxide. [1]

Trắc nghiệm

Câu 1. Khí nào sau đây vừa là chất trung gian quan trọng để sản xuất sulfuric acid, vừa là một trong những tác nhân chính gây ra hiện tượng mưa acid?

A. Carbon dioxide (CO₂).

B. Sulfur dioxide (SO₂).

C. Nitrogen (N₂).

D. Methane (CH₄).

Đáp án: B

Đúng – Sai

Xét các phát biểu sau về tính chất, nguồn gốc và biện pháp giảm thiểu khí sulfur dioxide:

a. Ở điều kiện thường, sulfur dioxide là chất khí không màu, mùi hắc, nặng hơn không khí và tan nhiều trong nước.

b. Trong tự nhiên, nguồn phát sinh sulfur dioxide chủ yếu đến từ hoạt động phun trào của núi lửa.

c. Khí sulfur dioxide không độc nên có thể xả trực tiếp từ các nhà máy nhiệt điện ra môi trường mà không cần xử lý.

d. Dung dịch sữa vôi Ca(OH)₂ thường được sử dụng trong các tháp hấp thụ để xử lý khí thải sulfur dioxide công nghiệp.

Đáp án:

a. Đúng.

b. Đúng.

c. Sai.

d. Đúng.

Trả lời ngắn

Cho dãy gồm 6 chất sau: H₂O, dung dịch NaOH, khí H₂S, dung dịch Br₂, dung dịch KMnO₄ và dung dịch NaCl. Ở điều kiện thường, khí sulfur dioxide phản ứng hóa học được với bao nhiêu chất trong dãy trên?

Đáp án: 5.

SO₂ phản ứng với H₂O, NaOH, H₂S, Br₂ và KMnO₄ trong điều kiện phù hợp; dung dịch NaCl không phản ứng theo phạm vi bài học.

Dạng 2. Xác định vai trò chất oxi hóa – chất khử của sulfur dioxide

Phương pháp: Dựa vào sự thay đổi số oxi hóa của nguyên tử sulfur trong SO₂ (mức ban đầu là +4) trước và sau phản ứng: [1] [2]

• Nếu số oxi hóa của sulfur không đổi (+4 → +4): Phản ứng không thuộc loại oxi hóa – khử (SO₂ thể hiện tính chất acidic oxide).

• Nếu số oxi hóa của sulfur giảm (+4 → 0): SO₂ nhận electron và đóng vai trò là chất oxi hóa.

• Nếu số oxi hóa của sulfur tăng (+4 → +6): SO₂ nhường electron và đóng vai trò là chất khử.

Trắc nghiệm

Câu 2. Trong phản ứng hóa học: SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr, vai trò của sulfur dioxide là

A. chất oxi hóa.

B. chất khử.

C. vừa là chất oxi hóa, vừa là chất khử.

D. chất tạo môi trường.

Đáp án: B. Sulfur tăng số oxi hóa từ +4 trong SO₂ lên +6 trong H₂SO₄, nên SO₂ là chất khử.

Đúng – Sai

Cho các phương trình hóa học sau có sự tham gia của sulfur dioxide:

(1) SO₂ + 2NaOH → Na₂SO₃ + H₂O

(2) SO₂ + 2H₂S → 3S↓ + 2H₂O

(3) 5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄

a. Trong phản ứng (1), số oxi hóa của nguyên tử sulfur trước và sau phản ứng đều bằng +4.

b. Trong phản ứng (2), sulfur dioxide nhận electron và đóng vai trò là chất oxi hóa.

c. Trong phản ứng (3), sulfur dioxide đóng vai trò là chất oxi hóa vì làm mất màu tím của KMnO₄.

d. Sulfur dioxide vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử vì nguyên tử sulfur trong SO₂ có số oxi hóa trung gian +4.

Đáp án:

a. Đúng.

b. Đúng.

c. Sai.

d. Đúng.

Trả lời ngắn

Cho phương trình hóa học đã cân bằng với hệ số nguyên tối giản: 5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄. Tổng hệ số cân bằng của chất khử và chất oxi hóa trong phương trình trên là bao nhiêu?

Đáp án: 7.

Chất khử là SO₂ có hệ số 5; chất oxi hóa là KMnO₄ có hệ số 2. Tổng là 5 + 2 = 7.

