Bài giảng Hóa đại cương vô cơ - Chương 6: Nguyên tố nhóm IV

CHƢƠNG 6: NGUYÊN TỐ NHÓM IV 117 NGUYÊN TỐ NHÓM IV 118 1. Dựa vào cấu tạo nguyên tử, giải thích nguyên nhân sự đa dạng của các đơn chất và hợp chất của C, Si. 2. Chỉ ra các liên kết trong các loại khoáng siỉieat và ứng dụng của silicat trong Y - Dược. 3. Kể ra những chất có độc tính cao của c, Pb và giải thích cơ chế gây độc của chúng. Mục tiêu 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 119  Nguồn thiên nhiên chủ yếu của các nguyên tố nhóm IVA: Carbon (Graphit; kim cương; than mỏ,), Silic (Thạch anh (Si02); các khoáng silicat), Germani (Germanit (Ge02 2-, hỗn hơp với sulfid của Cu, Fe, Ge), Thiếc (Cassiterit (Sn02), Chì (Galen (PbS)  Carbon phổ biến trong vũ trụ hơn trên Trái đất. Ngược lại, silic là ngụyên tố phổ biến thứ ba trong vỏ quả đất, sau oxy và hydro. Chì là sản phẩm cuối cùng của hầụ hết các quá trình phân huỷ phóng xạ và là một trong vài ba kim loại nặng phô biến nhất trên Trái đất. 1.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 120 1.1. Trạng thái thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất Nguồn thiên nhiên. Chế tạo và ứng dụng của đơn chất 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 121 1.2. Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu nhóm IVA 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 122 1. Các nguyên tố bị oxy hoá bởi halogen (X2):  E (r) + 2X2 → EX4 (E = C, Si, Ge)  Đối với Sn và Pb thì tạo SnX2, PbX2 bền hơn. 2. Các nguyên tô bị oxỵ hoá bởi oxy:  E (r) + 02 (k) → E02 (E = C, Si, Ge, Sn)  Còn Pb tạo ra PbO.  Các oxyd trở nên base hơn khi xuống dưới nhóm. Phản ứng của C02 với nước tạo nên độ acid yếu của nước sạch thiên nhiên:  C02(k) + H20(1) ↔ [H2C03 (aq)] ↔ H +(aq) + HC03 -(aq) 1.2. Các phản ứng chung 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 123 3. Không khí và hơi nước dẫn qua than cốc nóng đỏ tạo ra hỗn hợp nhiên liệu khí: 2C (r) + Không khí + H20 (k) → CO (k) + C02 (k) + N2 (k) + H2 (k) (N2 + 02) 4. Hydrocarbon cháy với oxy tạo C02 và H20. Ví dụ, phản ứng của methan dùng sản xuất nhiệt và điện: CH4 (k) + 202 (k) → C02 (k) + 2H20 (1) 5. Carbid kim loại phản ứng với nước cho acetylen:  CaC2 (r) + 2H20 (1) → Ca(OH)2 (aq) + C2H2 (k)  Khí được sử dụng đế điều chế các hợp chất hữu cơ hoặc làm nhiên liệu hàn. 1.2. Các phản ứng chung 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 124 6. Phản ứng chế tạo freon: CC14 (1) + HF (k) → CFC13 (k) + HC1 (k) 7. Các halogenid của Sn4+, Pb2+ dễ tạo phức:  SnC4 (aq) + 2HC1 (aq) → H2[SnCl6] (aq)  PbI2 (r, vàng) + 2KI (aq) → K2[PbI4] (aq, không màu) 8. Ge2+, Sn2+ có tính khử mạnh:  SnCl2 (aq) + 2HgCl2 (aq) → SnCl4 (aq) + Hg2Cl2 (r, trắng)  Tính oxy hoá mạnh của Pb4+: 5Pb02 (r) + 2Mn 2+ (aq) + 4H+ (aq) → 5Pb2+ (aq) + 2Mn04 - (aq,tím) + 2H20 1.2. Các phản ứng chung 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 125  Đơn chất:  Mọi nguồn carbon đều là hỗn hợp của 2 đồng vị bền: 12C (98,89%) và 13C (1,11%). 12C = 12,0000 là cơ sở của thước đo khối lượng nguyên tử. Ngoài ra, carbon còn một đồng vị phóng xạ 14C  Carbon tinh thể: trong thiên nhiên có 2 dạng thù hình quen thuộc là Kim cương và graphit  Carbon vô định hình: than gỗ, than cốc, than hoạt, than muội , than xương là carbon vô định hình. Sự thật, các loại than đều là những dạng vi tinh thể của than chì (graphit), ỏ nhiệt độ cao chúng đêu chuyến thành than chì. 1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu 1.3.1. Carbon 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 126  Đơn chất:  Mọi nguồn carbon đều là hỗn hợp của 2 đồng vị bền: 12C (98,89%) và 13C (1,11%). 