Nhóm Kháng tố & chức năng Phần I

Nhóm Kháng tố & chức năng (Phần I)

.

I/ Khoáng tố đa lượng

.

1/ Vôi 

Canxi hydroxit là một hợp chất hóa học với công thức hóa học Ca(OH)₂. Nó là một chất dạng tinh thể không màu hay bột màu trắng, và thu được khi cho Canxi ôxít (tức vôi sống) tác dụng với nước (gọi là tôi vôi). Nó cũng có thể kết tủa xuống khi trộn dung dịch chứa Canxi clorua (CaCl₂) với dung dịch chứa Natri hiđroxit (NaOH). Tên gọi dân gian của canxi hiđroxit là vôi tôi hay đơn giản chỉ là vôi. Tên gọi của khoáng chất tự nhiên chứa canxi hiđroxit là portlandit.

Nếu bị nung nóng tới 512 °C, thì canxi hiđroxit bị phân hủy thành ôxít canxi và hơi nước. Thể vẩn của các hạt hyđroxyt canxi rất mịn trong nước gọi là vôi sữa. Dung dịch chứa canxi hiđroxit gọi chung là vôi nước và có tính bazơ trung bình-mạnh, có phản ứng mạnh với các axít và ăn mòn nhiều kim loại khi có mặt nước. Nó trở thành dạng sữa nếu điôxít cacbon đi qua đó, do sự kết tủa của Canxi cacbonat mới tạo ra.

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O

Sử dụng

Do các tính chất bazơ mạnh của nó nên hyđroxit canxi có một số ứng dụng, như:

• Chất kết bông trong xử lý nước, nước thải và cải tạo độ chua của đất.
• Thành phần của nước vôi, vữa trong xây dựng.
• Thay thế cho Natri hiđroxit trong một số loại hóa, mỹ phẩm uốn tóc của người Mỹ gốc Phi.
• Trong một số loại thuốc làm rụng lông.
• Thuốc thử hóa học:
  • Trong các bể nuôi đá ngầm để bổ sung canxi sinh học cho các động vật sử dụng nhiều canxi sống trong bể như tảo, ốc, giun ống cứng và san hô (còn gọi là hỗn hợp Kalkwasser)
  • Trong công nghiệp thuộc da để trung hòa lượng axít dư thừa.
  • Trong công nghiệp lọc dầu để sản xuất các phụ gia cho dầu thô (alkilsalicatic, sulphatic, fenatic)
  • Trong công nghiệp hóa chất để sản xuất stearat canxi (C₁₇H₃₅COO)₂Ca
  • Trong công nghiệp thực phẩm để xử lý nước (để sản xuất các loại đồ uống như rượu và đồ uống không cồn)
  • Để làm sạch nước biển khởi các cacbonat của canxi và magiê trong sản xuất muối dành cho thực phẩm và dược phẩm.
  • Trong ẩm thực của thổ dân châu Mỹ và châu Mỹ Latinh, hyđroxyt canxi được gọi là “cal”. Ngô được nấu lẫn với một chút cal có tác dụng làm gia tăng giá trị dinh dưỡng cũng như làm cho món ngô trở nên thơm ngon và dễ tiêu hóa hơn.
• Chất nhồi:
  • Trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất dầu rắn ở các mức tiêu chuẩn khác nhau.
  • Trong sản xuất phanh.
  • Trong sản xuất ebonit.
  • Để sản xuất các hỗn hợp khô cho nghề sơn và trang trí.
  • Trong sản xuất các hỗn hợp cho một số loại thuốc trừ dịch hại.
  • Trong sản xuất một loại thuốc gọi là “Polikar” để chống lại sự thối rữa (do nấm) của rau, quả trong khi lưu giữ.
• Trong dạng bột nhão có tác dụng kháng vi trùng để điều trị 
• Trong nông nghiệp: Dùng để khử chua đất trồng.

Nguy hiểm

Khi dùng hyđroxyt canxi quá liều có thể gây ra các triệu chứng nguy hiểm, bao gồm:

• Khó thở
• Chảy máu trong
• Hạ huyết áp
• Liệt cơ xương, gây nhiễu hệ thống actin-myosin.
• Tăng pH trong máu, gây tổn thương các nội tạng

2/ Phosphor

Phốtpho, (từ tiếng Hy Lạp: phôs có nghĩa là “ánh sáng” và phoros nghĩa là “người/vật mang”), là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu P và số nguyên tử 15. Là một phi kim đa hóa trị trong nhóm nitơ, phốtpho chủ yếu được tìm thấy trong các loại đá phốtphat vô cơ và trong các cơ thể sống. Do độ hoạt động hóa học cao, không bao giờ người ta tìm thấy nó ở dạng đơn chất trong tự nhiên. Nó phát xạ ra ánh sáng nhạt khi bị phơi ra trước ôxy (vì thế có tên gọi của nó trong tiếng Latinh để chỉ “ngôi sao buổi sáng”, từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “ánh sáng” và “mang”), và xuất hiện dưới một số dạng thù hình. Nó cũng là nguyên tố thiết yếu cho các cơ thể sống. Sử dụng quan trọng nhất trong thương mại của nó là để sản xuất phân bón. Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các loại vật liệu nổ, diêm, pháo hoa, thuốc trừ sâu, kem đánh răng và chất tẩy rửa.

Các đặc trưng nổi bật

Dạng phổ biến của phốtpho là chất rắn dạng sáp có màu trắng có mùi đặc trưng khó ngửi tương tự như tỏi. Dạng tinh khiết của nó là không màu và trong suốt. Phi kim này không hòa tan trong nước nhưng hòa tan trong đisulfua cacbon. Phốtpho tinh khiết bắt cháy ngay trong không khí và tạo ra khói trắng chứa điphốtpho pentaôxít P₂O₅.

Thù hình

Phốtpho tồn tại dưới ba dạng thù hình cơ bản có màu: trắng, đỏ và đen. Các dạng thù hình khác cũng có thể tồn tại. Phổ biến nhất là phốt pho trắng và phốt pho đỏ, cả hai đều chứa các mạng gồm các nhóm phân bổ kiểu tứ diện gồm 4 nguyên tử phốtpho. Các tứ diện của phốt pho trắng tạo thành các nhóm riêng; các tứ diện của phốtpho đỏ liên kết với nhau thành chuỗi. Phốtpho trắng cháy khi tiếp xúc với không khí hay khi bị tiếp xúc với nguồn nhiệt và ánh sáng.

Phốtpho cũng tồn tại trong các dạng ưa thích về mặt động học và nhiệt động lực học. Chúng được tách ra ở nhiệt độ chuyển tiếp -3,8 °C. Một dạng gọi là dạng “alpha“, dạng kia gọi là “beta“. Phốtpho đỏ là tương đối ổn định và thăng hoa ở áp suất 1 atm và 170 °C nhưng cháy do va chạm hay nhiệt do ma sát. Thù hình phốtpho đen tồn tại và có cấu trúc tương tự như graphit – các nguyên tử được sắp xếp trong các lớp theo tấm lục giác và có tính dẫn điện.

Ứng dụng

Axít phốtphoric đậm đặc, có thể chứa tới 70% – 75% P₂O₅ là rất quan trọng đối với ngành nông nghiệp do nó được dùng để sản xuất phân bón. Nhu cầu toàn cầu về phân bón đã dẫn tới sự tăng trưởng đáng kể trong sản xuất phốtphat (PO₄^3-) trong nửa sau của thế kỷ 20. Các sử dụng khác còn có:

• Các phốtphat được dùng trong sản xuất các loại thủy tinh đặc biệt được sử dụng trong các loại đèn hơi natri.
• Tro xương, phốtphat canxi, được sử dụng trong sản xuất đồ sứ.
• Tripolyphốtphat natri được sản xuất từ axít phốphoric được sử dụng trong bột giặt ở một số quốc gia, nhưng lại bị cấm ở một số quốc gia khác.
• Axít phốtphoric được sản xuất từ phốtpho nguyên tố được sử dụng trong các ứng dụng như các đồ uống chứa sôđa. Axít này cũng là điểm khởi đầu để chế tạo các phốtphat cấp thực phẩm. Các hóa chất này bao gồm phốtphat mônôcanxi được dùng trong bột nở và tripolyphốtphat natri và các phốtphat khác của natri. Trong số các ứng dụng khác, các hóa chất này được dùng để cải thiện các đặc trưng của thịt hay pho mát đã chế biến. Người ta còn dùng nó trong thuốc đánh răng. Phốtphat trinatri được dùng trong các chất làm sạch để làm mềm nước và chống ăn mòn cho các đường ống/nồi hơi.
• Phốtpho được sử dụng rộng rãi để sản xuất các hợp chất hữu cơ chứa phốtpho, thôngqua các chất trung gian như clorua phốtpho và sulfua phốtpho. Các chất này có nhiều ứng dụng, bao gồm các chất làm dẻo, các chất làm chậm cháy, thuốc trừ sâu, các chất chiết và các chất xử lý nước.
• Nguyên tố này cũng là thành phần quan trọng trong sản xuất thép, trong sản xuất đồng thau chứa phốtpho và trong nhiều sản phẩm liên quan khác.
• Phốtpho trắng được sử dụng trong các ứng dụng quân sự như bom lửa, tạo ra các màn khói như trong các bình khói và bom khói, và trong đạn lửa.
• Phốtpho đỏ được sử dụng để sản xuất các vỏ bao diêm an toàn, pháo hoa và nhất là mêtamphếtamin (C₁₀H₁₅N).
• Với một lượng nhỏ, phốtpho được dùng như là chất thêm vào cho các loại bán dẫn loại n.
• Phốtpho P³² và phốtpho P³³ được dùng như là các chất phát hiện dấu vết phóng xạ trong các phòng thí nghiệm hóa sinh học (xem Đồng vị dưới đây)

Vai trò sinh học

Phốtpho là nguyên tố quan trọng trong mọi dạng hình sự sống đã biết. Phốtpho vô cơ trong dạng phốtphat PO₄^3- đóng một vai trò quan trọng trong các phân tử sinh học như ADN và ARN trong đó nó tạo thành một phần của phần cấu trúc cốt tủy của các phân tử này. Các tế bào sống cũng sử dụng phốtphat để vận chuyển năng lượng tế bào thông qua ađênôsin triphốtphat (ATP). Gần như mọi tiến trình trong tế bào có sử dụng năng lượng đều có nó trong dạng ATP. ATP cũng là quan trọng trong phốtphat hóa, một dạng điều chỉnh quan trọng trong các tế bào. Các phốtpholipit là thành phần cấu trúc chủ yếu của mọi màng tế bào. Các muối phốtphat canxi được các động vật dùng để làm cứng xương của chúng. Trung bình trong cơ thể người chứa khoảng gần 1 kg phốtpho, và khoảng ba phần tư số đó nằm trong xương và răng dưới dạng apatit. Một người lớn ăn uống đầy đủ tiêu thụ và bài tiết ra khoảng 1-3 g phốtpho trong ngày trong dạng phốtphat.