Dạng 3. Bài toán sulfur dioxide tác dụng với dung dịch nước bromine (Br₂)

Phương pháp: Viết phương trình phản ứng và áp dụng tỉ lệ mol 1 : 1 giữa SO₂ và Br₂: [1] [2]

SO₂ + Br₂ + 2H₂O → H₂SO₄ + 2HBr

Theo phương trình:

\[\begin{aligned}n_{\mathrm{SO_2},\text{phản ứng}}&=n_{\mathrm{Br_2},\text{phản ứng}}\\&=n_{\mathrm{H_2SO_4}}=\tfrac12n_{\mathrm{HBr}}\end{aligned}\]

Trắc nghiệm

Câu 3. Dẫn từ từ khí sulfur dioxide đến dư vào dung dịch chứa 0,15 mol Br₂. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, số mol SO₂ đã tham gia phản ứng là

A. 0,075 mol.

B. 0,150 mol.

C. 0,300 mol.

D. 0,450 mol.

Đáp án: B. Br₂ phản ứng hết nên n(SO₂) đã phản ứng = n(Br₂) = 0,15 mol.

Đúng – Sai

Dẫn 0,10 mol khí sulfur dioxide vào dung dịch chứa 0,15 mol Br₂ trong nước. Giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn.

a. Sau phản ứng, dung dịch nước bromine bị mất màu hoàn toàn.

b. Trong thí nghiệm trên, SO₂ phản ứng hết và Br₂ còn dư.

c. Số mol H₂SO₄ tạo thành trong dung dịch là 0,10 mol.

d. Số mol HBr tạo thành trong dung dịch là 0,30 mol.

Đáp án:

a. Sai.

b. Đúng.

c. Đúng.

d. Sai.

Trả lời ngắn

Sục hoàn toàn 7,437 lít khí sulfur dioxide (ở 25 °C, 1 bar) vào dung dịch nước bromine dư. Tính khối lượng Br₂ (theo đơn vị gam) đã tham gia phản ứng. Biết Br = 80.

Đáp án: 48

Giải thích: n(SO₂) = 7,437/24,79 = 0,30 mol. Tỉ lệ mol SO₂ : Br₂ là 1 : 1 nên m(Br₂) = 0,30 × 160 = 48 g.

Dạng 4. Bài toán sulfur dioxide tác dụng với dung dịch thuốc tím (KMnO₄)

Điều kiện áp dụng: Các bài dưới đây xét môi trường acid, MnO₄⁻ chuyển thành Mn²⁺; nếu dùng H₂SO₄ để tạo môi trường thì lượng H₂SO₄ tính theo phương trình là phần tạo thêm.

Phương pháp: Dựa vào phương trình phản ứng hoặc định luật bảo toàn electron: [1] [2]

5SO₂ + 2KMnO₄ + 2H₂O → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2H₂SO₄

Bảo toàn electron (dùng số mol đã phản ứng):

\(2n_{\mathrm{SO_2},\text{phản ứng}}=5n_{\mathrm{KMnO_4},\text{phản ứng}}\)

Suy ra \(n_{SO_2}=2,5\times n_{KMnO_4}\).

Trắc nghiệm

Câu 4. Cần dẫn tối thiểu bao nhiêu mol khí sulfur dioxide vào dung dịch chứa 0,08 mol KMnO₄ để làm mất màu hoàn toàn dung dịch thuốc tím?

A. 0,08 mol.

B. 0,16 mol.

C. 0,20 mol.

D. 0,40 mol.

Đáp án: C. n(SO₂) = 5/2 × 0,08 = 0,20 mol.

Đúng – Sai

Sục khí sulfur dioxide đến dư vào 200 mL dung dịch KMnO₄ 0,10 M cho đến khi phản ứng diễn ra hoàn toàn.

a. Hiện tượng quan sát được là màu tím của dung dịch KMnO₄ mất màu hoàn toàn.

b. Trong phản ứng, mỗi nguyên tử Mn(+7) nhận 5 electron để tạo thành ion Mn²⁺.

c. Số mol khí SO₂ đã tham gia phản ứng với thuốc tím là 0,02 mol.

d. Phản ứng tạo ra 0,02 mol MnSO₄ và tạo thêm 0,02 mol H₂SO₄ theo phương trình đã cho.

Đáp án:

a. Đúng.

b. Đúng.

c. Sai.

d. Đúng.

Trả lời ngắn

Một mẫu khí chứa SO₂ được dẫn qua 40 mL dung dịch KMnO₄ 0,006 M trong môi trường acid, vừa đủ làm mất màu thuốc tím. Giả sử SO₂ là chất duy nhất trong mẫu phản ứng với KMnO₄ và được hấp thụ hoàn toàn. Tính khối lượng SO₂ đã phản ứng, theo mg. Cho S = 32, O = 16.