12C = 12,0000 là cơ sở của thước đo khối lượng nguyên tử. Ngoài ra, carbon còn một đồng vị phóng xạ 14C  Carbon tinh thể: trong thiên nhiên có 2 dạng thù hình quen thuộc là Kim cương và graphit  Carbon vô định hình: than gỗ, than cốc, than hoạt, than muội , than xương là carbon vô định hình. Sự thật, các loại than đều là những dạng vi tinh thể của than chì (graphit), ỏ nhiệt độ cao chúng đêu chuyến thành than chì. 1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu 1.3.1. Carbon 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 127  Hợp chất:  Carbon monooxyd, CO  Carbon dioxyd, C02.  Carbonat  Carbon disulfid, CS2.  Khí cyan (hay cyanogen, dicyan)  Hydro cyanid,  Acid hydrothiocyanic  Carbon tetrahalogenid, CX4 (X = F, Cl, Br, I) 1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu 1.3.1. Carbon 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 128 1.3. Các đơn chất & hợp chất tiêu biểu 1.3.1. Carbon Chu trình Carbon 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 129  Than hoạt dƣợc dụng:  Là bột đen, nhẹ, xốp, không mùi, không vị, không tan trong nước và các dung môi thông thường; có diện tích bề mặt lớn (1cm3 than chiếm diện tích ~1000m2).  Than hoạt có 2 dạng: dạng mịn để hấp phụ trong môi trường lỏng và dạng thô, xốp, cứng đế hấp phụ khí. 1.4.1. Carbon 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 130  Than hoạt dƣợc dụng:  Than hoạt dạng mịn được dùng làm thuốc giải độc dạng uổng, dùng cho cấp cứu ngộ độc thuốc hay hoá chất; điều trị ỉa chảy do hấp phụ được độc tố của các vi khuẩn.  Phối hợp vối một số thuốc khác để điều trị đầy hơi, khó tiêu, trướng bụng, trung hoà acid dạ dày. [Than hoạt dạng thô là một thành phần của hỗn hợp chất trong mặt nạ phòng độc]. 1.4.1. Carbon 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 131  Carbonat  Carbonat hoặc carbonat base ít tan của Ca2+, Mg2+, Al3+ được sử dụng rộng rãi làm dược chất chông acid ở bệnh viêm loét dạ dày - tá tràng  Natri bicarbonat NaHCO3 = 84,01 sử dụng làm thuốc kháng acid; chống nhiễm acid nặng; để súc miệng hoặc rửa vết thương và vết bỏng bằng dung dịch 5 - 50%.  Kali bicarbonat, KHCO3 = 100,1 được sử dụng như một nguồn ion K+ trong bố sung chất điện giải.  Amoni carbonat được sử dụng làm thuốc kích thích hô hấp và long đàm 1.4.1. Carbon 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 132  Hợp chất vô cơ của carbon có độc tính mạnh là Carbon monoxyd CO.  Giải độc bằng thở oxy 100%. 1.4.1. Carbon 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 133  Các silicat thiên nhiên và polymer silicon tổng hợp có nhiều ứng dụng như những chất hấp phụ khí, chất hút ẩm, chất mang, chất lọc, chất bao, chất dính  Talc là magnesi silicat hydrat thiên nhiên sử dụng làm phấn xoa rôm, bôi rắc vào da mẩn đỏ; làm tá dược trơn trong bào chê viên nén.  Kaolin là nhôm silicat hydrat thiên nhiên dạng phiến, được sử dụng trong thực hành dược khoa 1.4.2. Silic 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 134  Attapulgite là magnesi silicat hydrat dạng chuỗi kép loại thuốc hấp phụ nhiều vi khuẩn, độc tố và làm giảm mất nước, dùng chống ỉa chảy kèm trướng bụng và bảo vệ niêm mạc do có tác dụng bao phủ mạnh.  