Theo thuật ngữ sinh thái học, phốtpho thường được coi là chất dinh dưỡng giới hạn trong nhiều môi trường, tức là khả năng có sẵn của phốtpho điều chỉnh tốc độ tăng trưởng của nhiều sinh vật. Trong các hệ sinh thái sự dư thừa phốtpho có thể là một vấn đề, đặc biệt là trong các hệ thủy sinh thái, xem thêm sự dinh dưỡng tốt và bùng nổ tảo.

Lịch sử

Phốtpho (từ tiếng Hy Lạp phosphoros, có nghĩa là “vật mang ánh sáng” và nó cũng là tên gọi cổ đại của Sao Kim) đã được nhà giả kim thuật người Đức là Hennig Brand phát hiện năm 1669 thông qua việc điều chế nước tiểu. Làm việc ở Hamburg, Brand đã cố gắng chưng cất các muối bằng cách cho bay hơi nước tiểu, và trong quá trình đó ông đã thu được một khoáng chất màu trắng phát sáng trong bóng đêm và cháy sáng rực rỡ. Kể từ đó, chữ lân quang, liên quan đến các ánh sáng lân tinh của phốtpho, đã được sử dụng để miêu tả các chất phát sáng trong bóng tối mà không cần cháy. Tuy nhiên bản chất vật lý của hiện tượng lân quang không trùng với cơ chế phát sáng của phốtpho: Brand đã không nhận ra rằng thực tế phốtpho cháy âm ỉ khi phát sáng.

Các loại diêm đầu tiên sử dụng phốtpho trắng trong thành phần của chúng, nó là nguy hiểm do độc tính của phốtpho trắng. Các trường hợp giết người, tự sát và các vụ ngộ độc ngẫu nhiên là hậu quả của việc sử dụng chất này. Ngoài ra, sự phơi nhiễm trước hơi phốtpho đã làm cho nhiều công nhân bị mắc chứng bệnh chết hoại xương hàm. Khi phốtpho đỏ được phát hiện, khả năng cháy kém hơn cũng như độc tính thấp hơn của nó đã làm cho dạng phốtpho này được nhanh chóng chấp nhận như là chất thay thế cho phốtpho trắng trong sản xuất diêm.

Phòng ngừa

Đây là nguyên tố có độc tính với 50 mg là liều trung bình gây chết người (phốtpho trắng nói chung được coi là dạng độc hại của phốtpho trong khi phốtphat và orthophốtphat lại là các chất dinh dưỡng thiết yếu). Thù hình phốtpho trắng cần được bảo quản dưới dạng ngâm nước do nó có độ hoạt động hóa học rất cao với ôxy trong khí quyển và gây ra nguy hiểm cháy và thao tác với nó cần được thực hiện bằng kẹp chuyên dụng do việc tiếp xúc trực tiếp với da có thể sinh ra các vết bỏng nghiêm trọng. Ngộ độc mãn tính phốtpho trắng đối với các công nhân không được trang bị bảo hộ lao động tốt dẫn đến chứng chết hoại xương hàm. Nuốt phải phốtpho trắng có thể sinh ra tình trạng mà trong y tế gọi là “hội chứng tiêu chảy khói”. Các hợp chất hữu cơ của phốtpho tạo ra một lớp lớn các chất, một số trong đó là cực kỳ độc. Các este florophốtphat thuộc về số các chất độc thần kinh có hiệu lực mạnh nhất mà người ta đã biết. Một loạt các hợp chất hữu cơ chứa phốtpho được sử dụng bằng độc tính của chúng để làm các thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm v.v. Phần lớn các phốtphat vô cơ là tương đối không độc và là các chất dinh dưỡng thiết yếu.

Khi phốtpho trắng bị đưa ra ánh sáng Mặt Trời hay bị đốt nóng thành dạng hơi ở 250 °C thì nó chuyển thành dạng phốtpho đỏ, và nó không tự cháy trong không khí, do vậy nó không nguy hiểm như phốtpho trắng. Tuy nhiên, việc tiếp xúc với nó vẫn cần sự thận trọng do nó cũng có thể chuyển thành dạng phốtpho trắng trong một khoảng nhiệt độ nhất định và nó cũng tỏa ra khói có độc tính cao chứa các ôxít phốtpho khi bị đốt nóng.

Khi bị phơi nhiễm phốtpho, trong quá khứ người ta đề nghị rửa bằng dung dịch chứa 2% sulfat đồng CuSO₄ để tạo ra một hợp chất không độc có thể rửa sạch. Tuy nhiên, theo báo cáo của Hải quân Mỹ gần đây thì “…sulfat đồng có độc tính và việc sử dụng nó sẽ được dừng lại. Sulfat đồng có thể gây độc cho thận và não cũng như phá hủy hồng cầu trong mạch máu.”

3/ Magnesium

Magie, tiếng Việt còn được đọc là Ma-nhê (Latinh: Magnesium) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Mg và số nguyên tử bằng 12.

Thuộc tính

Magie là kim loại tương đối cứng, màu trắng bạc, nhẹ (chỉ nặng khoảng 2/3 nhôm nếu cùng thể tích) bị xỉn nhẹ đi khi để ngoài không khí. Ở dạng bột, kim loại này bị đốt nóng và bắt lửa khi để vào chỗ ẩm và cháy với ngọn lửa màu trắng. Khi ở dạng tấm dày, nó khó bắt lửa, nhưng khi ở dạng lá mỏng thì nó bắt cháy rất dễ. Khi đã bắt lửa, rất khó dập, nó có thể cháy trong nitơ (tạo ra magie nitrua) và cả trong cacbon dioxit.

Lịch sử

Tên gọi của nó có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, khi chỉ tới một khu vực ở Thessaly gọi là Magnesia. Người Anh Joseph Black nhận ra magie là một nguyên tố vào năm 1755, Năm 1808, Sir Humphrey Davy bằng điện phân đã cô lập được kim loại magie nguyên chất từ hỗn hợp của magnesia và HgO. Năm 1831, A. A. B. Bussy điều chế được nó trong dạng cố kết. Magie là nguyên tố phổ biến thứ 8 trong vỏ Trái Đất. Nó là một kim loại kiềm thổ, vì thế không tồn tại trong tự nhiên ở dạng đơn chất. Nó được tìm thấy trong các khoáng chất như magnesit, dolomit v.v.

Ứng dụng

Các hợp chất của magie, chủ yếu là magie oxit, được sử dụng như là vật liệu chịu lửa trong các lò sản xuất sắt và thép, các kim loại màu, thủy tinh hay xi măng. Magie oxit và các hợp chất khác cũng được sử dụng trong nông nghiệp, công nghiệp hóa chất và xây dựng. Nó được sử dụng để tạo các hợp kim nhôm – magie dùng trong sản xuất vỏ đồ hộp, cũng như trong các thành phần cấu trúc của ô tô và máy móc. Ngoài ra magie kim loại còn được sử dụng để khử lưu huỳnh từ sắt hay thép.

Các công dụng khác:

• Magie, giống như nhôm, là cứng và nhẹ, vì thế nó được sử dụng trong một số các thành phần cấu trúc của các loại xe tải và ô tô dung tích lớn. Đặc biệt, các bánh xe ô tô cấp cao được làm từ hợp kim magie được gọi là mag wheels (tiếng Anh, nghĩa là bánh xe magie).
• Các tấm khắc quang học trong công nghiệp in.
• Nằm trong hợp kim, nó là quan trọng cho các kết cấu máy bay và tên lửa.
• Khi pha thêm vào nhôm, nó cải thiện các tính chất cơ-lý, làm nhôm dễ hàn và dễ chế tạo hơn.
• Là tác nhân bổ sung trong các chất nổ thông thường và sử dụng trong sản xuất gang cầu.
• Là chất khử để sản xuất urani tinh khiết và các kim loại khác từ muối của chúng.
• Magie hydroxit Mg(OH)₂ được sử dụng trong sữa magie, magie clorua và magie sulfat trong các muối Epsom và magie citrat được sử dụng trong y tế.
• Magnesit quá nhiệt được sử dụng làm vật liệu chịu lửa như gạch.
• Bột magie cacbonat (MgCO₃) được sử dụng bởi các vận động viên điền kinh như các vận động viên thể dục dụng cụ và cử tạ, để cải thiện khả năng nắm chặt dụng cụ.
• Magie stearat là chất bột màu trắng dễ cháy với các thuộc tính bôi trơn. Trong công nghệ dược phẩm nó được sử dụng trong sản xuất các viên thuốc nén, để ngăn cho các viên nén không bị dính vào thiết bị trong quá trình nén thuốc.
• Các sử dụng khác bao gồm đèn flash trong nhiếp ảnh, pháo hoa, bao gồm cả bom cháy.

