Lưu huỳnh là gì? Các nghiên cứu khoa học về Lưu huỳnh

Định nghĩa và vị trí trong bảng tuần hoàn

Lưu huỳnh (sulfur) là nguyên tố hóa học với kí hiệu S và số nguyên tử 16, thuộc nhóm 16 (chalcogen) trong bảng tuần hoàn. Nguyên tử khối trung bình của lưu huỳnh là 32,06 g/mol, tồn tại chủ yếu ở thể rắn dưới dạng đơn chất vàng rực.

Trong bảng tuần hoàn, lưu huỳnh nằm ở chu kì 3, khối p, giữa nguyên tố photpho (P) và clo (Cl). Vị trí này cho phép lưu huỳnh thể hiện tính chất của một phi kim trung bình – không dẫn điện, dễ biến đổi hóa học và có khả năng tạo hợp chất đa dạng với kim loại cũng như phi kim khác.

Lưu huỳnh tự nhiên thường tồn tại trong các mỏ khai thác hoặc kết hợp dưới dạng sulfide (ví dụ pyrite – FeS₂) và sulfate (ví dụ gypsum – CaSO₄·2H₂O). Tốc độ phát hiện, đánh giá trữ lượng và sản lượng khai thác toàn cầu được theo dõi bởi U.S. Geological Survey (USGS) và các cơ quan địa chất quốc tế.

Tính chất vật lý

Ở điều kiện chuẩn, lưu huỳnh là chất rắn kết tinh màu vàng tươi, giòn và có mùi nhẹ đặc trưng khi nung nóng. Lưu huỳnh không tan trong nước nhưng tan tốt trong dung môi hữu cơ như benzen, CS₂ và toluene.

Nhiệt độ nóng chảy của lưu huỳnh nguyên chất là 115,21 °C, trong khi nhiệt độ sôi đạt 444,6 °C. Khi nóng chảy, lưu huỳnh chuyển từ cấu trúc Rhombic-S (α-S) sang Monoclinic-S (β-S), rồi phân hủy thành lưu huỳnh lỏng chứa các polimer chuỗi dài ở trên 159 °C.

Mật độ lưu huỳnh nguyên chất khoảng 2,07 g/cm³ ở thể rắn; dung dịch CS₂ chứa lưu huỳnh lỏng có mật độ thấp hơn. Tính chất nhiệt và cơ của lưu huỳnh làm nó dễ giòn, khả năng dẫn nhiệt kém và cách điện tốt, nên ít được dùng trong ứng dụng chịu lực cơ học.

Tính chất	Giá trị
Màu sắc	Vàng nhạt đến vàng tái
Điểm nóng chảy	115,21 °C
Điểm sôi	444,6 °C
Mật độ	2,07 g/cm³

Tính chất hóa học

Lưu huỳnh thể hiện độ âm điện theo thang Pauling là 2,58, cho phép nó vừa nhận electron vừa cho electron trong phản ứng, thể hiện tính lưỡng chức oxi-hóa. Trong không khí, lưu huỳnh cháy tạo khí SO₂, sau đó có thể oxi hóa thành SO₃:

$S + O_{2} \;\rightarrow\; SO_{2}$
$2\,SO_{2} + O_{2} \;\rightarrow\; 2\,SO_{3}$

Lưu huỳnh dễ kết hợp với kim loại, tạo sulfide như FeS, PbS; với phi kim tạo sulfua hữu cơ. Dưới điều kiện xúc tác, SO₂ và SO₃ dùng để sản xuất axit sunfuric (H₂SO₄) – hóa chất nền tảng của ngành công nghiệp hóa chất .

• Khử: S + 4 H → H₂S + H₂O (dưới áp suất, nhiệt độ cao)
• Oxi hóa: S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄
• Tạo poly sulfur: n S → Sₙ (polysulfide)

Đồng vị và phân tích phổ

Lưu huỳnh có bốn đồng vị bền: ³²S (~95,0%), ³³S (~0,76%), ³⁴S (~4,3%) và ³⁶S (~0,02%). Tỷ lệ δ³⁴S (tỉ lệ ³⁴S/³²S so với chuẩn quốc tế CDT) dùng để truy vết nguồn gốc địa chất và sinh học trong nghiên cứu môi trường (PubChem CID 5359496).

Phân tích phổ khối (mass spectrometry) và quang phổ hồng ngoại (FTIR) cho phép xác định đồng vị và cấu trúc liên kết. Công nghệ Multi-Collector ICP-MS giúp đo δ³⁴S với độ chính xác ±0,1‰, hỗ trợ điều tra mưa axit và chu trình lưu huỳnh toàn cầu.

Đồng vị	Phần trăm tự nhiên (%)
³²S	94,99
³³S	0,75
³⁴S	4,20
³⁶S	0,01

Vị trí và khoáng vật trong tự nhiên

Lưu huỳnh thường xuất hiện dưới dạng tinh thể nguyên chất tại các mỏ giao cắt với địa tầng núi lửa và hồ địa nhiệt, nơi khí H₂S bị oxi hóa tự nhiên tạo thành S₈ tinh khiết. Các mỏ lưu huỳnh lớn như ở Sicily (Ý) và vùng Yellowstone (Mỹ) chứa lưu huỳnh tự do kèm theo đất đá bazan và trầm tích núi lửa, được ghi nhận chi tiết bởi U.S. Geological Survey (USGS).

Trong khoáng vật sulfide, lưu huỳnh kết hợp với kim loại hình thành pyrite (FeS₂), chalcopyrite (CuFeS₂), galena (PbS) và sphalerite (ZnS). Những khoáng vật này phân bố rộng trong các mạch thủy nhiệt và quặng gốc, đóng vai trò quan trọng trong ngành khai thác mỏ và sản xuất kim loại.

