Bài giảng Hóa đại cương vô cơ - Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII

Chương này giúp sinh viên: Viết được các phản ứng tạo phức và giải thích tính chất các phức của Fe, Co, Ni, Pt và Pd. Hiểu rõ vai trò sinh học của Fe, Co trong cơ thể và một số hợp chất quan trọng của nguyên tố nhóm VIII được sử dụng trong Y - Dược. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII Mục tiêu 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất  8.1.2. Những đặc tính nguyên tử và vật lý của các khí hiếm 8.1.3. Các phản ứng chính 8.1.4. Mối liên quan giữa cấu tạo và tính chất 8.1.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính 8.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 8.2.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất 8.2.2. Những đặc tính nguyên tử và vật lý  8.2.3. Tính chất các kim loại họ Sắt  8.2.4. Tính chất các kim loại họ Platin 8.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII Nội dung Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA: He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất Nguyên tố Nguồn thiên nhiên chủ yếu Chế tạo nguyên tố Ứng dụng của đơn chất Heli ~ 0,4% khối lượng của khí thiên nhiên (sản phẩm của phân huỷ phóng xạ). [Nguyên tố phổ biến thứ 2 trong vũ trụ, sau hydro; là sản phẩm của phản ứng nhiệt hạch chuyển H —> He]. Chưng cất khí thiên nhiên đã hoá lỏng. Chất làm lạnh trong siêu dẫn, trong vật lý nhiệt độ thấp; chế tạo nhiệt kế đo nhiệt độ 1 - 80K hoặc < 1K; tạo môi trường trơ chống cháy; thay thế N2 trong hỗn hợp thở lặn sâu; làm pha động trong sắc ký khí; làm khí nhẹ cho bóng thám không, khí cầu. Neon Không khí. Chưng cất phân đoạn không khí lỏng. Nạp vào bóng đèn ống thắp sáng. Argon Tạo môi trường trơ cho hàn hồ quang, luyện kim, bóng đèn đốt nóng. Krypton Nạp vào bóng đèn đốt nóng. Xenon Làm đèn chiếu mạnh (phóng điện qua khí xenon). Radon Nguồn phóng xạ trong điều trị một số bệnh ung thư. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.2. Những đặc tính nguyên tử và vật lý của các khí hiếm Nhóm VIII A Tên nguyên tố Bán kính nguyên tử (A°) Bán kính ion (A°) Năng lượng ion hoá thứ nhất (eV) Độ âm điện (thang Pauling) Khối lượng riêng (g/L) Nhiệt độ Nóng chảy (°C) Nhiệt đô sôi (°C) % trong thể tích khí quyển 2 He 4,003 1s2 (0) Heli 0,50 - 24,6 - 0,178 -272,4 -268,9 5.10-4 10 Ne 20,18 2s22p6 (0) Neon 0,71 - 21,6 - 0,900 -249 -246 15.10-4 18 Ar 39,95 3s23p (0) Argon 0,98 - 15,8 - 1,78 -189 -186 0,94 Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.2. Những đặc tính nguyên tử và vật lý của các khí hiếm Nhóm VIII A Tên nguyên tố Bán kính nguyên tử (A°) Bán kính ion (A°) Năng lượng ion hoá thứ nhất (eV) Độ âm điện (thang Pauling) Khối lượng riêng (g/L) Nhiệt độ Nóng chảy (°C) Nhiệt đô sôi (°C) % trong thể tích khí quyển 36 Kr 83,80 4s24p6 (+2) Krypton 1,09 - 14,0 3,0 3,75 - 157 - 153 11.10-5 54 Xe 131,29 5s25p (+8, +6, +4, +2) Xenon 1,30 - 11,7 2,6 5,90 - 112 - 108 9.10-5 86 Rn 222,02 6s26p8 (+2) Radon 1,40 - 10,4 - 9,73 - 71 - 62 6.10-20 Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.3. Mối liên quan giữa cấu tạo và tính chất Tính chất của các khí hiếm biến thiên đều đặn, có thể dự đoán được theo quy luật chung: + Nằm cuối cùng ở mỗi chu kỳ, khí hiếm có kích thước nhỏ nhất trong chu kỳ của nó. + Các khí hiếm có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi rất thấp, và tăng dần từ trên xuống dưới trong nhóm do kích thước và khối lượng nguyên tử tăng đã làm tăng lực khuếch tán. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.3. Mối liên quan giữa cấu tạo và tính chất Tính chất của các khí hiếm biến thiên đều đặn, có thể dự đoán được theo quy luật chung: + Do cấu hình "trơ" của lớp vỏ electron, các nguyên tử khí hiếm đặc trưng bằng nàng lượng ion hoá cực đại, và giảm dần khi kích thưốc nguyên tử tăng. Chúng có ái lực âm với electron và hoạt tính hoá học rất yếu. Như vậy, nhóm VIIIA, một họ nguyên tố có hoạt tính thấp nhất (trơ, có 8 electron lớp ngoài) Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.4. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính Heli là 1 trong 5 chất khí (N2, 02, He, C02 và N20) chính thức được sử dụng trong y học để điều chế không khí nhân tạo. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà số chất khí và tỷ lệ giữa chúng được trộn với nhau. Không khí He, gồm 20% Oxy và 80% heli theo thể tích, nhẹ hơn không khí thường, nên dùng cho mọi trường hợp khó thở.  Độ hoà tan của He trong máu nhỏ hơn nhiều so với Nitrogen, nên không khí He đặc biệt được dùng cho thợ lặn sâu chịu áp suất cao của nước Heli lỏng Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.4. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính Ar tương đối nhiều, vì là sản phẩm phụ của chưng cất phân đoạn không khí lỏng khi sản xuất oxy và nitrogen. Nó được dùng làm môi trường trơ trong quá trình công nghiệp chế tạo hoặc bảo quản một số dược phẩm. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.1. Nhóm VIIIA : He - Ne - Ar - Kr - Xe - Rn 10.1.4. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính Kr và Xe cũng được nghiên cứu khả năng ứng dụng gây tê, nhưng rất hạn chế vì sự khan hiếm của chúng trong thiên nhiên.  133Xe được dùng trong nghiên cứu chẩn đoán bằng đường thuốc xông cũng như tiêm tĩnh mạch. Rn phóng xạ a dùng thay thế radi trong điều trị một số loại ung thư. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt Nguyên tố Nguốn thiên nhiên chủ yếu Chế tạo nguyên tố Ứng dụng của đơn chất Sắt Hematit (Fe203) Magnetit (Fe304) Siderit (FeC03) Pyrit (FeS2) Pyrrhotit (FeS) Dùng H, co khử FeO; phân huỷ nhiệt Fe(CO)5; điện phân dung dịch muối Fe2+. Làm hợp kim với Carbon và các nguyên tố khác trong ngành luyện kim đen (gang là hợp kim Fe-C chứa > 2% C; thép chứa < 2% C; thép đặc biệt chứa thêm AI, Cr, Co, Mo, Ni, Mn, Ti, W, V...) Cobalt Smaltit (CoAs2); rất nhiều quặng suifid cùng với Ni, Cu, Pb, Nướng quặng với 02, sau hoà tan trong H2S04, kết tủa Co(OH)3 với CIO -, đốt nóng tạo CoO rồi khử bằng C. Chế tạo thuỷ tinh màu và sứ màu xanh cobalt; thuốc nhuộm màu cho sơn và mực; xúc tác cho các phản ứng hữu cơ; hợp kim với Cr và W làm mũi khoan, dụng cụ cắt gọt, phẫu thuật Nickel Pentlandit [(Ni,Fe)9S8] Nướng quặng với O2 tới NiO, khử bằng C, tạo phức với CO và phân huỷ: Ni(CO)4 (k)  Ni (r) + 4CO Chế thép nickel làm các thiết bị quân sự; thép không gỉ; hợp kim từ tính; hợp kim với Ag làm dụng cụ ăn uống; lớp lót cho mạ Cr; xúc tác cho các quá trình hydrogen hoá. 10.2.