Nguồn

Kim loại này được sản xuất thông qua điện phân magie clorua nóng chảy, thu được từ các nguồn nước mặn, nước suối khoáng hay nước biển. Mặc dù magie được tìm thấy trong hơn 60 khoáng chất, nhưng chỉ có dolomit, magnesit, bruxit, cacnalit, bột tan, và olivin là có giá trị thương mại.

Cô lập:

• catốt: Mg²⁺ + 2e^– → Mg
• anốt: 2Cl^– → Cl₂ (khí) + 2e^–

Hợp chất trong cơ thể sống

Magie hữu cơ là quan trọng cho cả thực vật và động vật. Chất diệp lục (Chlorophyll) là các porphyrin có magie ở trung tâm. Khẩu phần dinh dưỡng của người lớn là 300-400 mg/ngày, phụ thuộc vào tuổi tác, giới tính, trọng lượng. Nhiều loại enzyme cần có cation magie cho các phản ứng xúc tác của chúng, đặc biệt là các enzyme sử dụng ATP. Không đủ magie trong cơ thể sinh ra các chứng co thắt cơ, và nó liên quan đến các chứng bệnh tim mạch (cardiovascular), tiểu đường, huyết áp cao và loãng xương. Sự thiếu hụt cấp tính là hiếm hơn.

Các nguồn thức ăn

Các loại rau xanh như rau bi na (spinach) cung cấp nhiều magie vì nguyên tử trung tâm của chất diệp lục là magie. Các loại quả hạch, hạt, một số ngũ cốc là nguồn cung cấp magie.

Việc ăn uống nhiều loại thức ăn khác nhau sẽ cung cấp tương đối đầy đủ magie cho cơ thể.

Magie trong các loại lương thực, thực phẩm chế biến quá kỹ thông thường bị mất nhiều magie. Ví dụ, bánh mì trắng thông thường có ít magie hơn bánh mì đen vì cám và phôi giàu magie đã bị loại bỏ khi làm trắng bột mì.

Nước có thể cung cấp magie, nhưng lượng magie này thường nhỏ và dao động theo nguồn nước. Nước “cứng” chứa nhiều magie hơn nước “mềm”. Các nghiên cứu về dinh dưỡng không tính đến lượng magie này, và do vậy có thể dẫn đến việc tính không đầy đủ lượng magie cần thiết cho cơ thể.

Dưới đây là một số loại thức ăn và lượng magie chúng có:

• Rau bi na (1/2 chén) = 80 miligam (mg)
• Dầu lạc (2 thìa chè) = 50 mg
• Các loại đậu mắt đen (1/2 chén) = 45 mg
• Sữa, ít béo (1 cup) = 40 mg

Cảnh báo

Magie kim loại và hợp kim là rất dễ cháy trong dạng nguyên chất và dễ chảy khi ở dạng bột. Magie phản ứng và giải phóng nhiệt rất nhanh khi tiếp xúc với không khí hay nước, do vậy phải cẩn thận khi làm việc với chúng. Cần phải đeo kính khi làm việc với magie. Ánh sáng trắng chói lòa của magie có thể làm tổn thương mắt. Không được dùng nước để dập ngọn lửa cháy do magie, vì nó làm ngọn lửa cháy to hơn, theo phản ứng sau:

Mg_(rắn) + 2H₂O_(lỏng) → Mg(OH)_{2(dung dịch)} + H_2(khí)

Các bình cứu hỏa chứa điôxít cacbon CO₂ cũng không được dùng do magie cháy trong cacbon dioxit. Phải dập lửa bằng cát hay các bình cứu hỏa bằng hóa chất khô cấp D (nếu có) hoặc dùng bột phủ vào để dập lửa do Magie gây nên

Mức cao nhất theo DRI để hấp thụ magie là 350 mg/ngày. Triệu chứng chung của thừa magie là tiêu chảy. Không được cấp cho trẻ em các loại hình thuốc chứa magie.

4/ Natrium

Natri (phát âm: nát-ri, bắt nguồn từ từ tiếng Latinh mới: natrium) là tên một nguyên tố hóa học hóa trị một trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Na và số nguyên tử bằng 11, nguyên tử khối bằng 23. Natri là kim loại mềm, màu trắng bạc, hoạt động mạnh, và thuộc nhóm kim loại kiềm; nó chỉ có một đồng vị bền là ²³Na. Kim loại nguyên chất không có mặt trong tư nhiên nhưng để có được dạng này phải điều chế từ các hợp chất của nó; natri được Humphry Davy cô lập đầu tiên năm 1807 bằng cách điện phân natri hyđrôxit. Natri là nguyên tố phổ biến nhất thứ 6 trong vỏ Trái Đất, và có mặt trong nhiều loại khoáng vật như felspat, sodalit và đá muối. Nhiều loại muối natri là những hợp chất hòa tan mạnh trong nước, và natri của chúng bị rò rỉ do hoạt động của nước nên clo và natri là các nguyên tố hòa tan phổ biến nhất theo khối lượng trong các vùng biển trên Trái Đất.

Nhiều hợp chất natri được sử dụng rộng rãi như natri hydroxide để làm xà phòng, và natri clorua dùng làm chất tan băng và là một chất dinh dưỡng (muối ăn). Natri là một nguyên tố thiết yếu cho tất cả động vật và một số thực vật. Ở động vật, các ion natri được dùng làm chất đối nghịch với các ion kali để tạo thành các điện tích trên các màng tế bào, cho phép truyền các xung thần kinh khi điện tích bị mất đi. Nhu cầu thiết yếu của natri đối với động vật làm cho nó được phân loại là một khoáng vô cơ trong khẩu phần ăn.

Tính chất vật lý

Natri ở điều kiện nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn là một kim loại mềm, màu bạc, khi bị ôxy hóa chuyển sang màu trắng xám trừ khi nó được cất giữ trong dầu hoặc khí trơ. Natri có thể bị cắt dễ dàng bằng dao, và là một chất dẫn nhiệt và điện tốt. Các tính chất này thay đổi rõ rệt khi tăng áp suất: ở 1,5 Mbar, màu sắc thay đổi từ bạc sang đen; ở 1,9 Mbar vật liệu trở nên trong, có màu đỏ; và ở 3 Mbar natri là chất rắn trong suốt không màu. Tất cả các đồng phân ở áp suất cao này là chất cách điện và electride.

Khi natri hoặc các hợp chất của natri cháy, chúng chuyển thành màu vàng, do các electron ở lớp 3s của natri bị kích thích phát ra photon khi chúng từ phân lớp 3p trở về 3s; bước sóng của các photon này tương ứng với đường D có giá trị 589,3 nm. Tương tác orbitan liên quan đến electron trong phân lớp 3p chia đường D thành 2; cấu trúc siêu mịn liên quan đến cả 2 orbitan tạo ra nhiều đường hơn.

Tính chất hóa học

Natri thường ít phản ứng hơn kali và phản ứng mạnh hơn liti. Natri nổi trong nước và có phản ứng mãnh liệt với nước, tạo ra hiđrô và các ion hiđrôxit. Nếu được chế thành dạng bột đủ mịn, natri sẽ tự bốc cháy trong không khí. Kim loại natri có tính khử mạnh, để khử các ion natri cần −2.71 vôn. Do đó, để tách natri kim loại từ các hợp chất của nó cần sử dụng một lượng năng lượng lớn. Tuy nhiên, kali và liti còn có mức âm nhiều hơn.

Ứng dụng

Natri trong dạng kim loại của nó là thành phần quan trọng trong sản xuất este và các hợp chất hữu cơ. Kim loại kiềm này là thành phần của clorua natri (NaCl)(muối ăn) là một chất quan trọng cho sự sống. Các ứng dụng khác còn có:

• Trong một số hợp kim để cải thiện cấu trúc của chúng.
• Trong xà phòng (trong hợp chất với các axít béo).
• Để làm trơn bề mặt kim loại.
• Để làm tinh khiết kim loại nóng chảy.
• Trong các đèn hơi natri, một thiết bị cung cấp ánh sáng từ điện năng có hiệu quả.
• Như là một chất lỏng dẫn nhiệt trong một số loại lò phản ứng nguyên tử.

Hợp chất

Clorua natri, được biết đến nhiều hơn như muối ăn, là hợp chất phổ biến nhất của natri được sử dụng làm các chất chống đông đá và tan đá và chất bảo quản. Natri bicacbonat được sử dụng chủ yếu trong nấu ăn. Cùng với kali, nhiều dược phẩm quan trọng đã cho thêm natri vào để cải thiện ứng dụng sinh học của chúng; mặc dù trong hầu hết các trường hợp, kali là loại ion tốt hơn, natri được chọn do chi phí và khối lượng nguyên tử thấp.Natri hydrat được dùng làm chất nền cho nhiều phản ứng khác nhau (như phản ứng aldol) trong hóa hữu cơ, và là chất khử trong hóa vô cơ. Natri còn có mặt trong nhiều khoáng chất, chẳng hạn amphibôn, cryôlit, muối mỏ, diêm tiêu, zêôlit, v.v. Các hợp chất của natri rất quan trọng trong các công nghiệp hóa chất, thủy tinh, luyện kim, sản xuất giấy, dầu mỏ, xà phòng và dệt may. Nói chung xà phòng là muối của natri với các axít béo. Các xà phòng natri là cứng hơn (độ nóng chảy cao hơn) so với xà phòng kali.

Các hợp chất quan trọng nhất đối với công nghiệp là muối (NaCl), sôđa khan (Na₂CO₃), bột nở (NaHCO₃), xút ăn da (NaOH), diêm tiêuChile (NaNO₃), đi- và tri-natri phốtphat, thiôsulfat natri (hypô, Na₂S₂O₃·5H₂O), và borax (Na₂B₄O₇·10H₂O). Trong các hợp chất của nó, natri thường tạo liên kết ion với nước và các anion, và được xem là một axit Lewis mạnh.

Cảnh báo

Dạng bột của natri là chất nổ mạnh trong nước và là chất độc có khả năng liên kết và rời liên kết với nhiều nguyên tố khác. Làm việc hay tiếp xúc với natri phải cực kỳ cẩn thận trong mọi lúc, mọi nơi. Natri phải được bảo quản trong khí trơ hay dưới các lớp dầu mỏ.