Khoáng vật sulfate như gypsum (CaSO₄·2H₂O) và anhydrite (CaSO₄) được hình thành trong môi trường bão hòa nước biển và hồ muối. Gypsum có tính hút ẩm cao, dễ biến đổi thành anhydrite khi nhiệt độ tăng, nên thường được dùng làm chỉ báo điều kiện hình thành trầm tích (PubChem).

Sản xuất và điều chế

Phương pháp Claus chiếm gần 70% sản lượng lưu huỳnh công nghiệp, chuyển hóa khí H₂S thành S₈ qua hai bước: đốt một phần H₂S thành SO₂, sau đó phản ứng với H₂S dư trong lò chuyển đổi. Quy trình chuẩn gồm giai đoạn sơ cấp (thermal stage) và giai đoạn xúc tác (catalytic stage) dùng Al₂O₃ hoặc TiO₂ làm xúc tác (EPA Claus Process).

Điều chế phòng thí nghiệm thường sử dụng phản ứng giữa sulfide kim loại và axit sunfuric loãng: FeS + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂S, sau đó H₂S được oxi hóa ở nhiệt độ thấp thu S₈. Phương pháp này chủ yếu phục vụ nghiên cứu nhỏ, không hiệu quả về mặt thương mại.

• Nuôi cấy vi sinh Sulfurovum lithotrophicum cho sản xuất H₂SO₄ sinh học (bioleaching).
• Điều chế tinh khiết qua chưng cất lưu huỳnh nóng chảy (dưới áp suất khí trơ) để loại tạp chất bay hơi.
• Công nghệ hấp thụ–giải hấp (absorption–desorption) dùng dung dịch oleum và nước để tách SO₂ trong khí thải.

Ứng dụng công nghiệp

Axit sunfuric (H₂SO₄) chiếm hơn 50% nhu cầu lưu huỳnh, được dùng trong sản xuất phân bón (superphosphate, ammonium sulfate), hóa chất trung gian, xử lý kim loại và pin axit chì. H₂SO₄ chất lượng cao đạt độ tinh khiết ≥98% thường được sản xuất quy mô lớn tại các nhà máy hóa chất.

Cao su tự nhiên được lưu hóa với lưu huỳnh để tăng độ đàn hồi và độ bền, quy trình này sử dụng lưu huỳnh nguyên chất hoặc hợp chất lưu huỳnh đa phần trộn vào cao su thô. Lưu huỳnh còn được dùng làm chất khử trùng trong nông nghiệp (sulfide bột) và thành phần trong diệt nấm (thiobendazole).

Ứng dụng	Sản phẩm	Tỉ lệ lưu huỳnh (%)
Phân bón	Superphosphate	15–20
Lưu hóa cao su	Cao su lưu hóa	1–3
Diệt nấm	Thiobendazole	40–50

Vai trò sinh học

Lưu huỳnh là thành phần cấu tạo của hai amino acid thiết yếu là cysteine và methionine, đóng vai trò trong cấu trúc protein, liên kết disulfide ổn định cấu trúc bậc hai và bậc ba. Enzyme như thioredoxin reductase chứa nhóm disulfide tham gia điều hòa trạng thái khử–oxi của tế bào.

Trong chuyển hóa, lưu huỳnh tham gia quá trình methyl hóa qua S-adenosylmethionine (SAM), chất mang nhóm methyl quan trọng trong tổng hợp DNA, RNA và phospholipid. SAM cũng là nguồn cung cấp methyl cho phản ứng tổng hợp epinephrine và creatine.

• Vitamin chứa lưu huỳnh: biotin, thiamine hỗ trợ chuyển hóa carbohydrate.
• Glutathione (γ-Glu-Cys-Gly): peptide chống oxy hóa chính, bảo vệ tế bào khỏi stress oxy hóa.
• Sulfur là thành phần của hợp chất chứa disulfide trong collagen và elastin, hỗ trợ kết cấu mô liên kết.

Ảnh hưởng môi trường và an toàn

SO₂ và SO₃ sinh ra từ đốt nhiên liệu hóa thạch và sản xuất hóa chất là nguyên nhân chính gây mưa axit, làm giảm pH đất và nước mặt, gây ô nhiễm hệ sinh thái. Chương trình Giảm ô nhiễm mưa axit (Acid Rain Program) do EPA điều phối theo dõi và kiểm soát phát thải SO₂ từ nhà máy nhiệt điện.

Nồng độ SO₂ trong không khí vượt mức 75 ppb (24 giờ) gây kích ứng đường hô hấp, tăng nguy cơ hen suyễn và mắc bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính (COPD). Quy chuẩn quốc tế WHO khuyến nghị nồng độ trung bình 1 giờ không quá 500 µg/m³ (WHO Air Quality).

Tiếp xúc da trực tiếp với lưu huỳnh nóng chảy hoặc axit sunfuric đậm đặc gây bỏng hóa chất nghiêm trọng, cần trang bị bảo hộ cá nhân (găng tay chịu hóa chất, kính bảo hộ) và quy trình rửa khẩn cấp (UNEP).

Tài liệu tham khảo

• U.S. Geological Survey (USGS). Mineral Commodity Summaries: Sulfur. https://www.usgs.gov.
• U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Claus Process for Sulfur Recovery. https://www.epa.gov.
• United Nations Environment Programme (UNEP). Air Quality Guidelines. https://www.unep.org.
• PubChem. Sulfur, CID 5359496. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Sulfur.
• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Compendium of Chemical Terminology. https://iupac.org.