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.2. Những đặc tính nguyên tử và vật lý Nguyên tố VIIIB 26 Fe 55,85 3d64s2 (+2, +3) Sắt (ferrum/iron) 27 Co 58,93 3d74s2 (+2, +3) Cobalt 28 Ni 58,69 3d84s2 (+2, +3) Nickel Đặc tính 44 Ru 101,07 4d75s1 (+4, +8) Rutheni 45 Rh 102,91 4d85s1 (+3, +4, +6) Rhodi 46 Pd 106,42 4d105s° (+2, +3, +4) Paladi 76 Os 190,23 5d66s2 (+6, +8) Osmi 77 lr 192,22 5d76s2 (+3) Iridi 78 Pt 195,08 5d96s1 (+2, +4) Bạch kim (platin) Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.2. Những đặc tính nguyên tử và vật lý 1,24 1,25 1,24 Bán kính nguyên tử (A°) 1,35 1,35 1,38 1,34 1,36 1,36 Bán kính ion (A°) 0,75 (+2) 0,79 (+2) 0,83 (+2) 7,61 7,60 7,37 Năng lượng ion hoá thứ nhất (eV) 7,11 7,20 8,04 8,39 8,78 8,60 Độ âm điện (thang Pauling) 1,85 1,88 1,91 7,86 8,83 8,90 Khối lượng riêng (g/cm3) 12,8 12,43 12,05 22,75 22,70 21,45 1539 1495 1453 Nhiệt độ nóng chảy (°C) 2400 1965 1552 2710 2452 1769 2750 2870 2732 Nhiệt độ sôi (°C) 4560 4080 3560 5500 5300 4050 1.5 10-3 3.10-3 % nguyên tử trên vỏ quả đất 9.10-7 2.10-7 2.10-7 5.10-7 9.10-9 10-6 Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.3. Tính chất các kim loại họ sắt (Fe - Co – Ni) 10.2.3.1. Đơn chất  Fe - Co - Ni đều có các đồng vị bền và đvị phóng xạ.  Các kim loại họ sắt tạo nên rất nhiều hợp kim có vai trò quan trọng trong đời sống, khoa học và công nghệ Fe - Co - Ni là những kim loại có hoạt tính hoá học trung bình và giảm nhanh theo chiều Fe - Co - Ni Ở điều kiện thường, Fe - Co - Ni bền vững, không tác dụng ngay cả với các phi kim oxy hoá mạnh như O2, Cl2, Br2, S do lớp bảo vệ. Ngược lại, khi lẫn tạp chất, lại ở nhiệt độ cao và trong không khí ẩm, các kim loại Fe - Co - Ni trở nên hoạt động Cấu hình electron chung: 3d6,7,84s2 Số oxy hoá đặc trưng của họ này là +2 và +3 Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất 10.2.3. Tính chất các kim loại họ sắt 10.2.3.2. Oxyd FeO: màu đen Fe2O3: màu nâu đỏ Fe3O4 (FeO.Fe2O3): màu đen  FeO3 (sắt trioxyd ): không bền. Tương tự như các oxyd của sắt, đối vối cobalt và nickel người ta đã biết và sử dụng các oxyd: CoO, Co2O3, Co3O4 và NiO, Ni2O3, Ni3O4. Quan trọng nhất Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất 10.2.3. Tính chất các kim loại họ sắt 10.2.3.3. Hydroxyd Các hydroxyd M(OH)9 không tan trong nước  Điều chế: phản ứng muối M2+ và kiềm trong dung dịch: M+(aq) + 20H-(aq)  M(OH)2 (r) Các hydroxyd M(OH)3 cũng là những kết tủa, được điều chế qua phản ứng trao đổi hoặc oxy hoá M(OH)2 —> M(OH)3 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3 Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất 10.2.3. Tính chất các kim loại họ sắt 10.2.3.4. Muối Các muối Fe2+, Co2+, Ni2+ tạo muối với hầu hết các anion bền. Các muối của acid mạnh dễ tan trong nước: FeS04.7H20, Fe(Cl04)2.6H20: màu xanh nhạt CoCl2.6H20, Co(NO3)2.6H20: màu hồng NiS04.7H20, Ni(N03)2.6H20: màu lục  Muối của acid yếu thường khó tan: FeS, FeHPO4/CoF2 CoCO3/NiS, NiCO3. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.3. Tính chất các kim loại họ sắt 10.2.3.5. Phức chất Fe - Co - Ni ở các trạng thái oxy hoá +2, +3, kể cả O, tạo ra nhiều phức chất quan trọng. Ví dụ: FeS0.7H20 là phức [Fe(H20)6][SO4.H2O] CoCl2.6H20 là phức [Co(H20)6]Cl2 Ion Fe2+, Fe3+ có cấu hình d6, d5 thường tạo phức bát diện. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.4. Tính chất các kim loại họ platin (Họ Bạch Kim) (Ru - Rh - Pd / Os - Ir – Pt) Tính chất vật lý: Cấu hình electron chung: 3d6,7,84s2  Số oxy hoá đặc trưng: +2, +3, +4 (riêng Ru và Os là +6, +8) Màu sắc: có ánh kim trắng bạc  Khó nóng chảy, khó sôi (nhất là Os)  Độ tan: đa số có khả năng hoà tan nhiều với Hydro Kim loại họ platin Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.4. Tính chất các kim loại họ platin (Họ Bạch Kim) Tính chất hóa học: Các KL họ platin kém hoạt động hơn so với họ sắt Paladi hoà tan được trong HNO3: 3Pd + 8HNO3  3Pd(NO3)2 + 2NO + 4H20 Platin hoà tan trong nước cường thuỷ: Kim loại họ platin 3Pt + 4HNO3 + 18HCl  3H2[PtCl6] + 4NO + 8H20  Phản ứng trong kiềm nóng chảy với chất oxy hoá (Cả 6 kim loại họ platin ) Ru + 2KOH + 3KNO3  K2Ru04 + 3KN02 + H20 Kali ruthenat Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.4. Tính chất các kim loại họ platin (Họ Bạch Kim) Phức chất Điểm nổi trội của các nguyên tố họ platin là chúng tạo nên hàng ngàn phức chất. Tất cả 6 kim loại họ này đều cấu thành phức: - Phức carbonyl Ví dụ: [Os(CO)5], [Ru2(CO)9], [Rh6(CO)16], - Phức hỗn hợp halogenocarbonyl Ví dụ: [Pt(CO)2Cl2]... Kim loại họ platin Dùng làm thuốc trong Y học. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính •Sắt Sắt Fe là nguyên tố vi lượng thiết yếu, đóng vai trò tối quan trọng trong vận chuyên oxy ở tất cả các động vật có xương sống. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính Sắt  Fe trong cơ thể dưới dạng phức chất của protein có 3 chức năng quyết định sự sống: + Vận chuyển oxy + Dự trữ oxy + Vận chuyển electron (trong quá trình sản xuất năng lượng của tế bào) Cơ thể người trương thành chứa 3 - 4g Fe Sắt Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính •Sắt Sắt Nhu cầu về Sắt hàng ngày từ 1 - 3mg (nhưng thức ăn phải có 10 - 30mg Sắt, vì ruột chỉ hấp thu được ~ 10% số đó). Thiếu sắt dẫn đến bệnh thiếu máu nhược sắc Thức ăn chứa nhiều sắt là thịt nạc, gan, tim, thận, tiết, lòng đỏ trứng, đậu, cần tây, nấm hương, quả mơ, quả lê... Sắt Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính •Sắt Cơ thể ngưòi có khoảng 4 - 5mg cobalt, chủ yếu tích luỹ ở gan Cobalt có vai trò rất lớn: - Trong sự tạo huyết - Giúp sắt nhanh chóng tham gia cấu tạo hemoglobin - giúp cơ thể hấp thu vitamin B2, Bg, B2 và aminoacid - Giúp gan tích luỹ vitamin B19 và tuyến giáp tích luỹ Iod - Tăng cường hay bất hoạt một sô enzvm. Cobalt Cobalt Cobalt là nguyên tố vi lượng rất cần thiết cho sự sống, được phát hiện trong hầu hết sinh vật. Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính •Sắt Cobalt Thiếu cobalt gây: -Thiếu máu nặng - Chán ăn - Gầy yếu - Giảm tiết sữa...  Mọi bệnh cảnh đều biến mất khi được chữa bằng các chế phẩm của Cobalt. Nguồn thực phẩm giàu cobalt là gan, sữa, thịt, trứng Cobalt Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính •Sắt Nickel Hiện nay, chưa thấy hợp chất nào của nickel có vai trò và được sử dụng trong Y - Dược học. Tuy nhiên, trong cơ thế người có chừng vài mg Nickel, và hàng ngày ~ 0,1 mg Nickel tích luỹ trong xương, động mạch chủ, phối, tuyến thượng thận, não và da. Vai trò sinh học của nickel chưa được làm rõ Tác dụng độc và gây dị ứng của nó đã được biết ỏ nhiều ngưòi khi ăn phải các muối nickel hoặc tiếp xúc với các đồ vật mạ nickel. Tinh thể Niken Chương 10: Nguyên tố nhóm VIII 10.2. Nhóm VIIIB: Fe - Co - Ni / Ru - Rh - Pd / Os - Ir - Pt 10.2.5. Vai trò và ứng dụng trong Y - Dược. Độc tính Các kim loai họ platin Cả 2 bộ ba của họ nguyên tố này: Ru - Rh - Pd và Os - Ir - Pt đều không có vai trò sinh học. Riêng một số phức của platin được dùng trong điều trị ung thư. Cis-diamminedichloroplatinum cis-diammine (1,1cyclobutamedicarboxylato)