Sinh lý học và ion Na

Các ion natri đóng vai trò khác nhau trong nhiều quá trình sinh lý học. Ví dụ, các tế bào dễ bị kích thích dựa vào sự tiếp nhận ion Na⁺ để sinh ra sự phân cực. Một ví dụ của nó là biến đổi tín hiệu trong hệ thần kinh trung ương.

5/ Kalium

Kali (bắt nguồn từ từ tiếng Latinh mới: kalium) là nguyên tố hoá học ký hiệu K, số thứ tự 19 trong bảng tuần hoàn. Nó là một kim loại kiềm. Nó còn gọi là bồ tạt (mặc dù bồ tạt để chỉ tới kali cacbonat K₂CO₃ thì chính xác hơn) hay pô tát (potassium). Kali nguyên tố là kim loại kiềm mềm, có màu trắng bạc dễ bị ôxy hóa nhanh trong không khí và phản ứng rất mạnh với nước tạo ra một lượng nhiệt đủ để đốt cháy lượng hyđrô sinh ra trong phản ứng này. Kali cháy có ngọn lửa có màu hoa cà.

Do Kali và Natri có tính chất hóa học rất giống nhau nên các muối của chúng lúc đầu là không có sự khác nhau. Sự tồn tại nhiều nguyên tố trong muối của chúng đã được tiên đoán từ năm 1702, và điều này đã được chứng minh năm 1807 khi natri và kali được cô lập một cách độc lập từ các muối khác nhau bởi cách điện phân. Kali tồn tại trong tự nhiên ở dạng các muối ion. Do đó, nó được tìm thấy ở dạng hòa tan trong nước biển (với khoảng 0,04% kali theo khối lượng), và nó có mặt trong nhiều khoáng vật.

Hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp của kali là nhờ vào khả năng hòa tan tương đối cao của các hợp chất kali trong nước như bánh xà phòng kali. Kim loại kali chỉ có một vài ứng dụng đặc biệt như là nguyên tố được thay thế cho natri kim loại trong hầu hết các phản ứng hóa học.

Các ion kali cần thiết cho các chứng năng tế bào của tất cả sinh vật. Ion kali là tác nhân cơ học chính trong truyền dẫn nơron. Sự suy giảm kali trong động vật, bao gồm cả con người, dẫn đến rối loạn các chức năng khác nhau của tim. Kali tích tụ trong các tế bào thực vật, và do đó các trái cây tươi và rau là những nguồn cung cấp lượng kali tốt cho cơ thể. Ngược lại, hầu hết thực vật ngoại trừ một vài halophyte đặc biệt là không dung nạp muối, và chỉ có natri có mặt trong chúng với một nồng độ rất thấp. Điều này làm cho kali ban đầu được cô lập từ potash, các dạng tro của thực vật, nên kali trong tiếng Anh được đặt theo hợp chất này. Cùng vì lý do đó nên những vụ canh tác với sản lượng lớn đã làm cạn kiệt nguồn kali một cách nhanh chóng, nên phân bón nông nghiệp tiêu thụ đến 95% loại có chứa kali trên toàn cầu.

Tính chất

Vật lý

Các nguyên tử kali có 19 electron nhiều hơn trạng thái bền vững của khí hiếm gần nhất argon 1 electron. Nguyên tử kali trong trường hợp này dễ mất 1 nguyên tử ngoài cùng hơn là kiếm thêm 1 nữa để đạt trang thái bền; tuy nhiên, các ion K^– cũng được biết đến. Do mức năng lượng ion hóa thứ nhất thấp (418,8 kJ/mol) nguyên tử kali dễ dàng mất đi 1 electron và oxy hóa thành cation K⁺. Quá trình này cần rất ít năng lượng để kali dễ dàng bị ôxy hóa bởi ôxy trong khí quyển. Ngược lại, mức năng lượng ion hóa thứ hai rất cao (3052 kJ/mol), do phải loại loại bỏ 2 electron khi phá vỡ trạng thái bền vững của cấu hình khí hiếm. Do đó, kali không sẵn sàng để tạo thành các hợp chất ở trạng thái ôxy hóa +2 (hoặc cao hơn).

Kali là kim loại nhẹ thứ 2 sau liti. Nó là chất rắn mềm có điểm nóng chảy thấp và có thể dùng dao để cắt dễ dàng. Vết cắt tương của kali có màu bạc, nhưng ngay lập tức sẽ lu mờ chuyển sang màu xám sau khi tiếp xúc với không khí, nên nó phải được bảo quản trong dầu mỏ hay dầu lửa. Trong thí nghiệm ngọn lửa, kali và các hợp chất của nó phát ra màu hoa cà với đỉnh bức xạ ở bước sóng 766,5 nm 

Hóa học

Kali phản ứng với ôxy trong không khí tạo thành kali perôxít và phản ứng với nước tạo thành kali hyđroxít. Phản ứng của kali với nước rất nguy hiểm vì tính mãnh liệt của nó vào tạo ra khí hidro. Khí hidro tiếp tục phản ứng với ôxy trong khí quyển tạo thành nước, lượng nước này lại tiếp tục phản ứng với kali dư. Phản ứng này chỉ cần sự có mặt của một ít nước; vì vậy kali và hợp kim lỏng của nó với natri là NaK là những chất hút ẩm mạnh có thể được dùng để làm khô các dung môi trước khi đưa vào chưng cất.

Do tính nhạy cảm của kali với nước và không khí, các phản ứng chỉ có thể xảy ra trong khí quyển trơ như khí argon dùng công nghệ chân không. Kali không phản ứng với hầu hết hydrocarbon như dầu khoáng hoặc kerosene. Nó dễ hòa tan trong ammoniac lỏng với nồng độ lên đến 480 ppm ở 0 °C. Tùy theo nồng độ, các dung dịch ammoniac sẽ có màu xanh dương đến vàng, và độ dẫn điện của chúng tương tự như độ dẫn điện của kim loại lỏng. Ở dạng dung dịch tinh khiết, kali phản ứng chậm với ammoniac tạo thành KNH₂, nhưng phản ứng này được tăng tốc khi thêm một lượng nhỏ muối của các kim loại chuyển tiếp. Nó có thể khử các muối thành kim loại; kali thường được dùng làm chất khử trong việc pha chế các kim loại được mịn từ các muối của chúng bằng phương pháp Rieke.Ví dụ, dùng kali làm chất khử để điều chế magiê bằng phương pháp Rieke từ magiê clorua:

MgCl₂ + 2 K → Mg + 2 KCl

Hợp chất

Kali chỉ có một trạng thái ôxy hóa phổ biến là +1. Kim loại kali là chất phản ứng mạnh do nó dễ dàng bị ôxy hóa tạo ra cation K⁺. Khi bị ôxy hóa nó rất bền và khó bị khử trở lại thành kim loại.

Kali hydroxit dễ dàng phản ứng với cacbon đi ô xít tạo ra kali cacbonat, và được dùng để loại các tạo chất khí trong không khí. Nhìn chung, các hợp chất kali hòa tan trong nước rất tốt, do năng lượng hydrat hóa của ion K⁺ cao. Ion kali không màu khi tan trong nước và rất khó kết tủa; nó có thể kết tủa với natri tetraphenylborat, axít hexachloroplatinic, và natri cobaltinitrit.

Kali ôxy hóa nhanh hơn hầu hết các kim loại và tạo thành các ôxít với các liên kết ôxy-ôxy, cũng giống như các kim loại kiềm khác trừ liti. Có 3 loại ôxít được hình thành trong phản ứng này gồm kali ôxít, kali perôxít, và kali superôxít, gồm 3 kiểu ion gốc ôxy khác nhau: ôxít (O²⁻), perôxít (O2−2), và superôxít (O−2). Hai hợp chất sau, đặc biệt là superôxít thì hiếm gặp và chỉ được tạo ra trong phản ứng với các kim loại có tính dương điện cao; các hợp chất này chứa các liên kết ôxy-ôxy. Tất cả các hợp chất kali hai phân tử đã được biết đến phản ứng rất mãnh liệt với nước tạo thành kali hyđrôxít, đây là hợp chất có tính kiềm rất mạnh và 1,21 kg chất kiềm này có thể hòa tan trong khoảng 1 lít nước.

Trong dung môi nước

các hợp chất kali phân li mạnh và hầu hết chúng có thể hòa tan trong nước. Các dạng chính tồn tại trong nước là các hợp chất phức [K(H₂O)_n]⁺ với n = 6 và 7. Một ít muối của nó hòa tan kém trong nước như kali tetraphenylborat, kali hexachloroplatinat, và kali cobaltinitrit.

 

Vai trò sinh học

Chức năng sinh học

Kali là nguyên tố phổ biến thứ 8 hoặc 9 theo khối lượng (0,2%) trong cơ thể người, vì vậy một người trưởng thành có cân nặng 60 kg chứa khoảng 120 g kali. Cơ thể người có nhiều kali giống như lưu huỳnh và clo, và chỉ có các khoáng chất chính như canxi và phốt pho là dồi dào nhất.

Các cation kali có vai trò quan trọng trong các tế bào thần kinh (não và thần kinh), và trong việc ảnh hưởng đến sự cân bằng thẩm thấu giữa các tế bào và dịch kẽ (ngoại bào chất) với sự phân bố của chúng trong tất cả các môi trường trung gian ở tất cả động vật (không phải ở tất cả thực vật) bằng cách bơm được gọi là Na+/K+-ATPase. Sự bơm ion này sử dụng ATP để bơm 3 ion natri ra khỏi tế bào và 2 ion kali vào bên trong tế bào, do vậy nó tạo ra một gradient hóa điện trên tất cả màng tế bào. Ngoài ra, các kên ion kali có tính chọn lọc vao có vai trò quan trọng trong sự phân cực, ví dụ trong các nơron, after an action potential is fired. Kên ion kali đã được giải quyết gần đây nhất là KirBac3.1, đưa ra tổng cộng 5 kênh ion kali (KcsA, KirBac1.1, KirBac3.1, KvAP, và MthK) có cấu trúc xác định. Tất cả 5 kênh đều từ các loài sinh vật nhân sơ.