Smecta là hỗn hợp bentonit (smectit), gel nhôm hydroxyd và magnesi carbonat, có thêm hương vị, là thuốc có tác dụng tương tự attapulgite. 1.4.2. Silic 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 135  Đã phát hiện được bis-β-carboxy-ethyl germani sesquioxyd  Là chất có khả năng tăng cường hệ miễn dịch và có tác dụng chống khối u. 1.4.3. Germani 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 136  Thiếc (IV) oxvd, Sn02, được dùng ngoài do có tác dụng sát khuẩn, đặc biệt là đối với vi khuẩn staphylococcus là những chủng thường kháng vối các thuốc diệt khuẩn khác.  Thiếc (II) fluorid, SnF2, dùng phòng chông các bệnh về răng. Nó tốt hơn các fluorid khác, nhưng gây ra khó khăn cho bào chế và bảo quản vì SnF2 nhạy cảm với sự phân huỷ oxy hoá và thuỷ phân. 1.4.4. Thiếc 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 1. NHÓM IVA: C - Si - Ge - Sn - Pb 137  Chì tích luỹ và có độc tính cao gây hậu quả nghiêm trọng trên hệ tạo máu, thần kinh, nội tiết, thận và gan.  Hội chứng của nhiễm độc chì là thiếu máu; suy giảm trí tuệ; tăng huyết áp; nhồi máu cơ tim; suy giảm chức năng thận, gan; rối loạn phát triển xương, răng; gia tăng gốc tự do độc hại. 1.4.5. Chì 1.4. Vai trò ứng dụng trong Y – Dƣợc. Độc tính 2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf 138  Titan đứng hàng thứ 10 trong số 15 nguyên tố phổ biến nhất trên Trái đất. Khoáng vật chủ yếu của Ti là rutin (Ti02), imenit (FeTi03) và CaTiO3.  Zirconi trong khoáng vật zircon (ZrSiO,ị) màu vàng chói và Zr02.  Hafni rất hiếm, phân tán, thường kèm theo khoáng zircon. 2.1. Trạng thái thiên nhiên 2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf 139 2.2. Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu Những đặc tính nguyên tử & vật lý chủ yếu nhóm IVB 2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf 140 Ở dạng khối, chúng bền với nhiều tác dụng hoá học. Ở dạng bột và đốt nóng, cả 3 kim loại hoạt động hoá học khá hơn: tác dụng với các halogen, oxy, lưu huỳnh, nitrogen, carbon cho các hợp chất của E4+ (E = Ti, Zr, Hf) Ở ngay nhiệt độ phòng, các kim loại này hấp thụ được hydro 2.3. Một số tính chất hóa học 2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf 141  Ti, Zr được dùng chế tạo các hợp kim vối nhôm, vanadi cho các vật liệu nhẹ và bền.  Oxyd bền nhất của 3 nguyên tô là E02; có tính lưỡng tính và tính base tăng dần theo chiểu TiO2 - Zr02 - Hf02; tan được trong các chất kiềm nóng chảy. Ví dụ:  Ti02 + BaO → BaTiOs (bari titanat)  Ti02 + 2NaOH → Na2Ti03 + H20 2.3. Một số tính chất hóa học 2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf 142  Các oxyd EOz  Là những chất rắn, màu trắng.  TiO2 dùng để chế tạo thuỷ tinh, men khó nóng chảy, sơn dầu trắng.  Zr02 để làm vật liệu chịu nhiệt (chén, nung, men, thuỷ tinh).  Hf02 để chế thuỷ tinh quang học có chỉ số khúc xạ cao. 2.4. Một số ứng dụng trong Y học & Kỹ thuật 2. NHÓM IVB: Ti - Zr - Hf 143  Zirconi carbid, ZrC  Có độ rắn rất cao,  Được dùng làm vật liệu mài, dao cắt thuỷ tinh thay kim cương.  Trong thực hành dƣợc khoa  Ti02 là thành phần thông dụng trong các loại cream và sữa đê bôi, xoa ngoài da.  Zirconi dùng làm cream và sữa xoa chống viêm da do tiếp xúc.  Một số hợp chất của nhôm - zirconi base là thuốc chống đổ mồ hôi, xoa ngoài. 2.4. Một số ứng dụng trong Y học & Kỹ thuật