Đáp án: 38,4

Giải thích: n(KMnO₄) = 0,040 × 0,006 = 0,00024 mol; n(SO₂) = 2,5 × 0,00024 = 0,00060 mol. Khối lượng SO₂ bằng 0,00060 × 64 × 1 000 = 38,4 mg. Muốn tính nồng độ SO₂ trong không khí còn cần thể tích mẫu khí.

Dạng 5. Bài toán hấp thụ sulfur dioxide vào dung dịch base (NaOH, Ca(OH)₂)

Phương pháp: Khi cho SO₂ tác dụng với dung dịch NaOH, xét tỉ lệ T = n(NaOH) / n(SO₂): [1] [2]

• Nếu 0 < T ≤ 1: Chỉ tạo muối NaHSO₃ trong mô hình bài toán; SO₂ có thể dư khi T < 1.

• Nếu T ≥ 2: Chỉ tạo muối Na₂SO₃; NaOH có thể dư khi T > 2.

• Nếu T lớn hơn 1 và nhỏ hơn 2: Tạo cả hai muối NaHSO₃ và Na₂SO₃ (lập hệ phương trình bảo toàn nguyên tố S và Na để tìm số mol từng muối).

Trắc nghiệm

Câu 5. Hấp thụ hoàn toàn 0,15 mol khí sulfur dioxide vào dung dịch chứa 0,25 mol NaOH. Muối thu được trong dung dịch sau phản ứng là

A. chỉ có Na₂SO₃.

B. chỉ có NaHSO₃.

C. cả Na₂SO₃ và NaHSO₃.

D. Na₂SO₄ và NaHSO₃.

Đáp án: C. T = 0,25/0,15 = 5/3, nằm giữa 1 và 2 nên tạo cả hai muối.

Đúng – Sai

Hấp thụ hoàn toàn 0,20 mol khí sulfur dioxide vào dung dịch chứa 0,30 mol NaOH. Biết Na = 23, H = 1, S = 32, O = 16.

a. Tỉ lệ số mol \(\frac{n_{\mathrm{NaOH}}}{n_{\mathrm{SO_2}}}\) bằng 1,5 nên phản ứng tạo ra đồng thời hai muối.

b. Số mol muối Na₂SO₃ tạo thành sau phản ứng là 0,10 mol.

c. Số mol muối NaHSO₃ tạo thành sau phản ứng là 0,20 mol.

d. Tổng khối lượng muối thu được trong dung dịch sau phản ứng là 23,0 g.

Đáp án:

a. Đúng.

b. Đúng.

c. Sai.

d. Đúng.

Giải thích: Gọi x, y lần lượt là số mol Na₂SO₃ và NaHSO₃. Bảo toàn sulfur và sodium cho x + y = 0,20 và 2x + y = 0,30, suy ra x = y = 0,10 mol. Tổng khối lượng muối là 0,10 × 126 + 0,10 × 104 = 23,0 g; do đó phát biểu c sai.

Trả lời ngắn

Dẫn 3,7185 lít khí sulfur dioxide (ở 25 °C, 1 bar) vào dung dịch nước vôi trong Ca(OH)₂ lấy dư. Sau khi phản ứng xảy ra hoàn toàn, thu được m gam kết tủa trắng CaSO₃. Tính giá trị của m. Biết Ca = 40, S = 32, O = 16.

Đáp án: 18

Giải thích: n(SO₂) = 3,7185/24,79 = 0,15 mol. Ca(OH)₂ dư nên n(CaSO₃) = 0,15 mol; m = 0,15 × 120 = 18 g.

Sulfur dioxide (SO₂) là oxide acid, vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử do sulfur có số oxi hóa trung gian +4. Học sinh cần nắm các phương trình phản ứng, điều kiện và tỉ lệ mol để giải bài tập về SO₂. Bên cạnh ứng dụng sản xuất sulfuric acid và tẩy trắng, khí này còn góp phần gây ô nhiễm không khí và mưa acid, vì vậy cần được kiểm soát phát thải và xử lý trước khi thải ra môi trường.

Để củng cố kiến thức theo bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống, học sinh có thể tham khảo các chuyên đề Hóa học 11 tại ZIM Academy và luyện tập thêm về sulfur cùng các hợp chất.