Kali có thể nhận dạng được thông qua vị của nó do nó tác động vào 3 trong số 5 loại của vị giác nhưng tùy thuộc vào nồng độ. Các ion kali trong dung dịch loãng có vị ngọt, cho phép có nồng độ trung bình trong sữa và nước ép trái cây, trong khi nồng độ cao hơn sẽ làm tăng vị đắng do tính kiềm, và cuối cùng là vị mặn. Sự kết hợp của vị đắng và mặn trong các dung dịch có nhiều kali bổ sung trong các đồ uống làm cho chúng có vị ngon là một thách thức.

Màng phân cực

Kali cũng có vai trò quan trọng trong chống co cơ và việc gởi tất cả các xung động thần kinh ở động vật qua các tiềm năng hành động (Action potential). Do bản chất của tính điện và hóa của chúng, các ion K⁺ lớn hơn các ion Na⁺, và các kênh và các bơm ion trong các màng tế bào có thể phân biệt giữa hai loại ion này, bơm chủ động hay cho phép đi qua thụ động một trong hai ion đồng thời ngăn cản ion còn lại.

Sự thiếu hụt kali trong các dung dịch trong cơ thể có thể gây ra các tình trạng có thể tử vong như thiếu kali máu, đặc biệt gây nôn mửa, tiêu chảy, và/hoặc tăng bài tiết niệu đạo. Các triệu chứng thiếu hụt kali gồm yếu cơ, liệt ruột, bất thường ECG (điệm tâm đồ), giảm phản xạ và trong các trường hợp nghiêm trọng có thể gây liệt hô hấp, alkalosis và loạn nhip tim.

Lọc và bài tiết

Kali là một khoáng chất thiết yếu trong cơ thể con người; nó là cation chính bên trong các tế bào động vật, và do đó nó co vai trò quan trọng trong việc duy trì chất dịch và cân bằng điện giải trong cơ thể. Natri cấu thành nên hầu hết các cation trong plasma máu ở dãy tham chiếu vào khoảng 145 mmol/L (3,345 g)(1 mmol/L = 1mEq/L), và kali cấu thành nên hầu hết các cation dung dịch tế bào với mức khoảng 150 mmol/L (4,8 g). Plasma được lọc qua cầu thận của các quả thận mơi một lượng lớn với khoảng 180 lit/ngày. Do vậy mỗi ngày có 602 g natri và 33 g kali được lọc. Chỉ có 1–10 g natri và 1–4 g kali có thể có trong thức ăn phải được tái hấp thu. Natri phải được tái hấp thu theo cách giữ một lượng máu chính xác và áp suất thẩm thấu đúng; kali phải được tái hấp thu theo cách nào đó để giữ cho nồng độ huyết thanh càng gần với 4,8 mmol/L (khoảng 0,190 g/L) càng có thể. Các bơm natri trong thận phải luôn hoạt động để bảo tồn natri. Kali đôi khi cũng phải được bảo tồn, nhưng khi lượng kali trong plasma máu rất nhỏ và hồ kali trong các tế bào lớn khoảng 30 lần, tình hình không phải là quá nghiêm trọng đối với kali. Vì kali được di chuyển một cách thụ động ngược chiều với natri để đạt cân bằng Donnan (không thực tế), nước tiểu có thể không bao giờ chìm dưới nồng độ của kali trong huyết thanh trừ khi thỉnh thoảng có việc tiết nước chủ động vào giai đoạn cuối của quá trình. Kali được tiết ra hai lần và tái hấp thụ 3 lần trước khi nước tiểu đi đến các ống thu gom. Ở điểm đó, nó thường xuyên có nồng độ kali như plasma. Cuối quá trình, kali được tiết ra một lần nữa nếu nồng độ huyết thanh quá cao.

Nếu kali bị loại bỏ từ thức ăn, vẫn có sự đào thải từ thận với khoảng 200 mg ngày khi huyết thanh giảm 3,0–3,5 mmol/L trong khoảng 1 tuần, và có thể không bao giờ bị cắt giảm hoàn toàn, gây ra hạ kali máu và thậm chí là tử vong.

Kali di chuyển một cách thụ động qua các lỗ rỗng của màng tế bào. Khi các ion di chuyển qua các bơm, có một cổng trong các bơm ở mỗi mặt của màng tế bào và chỉ có một cổng có thể mở vào một thời điểm. Kết quả là có khoảng 100 ion bị đẩy qua trong 1 giây. Các lỗ rỗng chỉ có 1 cổng, và chỉ có một loại ion có thể đi qua với số lượng 10 triệu đến 100 triệu ion mỗi giây. Các lỗ rỗng cần cãni để mở ra mặc dù người ta nghĩ rằng canxi hoạt động ngược lại bằng cách khóa ít nhất một trong số các lỗ rỗng. Các nhóm carbonyl bên trong lỗ rỗng trên các axit amin bắt chước hydrat hóa nước diễn ra trong dung môi nước bởi bbản chất tích điện tĩnh điện trên 4 nhóm carbonyl bên trong lỗ rỗng.

Trong khẩu phần ăn

Cung cấp vừa đủ

Cung cấp vừa đủ lượng kali để hỗ trợ sự sống có thể qua việc ăn nhiều loại thực phẩm. Những trường hợp thiếu kali rõ ràng (như các triệu chứng, dấu hiện và hàm lượng nguyên tố trong máu thấp hơn bình thường) thì hiếm gặp ở những cá thể khỏe mạnh. Các loài thực phẩm giàu kali như rau mùi tây, mơ khô, sữa khô, sô cô la, nhiều loại hạt (đặc biệt là hạnh nhân và hồ trăn), khoai tây, măng, chuối, bơ, đậu nành, và cám, mặc dù nó cũng có với một lượng vừa đủ trong hầu hết trái cây, rau, thịt và cá.

Cung cấp tối đa

Các nghiên cứu dịch tễ học và các nghiên cứcu ở động vật về bệnh cao huyết áp chỉ ra rằng khẩu phần ăn có nhiều kali có thể giảm nguy cơ cao huyết áp và đột quỵ (theo một cơ chế độc lập về huyết áp), và việc thiếu hụt kali kết hợp với không cung cấp đủ thiamin đã tạo ra bệnh tim ở chuột. Có một vài tranh cãi liên quan đến lượng cung cấp kali tối đa trong khẩu phần ăn. Ví dụ, các hướng dẫn năm 2004 của Viện Y học Hoa Kỳ (Institute of Medicine) chỉ ra rằng DRI (Dietary reference intake) 4.000 mg kali (100 mEq), mặc dù hầu hết người Mỹ tiêu thụ chỉ phân nửa lượng trên mỗi ngày, điều này có thể làm cho họ thiếu kali liên quan đến hướng dẫn trên. Tương tự như thế, ở các nước EU đặc biệt là ở Đức và Ý, kali cung cấp không đủ là khác phổ biến. Các nhà nghiên cứu người Ý, trong một báo cáo năm 2011 khi phân tích rằng khi cung cấp một lượng kali cao hơn 1,64 g mỗi ngày có sự liên hệ với việc giảm 21% nguy cơ đột quỵ.

Dược phẩm và bệnh tật

Bổ sung kali ở dạng dược phẩm được sử dụng phổ biến nhất trong việc kết hợp với loop diuretic và thiazide, các phân loại lợi tiểu giúp tống ra khõi cơ thể natri và nước, nhưng tác dụng phụ cũng gây ra mất kali trong nước tiểu. Nhiều cách bổ sung ở dạng dược phẩm và không phải dược phẩm cũng có mặt. Các muối kali như kali clorua có thể cho hòa tan vào nước, nhưng vị đắng/mặn của các dung dịch có hàm lượng ion kalicao làm cho có cảm giác ngon miệng do việc bổ sung chất lỏng có nồng độ cao khó mà tạo ra được. Những liều bổ sung dạng thuốc đặc biệt dao động từ 10 mmol (400 mg, bằng khoảng 1 cốc sữa hoặc một cốc cam ép 180ml) đến 20 mmol (800 mg) một liều. Các muối kali cũng có ở dạng viên nén hoặc viên nang, dùng cho mục đích điều trị cho phép kali thoát một cách chậm chạp ra khỏi viên thuốc, vì hàm lượng các ion kali rất cao có thể giết chết các mô, và làm tổn thương đến niên mạc dạ dày hoặc niêm mạc ruột. Vì lý do này, các viên thuốc bổ sung kali không kê theo toa bị giới hạn đến 99 mg kali theo luật của Hoa Kỳ.

Ứng dụng

Phân bón

Các ion kali là thành phần thiết yếu trong dinh dưỡng thực vật và được tìm thấy trong hầu hết các loại đất. Chúng được dùng làm phân bón cho nông nghiệp, trồng trọt và hydroponic ở dạng kali clorua (KCl), kali sulfat (K₂SO₄), hoăc nitrat (KNO₃). Phân bón nông nghiệp tiêu thụ 95% các sản phẩm hóa của kali trên toàn cầu, và khoảng 90% kali được cung cấp ở dạng KCl. Thành phần kali trong hầu hết thực vật dao động từ 0,5% đến 2% khối lượng các vụ mùa, thường ở dạng K₂O. Các vụ mùa năng suất cao phụ thuộc vào lượng phân bón để bổ sung cho lượng kali mất đi do thực vật hấp thu. Hầu hết phân bón chứa kali clorua, trong khi kali sulfat được dùng cho các vụ mùa nhạy cảm với clorua hoặc vụ mùa cần lượng lưu huỳnh cao hơn. Kali sulfat được tạo ra chủ yếu bằng sự phân giải các khoáng phức của kainit (MgSO₄·KCl·3H₂O) và langbeinit (MgSO₄·K₂SO₄). Chỉ có rất ít phân bón chứa kali nitrat.Trong năm 2005, khoảng 93% sản lượng kali trên thế giới đã được tiêu thụ bởi các ngành công nghiệp phân bón.

Thực phẩm

Cation kali là dưỡng chất thiết yếu cho con người và sức khỏe. Kali clorua được dùng thay thế cho muối ăn nhằm giảm lượng cung cấp natri để kiểm soát bệnh cao huyết áp. USDA liệt kê bộ cà chua, nước cam, củ cải đường, đậu trắng, cà chua, chuối và nhiều nguồn thức ăn khác cung cấp kali được xếp theo mức độ giảm dầm hàm lượng kali.

Kali natri tartrate (KNaC₄H₄O₆, Rochelle salt) là một thành phần chính của bột nở; nó cũng được sử dụng trong các gương mạ bạc. Kali bromat (KBrO₃) là một chất ôxy hóa mạnh (E924), được dùng để tăng độ dẻo và độ nở cao của bột bánh mì. Kali bisulfit (KHSO₃) được dùng làm chất bảo quản thực phẩm, như trong rượu vang và bia (nhưng không có trong thịt). Nó cũng được sử dụng để tẩy trong dệt-nhuộm và thuộc da.

Trong phòng thí nghiệm

Hợp kim của natri và kali, NaK ở dạng chất lỏng được dùng làm chất trung gian truyền nhiệt và làm chất hút ẩm để tạo ra một môi trường không khí khô. Nó có thể được sử dụng trong phản ứng chưng cất. Hợp kim gồm 12% Na, 47% K và 41% Cs có độ nóng chảy −78 °C, thấp nhất trong bất kỳ hợp chất kim loại nào khác.

Kali kim loại được dùng ở nhiều dạng khác nhau trong từ kế.

Cảnh báo

Kali nguyên chất phản ứng mãnh liệt với nước và hơi ẩm. Do vậy, nó cần được bảo quản trong dầu khoáng hay dầu lửa và cần phải hết sức thận trọng khi làm việc với nó.

2 K (s) + 2 H₂O (l) → 2 KOH (aq) + H₂↑ (g)

Phản ứng này rất mảnh liệt và giải phóng ra một lượng nhiệt đủ để đốt cháy hydro được tạo ra. Nó có thể chuyển sang nổ nếu có mặt ôxy. Kali hydroxit là một chất kiềm mạnh có thể gây bỏng da. Bột kali mịn sẽ cháy trong không khí ở nhiệt độ phòng. Kim loại dạng khối sẽ cháy trong không khí nếu được nung nóng. Do nó có tỷ trọng 0,89 g/cm³, nên đối kali nổi trên nước làm cho nó tiếp xúc với ôxy trong khí quyển. Nhiều chất chữa cháy phổ biến, bao gồm cả nước, cũng không có tác dụng hoặc làm đám cháy kali trở nên dữ dội hơn. Nitơ, argon, natri clorua (muối ăn), natri cacbonat (tro sô-da), và silic điôxít (cát) có thể dập cháy nếu chúng khô (không chứa nước). Mộ số chất chữa cháy dạng bột khô nhóm D được thiết kế riên cho chữa cháy kim loại cũng hiệu quả. Các chất này lấy đi ôxy của đám cháy và làm lạnh kim loại kali.

Kali phản ứng mãnh liệt với các halogen và sẽ phát nổ nếu có mặt brôm. Nó cũng phản ứng nổ với axít sulfuric. Việc đốt kali sẽ tạo ra perôxit và superôxít. Các peroxit này có thể phản ứng một cách mãnh liệt với các hợp chất hữu cơ như các loại dầu. Cả per-ô-xít va super-ô-xít có thể phản ứng nổ với kali kim loại.

Do kali phản ứng với hơi nước trong không khí nên nó thường được bảo quản trong các loại dầu khoán anhydrous hoặc kerosen. Không giống liti và natri, tuy nhiên kali không thể bảo quản trong dầu lâu hơn 6 tháng trừ khi trong môi trường không khí trở (không có ôxy) hoặc môi trường chân không. Sau thời gian cất giữ lâu dài trong không khí các peroxit nhạy với sốc có thể hình thành trên kim loại và dưới nắp của thùng chứa, và có thể nổ khi mở nắp.

Do tính chất hoạt động cao của kim loại kali, nó phải được vận chuyển một cách cực kỳ cẩn thận, phải có bảo vệ toàn bộ da và mắt và có bộ phận chống nổ cách li giữa người và kim loại. Uống một lượng lớn các hợp chất kali có thể dẫn đến chứng tăng kali máu làm ảnh hưởng mạnh đến hệ tim mạch. Kali clorua được dùng ở Hoa Kỳ cho việc hành quyết bằng cách tiêm.

6/ Chlor

Clo (Chlorine) (từ tiếng Hy Lạp χλωρος Chloros, có nghĩa là “lục nhạt”) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cl và số nguyên tử bằng 17. Nó là một halôgen, nằm ở ô số 17, thuộc chu kì 3 của bảng tuần hoàn. Ion Clo, là một thành phần của muối ăn và các hợp chất khác, nó phổ biến trong tự nhiên và chất cần thiết để tạo ra phần lớn các loại hình sự sống, bao gồm cả cơ thể người. Clo có ái lực điện tử cao nhất và có độ âm điện đứng thứ 3 trong tất cả các nguyên tố. Ở dạng khí, nó có màu vàng lục nhạt, nó nặng hơn không khí khoảng 2,5 lần, có mùi hắc khó ngửi, và là chất độc cực mạnh. Ở dạng nguyên tố trong điều kiện chuẩn, nó là một chất ôxi hóa mạnh, được sử dụng làm chất tẩy trắng và khử trùng rất mạnh, cũng như là thuốc thử cần thiết trong ngành công nghiệp hóa chất. Là một chất khử trùng thông thường, các hợp chất clo được sử dụng trong các bể bơi để giữ sạch sẽ và vệ sinh. Ở thượng tầng khí quyển, clo chứa trong phân tử chlorofluorocarbons, ký hiệu CFC, có liên quan trong việc gây hại tầng ôzôn.

Lịch sử

Clo (tiếng Hy Lạp: χλωρος, khí màu vàng lục) được phát hiện năm 1774 bởi Carl Wilhelm Scheele, là người đã sai lầm khi cho rằng nó chứa ôxy. Clo được đặt tên năm 1810 bởi Humphry Davy, là người khẳng định nó là một nguyên tố.

Tính chất

Tính chất vật lý

Clo, khí hóa lỏng dưới áp suất 8 bar ở nhiệt độ phòng. Kích thước cột chất lỏng là ca. 0.3x 3 cm. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hai nguyên tử clo hình thành các phân tử có hai nguyên từ Cl2. Đây là một chất khí màu vàng xanh có mùi đặc biệt mạnh mẽ của nó, mùi thuốc tẩy. Sự gắn kết giữa hai nguyên tử là tương đối yếu (chỉ 242,58 ± 0,004 kJ/ mol), mà làm cho phân tử Cl2 phản ứng cao. Điểm sôi bầu không khí thường xuyên là khoảng -34˚C, nhưng nó có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ phòng với áp lực trên 8 atm. Nguyên tố này là thành viên của nhóm halôgen tạo ra một loạt các muối và được tách ra từ các clorua thông qua quá trình ôxi hóa hay phổ biến hơn là điện phân. Clo là một khí có khả năng phản ứng ngay lập tức gần như với mọi nguyên tố. Ở 10 °C một lít nước hòa tan 3,10 lít clo và ở 30 °C chỉ là 1,77 lít.

Tính chất hóa học

Ngoài những tính chất hóa học của một phi kim như tác dụng với hầu hết kim loại tạo thành muối Clorua, tác dụng với Hiđro tạo khí hiđro clorua. Phương pháp Clo hóa là sử dụng khí Clo mới sinh (khí Clo mới sinh có khả năng hoạt hóa rất cao hơn hẳn khí Clo đã được cất giữ trong các bình chứa một thời gian) tác dụng trực tiếp với đối tượng cần Clo hóa như các kim loại, oxit kim loại hoặc các hợp chất hữu cơ (benzen, toluen…), với nước, bazơ,…

Clo thể hiện một số hóa tính trong phản ứng Clo hóa như sau:

a)Tác dụng với nước tạo dung dịch nước clo:

Cl₂ (k) + H₂O (l) ↔ HCl (dd) + HClO (dd)

Dung dịch nước Clo là dung dịch hỗn hợp giữa Cl₂, HCl và HClO nên có màu vàng lục, mùi hắc của Clo; dung dịch axit lúc đầu làm giấy quỳ chuyển sang màu đỏ nhưng nhanh chóng bị mất màu ngay sau đó do tác dụng oxi hóa mạnh của Axit Hipoclorơ HClO.

b)Tác dụng với dung dịch Natri Hiđroxit NaOH tạo dung dịch nước Giaven:

Cl₂ (k) + 2NaOH (dd) → NaCl (dd) + NaClO (dd) + H₂O (l)

Dung dịch nước Javen là hỗn hợp hai muối Natri Clorua NaCl và Natri Hipoclorit NaClO, có tính tẩy màu vì tương tự như Axit Hipoclorơ HClO, Natri Hipoclorit NaClO là chất oxi hóa mạnh.

c)Ngoài ra, Cl₂ còn có thể tác dụng với kiềm dạng rắn ở nhiệt độ cao:

3Cl₂ (k) + 6KOH (r) −(t°)-> 5KCl (dd) + KClO₃ (dd) + 3H₂O (l)

Thuộc tính

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hai nguyên tử clo hình thành các phân tử có hai nguyên từ Cl. Đây là một chất khí màu vàng xanh có mùi đặc biệt mạnh mẽ của nó, mùi thuốc tẩy. Sự gắn kết giữa hai nguyên tử là tương đối yếu (chỉ 242,580 ± 0,004 kJ / mol), mà làm cho phân tử Cl₂ phản ứng cao. Điểm sôi bầu không khí thường xuyên là khoảng -34 ˚ C, nhưng nó có thể được hóa lỏng ở nhiệt độ phòng với áp lực trên 8 atm.

Ở dạng nguyên tố, clo có dạng khí (ở điều kiện tiêu chuẩn) nhị nguyên tử (phân tử) có màu vàng lục nhạt.

Nguyên tố này là thành viên của nhóm halôgen tạo ra một loạt các muối và được tách ra từ các clorua thông qua quá trình ôxi hóa hay phổ biến hơn là điện phân. Clo là một khí có khả năng phản ứng ngay lập tức gần như với mọi nguyên tố. Ở 10 °C một lít nước hòa tan 3,10 lít clo và ở 30 °C chỉ là 1,77 lít.

Ứng dụng

Clo là một hóa chất quan trọng trong làm tinh khiết nước, trong việc khử trùng hay tẩy trắng và là khí gây ngạt (mù tạc).

Clo được sử dụng rộng rãi trong sản xuất của nhiều đồ vật sử dụng hàng ngày.

• Sử dụng (trong dạng axít hipoclorơ HClO) để diệt khuẩn từ nước uống và trong các bể bơi. Thậm chí một lượng nhỏ nước uống hiện nay cũng là được xử lý với clo.
• Sử dụng rộng rãi trong sản xuất giấy, khử trùng, thuốc nhuộm, thực phẩm, thuốc trừ sâu, sơn, sản phẩm hóa dầu, chất dẻo, dược phẩm, dệt may, dung môi và nhiều sản phẩm tiêu dùng khác.

Trong hóa hữu cơ chất này được sử dụng rộng rãi như là chất ôxi hóa và chất thế vì clo thông thường tạo ra nhiều thuộc tính có ý nghĩa trong các hợp chất hữu cơ khi nó thây thế hiđrô (chẳng hạn như trong sản xuất cao su tổng hợp).

Clo cũng được sử dụng trong sản xuất các muối clorat, clorofom, cacbon tetraclorua và trong việc chiết xuất brôm.

Hợp chất

Hợp chất clo hữu cơ:

1. Chlorofluorocarbons (CFC) là một nhóm các hợp chất hóa học sản xuất có chứa clo, flo, và carbon. Nhóm này bao gồm CFC-11, CFC-12, CFC-113, CFC- 114, CFC-115, và nhiều hình thức của Freon.

2. Thuộc tính: Nó không màu, không mùi, không độc hại, nonflammable, và ổn định khi phát ra. Khi nó được phát ra và đạt đến tầng bình lưu, nó phá vỡ và giải phóng nguyên tử clo, phá hủy tầng ozone của trái đất. CFC có thể kéo dài hơn 100 năm trong tầng bình lưu. Bởi vì nó phá hủy tầng ozone, CFC đã bị cấm từ sản xuất tại Hoa Kỳ kể từ 31 tháng 12- 1995. Chỉ tái chế CFC dự trữ có thể được sử dụng trên cơ sở hạn chế. CFCs cũng là một “khí nhà kính” bởi vì chúng hấp thụ nhiệt trong khí quyển, gửi một số lượng nhiệt hấp thụ trở lại bề mặt của trái đất và góp phần vào sự nóng lên toàn cầu và khí hậu thay đổi.

3. Ứng dụng: Trước khi CFC đã bị cấm, nó đã được sử dụng làm khí sinh hàn trong các bình xịt, tủ lạnh, điều hòa không khí trong nhà, xe và các doanh nghiệp, bình chữa cháy, bọt cách điện, bao bì thực phẩm xốp, làm sạch và điện tử dung môi. CFC vẫn được sử dụng trong thuốc hít để kiểm soát hen suyễn, nhưng điều này sẽ không được phép sử dụng sau năm 2008. Nó cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu.

4. Cơ chế tác động:

a)Con đường tiếp xúc vào cơ thể: Bạn có thể được tiếp xúc với CFCs nếu bạn sử dụng một ống hít trước năm 2008 có chứa CFC, sử dụng máy điều hòa không khí có chứa CFC, hoặc ổ đĩa một chiếc xe cũ với một máy điều hòa không khí có chứa CFC. Nếu bạn sử dụng một tủ lạnh chứa CFC, bạn có thể tiếp xúc nếu các phân tử CFC rò rỉ ra ngoài tủ lạnh. Tại nơi làm việc, bạn có thể được tiếp xúc với CFCs nếu bạn làm việc trong một cơ sở tái chế CFC trong điều hòa không khí. Bạn có thể được tiếp xúc nếu bạn làm việc tại một cơ sở có sự cho phép sử dụng CFCs tái chế, dự trữ, hoặc tiến hành nghiên cứu sử dụng chúng.

Các hợp chất của clo bao gồm các muối clorua, muối hipoclorit, muối clorit, muối clorat, muối peclorat.

Quy trình sản xuất clo

Clo có thể sản xuất thông qua điện phân dung dịch clorua natri, tức nước biển. Có ba phương pháp để tách clo bằng điện phân được sử dụng trong công nghiệp.

Điện phân tế bào thủy ngân: Là phương pháp đầu tiên được sử dụng để sản xuất clo ở mức công nghiệp. Anốt bằng titan nằm phía trên catốt bằng thủy ngân lỏng, dung dịch clorua natri nằm ở giữa các điện cực. Khi có dòng điện chạy qua, clo được giải phóng ở cực dương, còn natri hòa tan trong catốt thủy ngân tạo thành một hỗn hống.

Hỗn hống có thể tái tạo lại thủy ngân bằng cách cho phản ứng với nước tạo ra hiđrô và hiđrôxít natri. Chúng là những sản phẩm phụ có ích.

Phương pháp này tiêu hao nhiều năng lượng và có vấn đề về sự thất thoát thủy ngân.

Điện phân màng ngăn: Màng ngăn amiăng được bọc lấy catốt là một lưới sắt để ngăn không cho clo và hiđrôxít natri tạo ra có thể tái phản ứng.

Phương pháp này tiêu hao ít năng lượng hơn phương pháp tế bào thủy ngân, nhưng hiđrôxít natri không dễ cô lập và kết lắng thành chất có ích.

Điện phân màng tế bào: Các tế bào điện phân được chia thành hai bởi màng có vai trò như nơi trao đổi ion. Dung dịch clorua natri bão hòa được đưa vào ngăn của anốt còn nước cất đưa vào ngăn của catốt.

Phương pháp này có hiệu quả gần bằng phương pháp màng ngăn và sản xuất được hiđrôxít natri rất nguyên chất.

Cảnh báo

Clo kích thích hệ hô hấp, đặc biệt ở trẻ em và người cao tuổi. Trong trạng thái khí, nó kích thích các màng nhầy và khi ở dạng lỏng nó làm cháy da. Chỉ cần một lượng nhỏ (khoảng 3,5 ppm) để có thể phát hiện ra mùi riêng đặc trưng của nó nhưng cần tới 1.000 ppm trở lên để trở thành nguy hiểm. Vì thế, clo đã là một trong các loại khí được sử dụng trong Chiến tranh thế giới thứ nhất như một vũ khí hóa học. (Xem: Sử dụng khí độc trong Đại chiến thế giới lần thứ nhất)

Sự phơi nhiễm khí này không được vượt quá 0,5 ppm (8-giờ-trọng lượng trung bình – 40 giờ trong tuần).

Sự phơi nhiễm cấp trong môi trường có nồng độ clo cao (chưa đến mức chết người) có thể tạo ra sự phồng rộp phổi, hay tích tụ của huyết thanh trong phổi. Mức độ phơi nhiễm thấp kinh niên làm suy yếu phổi và làm tăng tính nhạy cảm của các rối loạn hô hấp.

Các loại hơi độc có thể sinh ra khi thuốc tẩy trộn với nước tiểu, amôniắc hay sản phẩm tẩy rửa khác. Các khí này bao gồm hỗn hợp của khí clo và triclorua nitơ; vì thế cần phải tránh các tổ hợp này.

7/ Lưu huỳnh

Lưu huỳnh là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu S và số nguyên tử 16. Nó là một phi kim phổ biến, không mùi, không vị, nhiều hóa trị. Lưu huỳnh, trong dạng gốc của nó là chất rắn kết tinh màu vàng chanh. Trong tự nhiên, nó có thể tìm thấy ở dạng đơn chất hay trong các khoáng chất sulfua và sulfat. Nó là một nguyên tố thiết yếu cho sự sống và được tìm thấy trong hai axít amin. Sử dụng thương mại của nó chủ yếu trong các phân bón nhưng cũng được dùng rộng rãi trong thuốc súng, diêm, thuốc trừ sâu và thuốc diệt nấm.

Ứng dụng

Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng công nghiệp. Thông qua dẫn xuất chính của nó 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 công nghiệp. Nó 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 công nghiệp của một quốc gia. Axít sulfuric được sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ nhiều hơn bất kỳ hóa chất công nghiệp nào khác.

Lưu huỳnh cũng được sử dụng trong ắc quy, bột giặt, lưu hóa cao su, thuốc diệt nấm và trong sản xuất các phân bón phốtphat. Các sulfit được sử dụng để làm trắng giấy và làm chất bảo quản trong rượu vang và làm khô hoa quả. Do bản chất dễ cháy của nó, lưu huỳnh cũng được dùng trong các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa. Các thiosulfat natri và amôni được sử dụng như là các tác nhân cố định trong nhiếp ảnh. Sulfat magiê, được biết dưới tên gọi muối Epsom có thể dùng như thuốc nhuận tràng, chất bổ sung cho các bình ngâm (xử lý hóa học), tác nhân làm tróc vỏ cây, hay để bổ sung magiê cho cây trồng.

Cuối thế kỷ 18, các nhà sản xuất đồ gỗ sử dụng lưu huỳnh nóng chảy để tạo ra các lớp khảm trang trí trong các sản phẩm của họ. Do điôxít lưu huỳnh được tạo ra trong quá trình nung chảy lưu huỳnh nên các đồ gỗ với lớp khảm lưu huỳnh đã bị loại bỏ rất nhanh.

Từ xa xưa, người ta đã biết dùng Lưu huỳnh để làm đẹp da và trị mụn trứng cá. Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào tìm ra cách hoạt động của Lưu huỳnh trong việc điều trị mụn. Bằng thực nghiệm, người ta đã kết luận Lưu huỳnh có khả năng kháng viêm và kháng khuẩn cao, từ đó làm xẹp nốt mụn một cách nhanh chóng. Để đạt hiệu quả cao, Lưu huỳnh có thể được kết hợp với Axit Salicylic (BHA) hay Resorcinol trong thành phần dược liệu.

Vai trò sinh học

Các axít amin cystein và methionin chứa lưu huỳnh, cũng như mọi polypeptid, protein và enzym có chứa các axít amin này. Điều đó 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 không được mã hóa bởi ADN và chúng cũng không phải là một phần của cấu trúc sơ cấp của các protein. Một số dạng vi khuẩn sử dụng sulfua hiđrô (H₂S) thay vào vị trí của nước như là chất cung cấp electron trong các tiến trình thô sơ tương tự như quang hợp. Thực vật cũng hấp thụ lưu huỳnh từ đất trong dạng các ion sulfat. Lưu huỳnh vô cơ tạo thành một phần của các cụm sắt-lưu huỳnh, và lưu huỳnh là chất cầu nối trong vị trí Cu_A của cytochrom c ôxidaza. Lưu huỳnh là thành phần quan trọng của coenzym A

Ảnh hưởng môi trường

Sự đốt cháy than và dầu mỏ trong công nghiệp và các nhà máy điện giải phóng ra một lượng lớn điôxít lưu huỳnh SO₂, nó sẽ phản ứng với hơi nước và ôxy có trong khí quyển để tạo ra axít sulfuric. Đây là nguyên nhân của các trận mưa axít và làm giảm pH của đất cũng như các khu vực chứa nước ngọt, tạo ra những tổn thất đáng kể cho môi trường tự nhiên và gây ra phong hóa hóa học đối với các công 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 hóa thạch để giảm thiểu sự hình thành của mưa axít. Lưu huỳnh được tách ra từ các nhiên liệu này sau đó sẽ được làm tinh khiết và tạo ra một phần lớn của sản lượng lưu huỳnh được sản xuất.

Lịch sử

Lưu huỳnh (tiếng Phạn, sulvere; tiếng Latinh sulpur), (còn được gọi là lưu hoàng, sinh diêm vàng, diêm sinh) đã được biết đến từ thời cổ đại, và nó được nhắc đến trong Pentateuch của Kinh Thánh (Sáng thế ký). Các phiên dịch ra tiếng Anh của nó đều coi lưu huỳnh như là “brimstone”, tạo ra tên gọi của các bài thuyết giáo ‘Fire and brimstone’, trong đó địa ngục và sự quở trách của Thượng đế đối với những kẻ có tội được nhấn mạnh. Nó có từ phần của Kinh Thánh cho rằng địa ngục có mùi của lưu huỳnh.

Trong tiếng Ả Rập sufra có nghĩa là màu vàng, có từ màu sáng của dạng tự nhiên của lưu huỳnh và người ta cho rằng nó là nguyên từ của các tên gọi để chỉ lưu huỳnh trong ngôn ngữ của một số quốc gia châu Âu hiện nay.

Homer đã đề cập tới “lưu huỳnh ngăn ngừa các loài 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, nó 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 không phải hợp chất.

Năm 1867 lưu huỳnh đã được phát hiện trong các mỏ ở Louisiana và Texas. Lớp nằm trên của nó là cát chảy đã ngăn cản các hoạt động khai thác thông thường. Vì thế quy trình Frasch đã nảy sinh và được thực hiện.

Sự phổ biến

Lưu huỳnh dạng đơn chất có thể tìm thấy ở gần các suối nước nóng 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 có thể tìm thấy gần các miệng núi lửa. Các trầm tích núi lửa hiện được khai thác tại Indonesia, Chile và Nhật Bản.

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 Đông Âu và Tây Á. Lưu huỳnh trong các mỏ này được cho là có được nhờ hoạt động của các vi khuẩn kỵ khí đối với các khoáng chất sulfat, đặc biệt là thạch cao. Các mỏ này là nền tảng của sản xuất lưu huỳnh công 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.

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 nhôm kali) và barit (sulfat bari). Sulfua hiđrô là một chất khí tạo ra mùi đặc trưng của trứng thối. Trong tự nhiên, nó có 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 (nóng chảy, rắn hay khí). Các khu vực sẫm màu trên Mặt Trăng gần hồ Aristarchus có thể là mỏ lưu huỳnh. Lưu huỳnh cũng tồn tại trong nhiều loại thiên thạch.

Hợp chất

Sulfua hiđrô có mùi đặc trưng của trứng thối. Khi hòa tan trong nước nó có 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 còn được gọi là pyrit cũng như khoáng sản màu vàng. Một điều thú vị là pyrit có các tính chất bán dẫn. Galen là sulfua chì tự nhiên, là chất bán dẫn đầu tiên được phát hiện và nó 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 khó ngửi như các êtyl và mêtyl mecaptan được dùng làm chất tạo mùi cho khí đốt nhằm dễ dàng phát hiện rò rỉ. Mùi của tỏi và “mùi hôi như chồn hôi” cũng do các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh gây ra. Tuy nhiên, không phải mọi hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh đều có mùi khó 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 hóa có các tính chất của kim loại mặc dù nó không chứa bất kỳ một nguyên tử kim loại nào. Hợp chất này cũng có các tính chất điện và quang học bất thường. Polyme này có thể tạo ra từ têtranitrua têtra lưu huỳnh S₄N₄.

Các hợp chất quan trọng khác của lưu huỳnh còn có:

Vô cơ:

• Các sulfua (S^2-) là các hợp chất đơn giản nhất của lưu huỳnh với các nguyên tố hóa học khác.
• Các sulfit (SO₃^2-), các muối của axít sulfurơ, H₂SO₃, được tạo ra bằng cách hòa 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 còn có các ion pyrosulfit hay mêtabisulfit (S₂O₅²⁻).
• Các sulfat (SO₄^2-), 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 thiôsulfat (đôi khi được gọi là thiôsulfit hay “hyposulfit”) (S₂O₃²⁻)- như thiôsulfat natri được dùng như các chất cố định trong nhiếp ảnh (trong vai trò của các chất khử) và thiôsulfat amôni đã được phát hiện như là chất thay thế cho các xyanua trong lọc quặng vàng [2].
• Đithiônit natri, Na₂S₂O₄ tạo ra từ axít hyposulfurơ/đithiônơ – là một chất khử mạnh.
• Đithiônat natri (Na₂S₂O₆)
• Các axít polythiônic (H₂S_nO₆), trong đó n dao động từ 3 đến 80.
• Axít perôxymônôsulfuric (H₂SO₅) và axít perôxyđisulfuric (H₂S₂O₈)-được điều chế từ phản ứng của SO₃ hay H₂SO₄ với H₂O₂ đậm đặc một cách tương ứng.
• Các polisulfua natri (Na₂S_x)
• Hexaflorua lưu huỳnh, SF₆, một tác nhân đẩy nặng, dạng khí, không phản ứng và không độc
• Têtranitrua têtra lưu huỳnh S₄N₄.
• Các thiôxyanat là các hợp chất chứa ion thiôxyanat, SCN^–. Liên quan đến các ion này là thiôxyanôgen, (SCN)₂.

Hữu cơ:

• đimêtyl sulfôniôprôpiônat (DMSP; (CH₃)₂S⁺CH₂CH₂COO^–) là thành phần trung tâm của chu trình lưu huỳnh hữu cơ trong đại dương.
• Các thiôête là các phân tử với công thức tổng quát dạng R-S-R′, trong đó R và R′ là các nhóm hữu cơ. Các chất này là sự tương đương của các ête (lưu huỳnh thay thế ôxy).
• Các thiol (hay mecaptan) là các phân tử với nhóm chức -SH. Chúng là các chất tương đương với rượu (lưu huỳnh thay thế ôxy).
• Các thiolat có nhóm chức -S^– gắn vào. Chúng là các chất tương đương của các ankôxít (lưu huỳnh thay thế ôxy).
• Sulfôxít là các phân tử với nhóm chức R-S(=O)-R′, trong đó R và R′ là các nhóm hữu cơ. Một chất phổ biến trong số các sulfôxít là DMSO.
• Sulfon là các phân tử với nhóm chức R-S(=O)-R′, trong đó R và R′ là các nhóm hữu cơ.
• Thuốc thử Lawesson là thuốc thử hóa học có thể lấy ôxy từ các chất hữu cơ khác và thay nó bằng lưu huỳnh.
• Naptalen-1,8-điyl 1,3,2,4-đithiađiphốtphetan 2,4-đisulfua

Phòng ngừa

Các chất như đisulfua cacbon, ôxysulfua cacbon, sulfua hiđrô và điôxít lưu huỳnh cần phải rất cẩn thận khi tiếp xúc.

Mặc dù điôxít lưu huỳnh là khá an toàn để sử dụng như là phụ gia thực phẩm với một lượng nhỏ, nhưng khi ở nồng độ cao nó phản ứng với hơi ẩm để tạo ra axít sulfurơ mà với một lượng đủ lớn có thể gây tổn thương cho phổi, mắt hay các cơ quan khác. Trong các sinh vật không có phổi như côn trùng hay thực vật thì nó ngăn cản sự hô hấp.

Sulfua hiđrô là rất độc (nó độc hơn nhiều so với xyanua). Mặc dù ban đầu nó có mùi, nhưng nó nhanh chóng làm mất cảm giác mùi, vì thế các nạn nhân có thể không biết được sự hiện diện của nó cho đến khi đã quá muộn.