Bài giảng Hóa vô cơ A - Chương IV: Các nguyên tố phân nhóm IIIA - Nguyễn Văn Hòa

Chương IV nvhoa102@gmail.com 1 CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 2 CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA NỘI DUNG NHẬN XÉT CHUNG I. CÁC ĐƠN CHẤT II. CÁC HỢP CHẤT CÓ SỐ OXH +3 III. HỢP KIM Al IV. VẬT LIỆU GỐM HIỆN ĐẠI TÀI LIỆU [1] – Tập 2, Chương 4: trang 70 – 98 [2] – Chương 7: trang 168 – 184 [3] – Phần II, Chương 1: trang 97 – 128 [4] – Chapter 13: page: 371 – 425 Chương IV nvhoa102@gmail.com 3 NHẬN XÉT CHUNG - Cấu hình electron hóa trị: ns2np1 Nhường 3e tạo hợp chất có số OXH +3, thể hiện tính khử. - B là phi kim, các nguyên tố còn lại là kim loại. - B Tl(+1)  và (+3)  IIIA I1 (eV) I2 (eV) I3 (eV) E 0 X+3/X, V B 8,30 25,15 37,92 – Al 5,95 18,82 28,44 - 1,66 Ga 6,0 20,43 30,6 - 0,53 In 5,8 18,79 27,9 - 0,342 Tl 6,1 20,32 29,7 + 0,72 CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 4 I ĐƠN CHẤT 1 Bo 1.1 Tính chất vật lý - B có 2 dạng thù hình: Tinh thể, vô định hình. CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA mặt thoi  (B12) B12 B22 B60 B12B60B12 Mặt thoi  - B12B60B12 Chương IV nvhoa102@gmail.com 5 - Chất bán dẫn (E = 1,55 eV), độ dẫn điện tăng lên khi tăng nhiệt độ. - Khó nóng chảy (tonc = 2300 oC). 1.2 Tính chất hóa học - B rất bền nên ở điều kiện thường chỉ tác dụng với flo: 2B + 3F2  2BF3 - Ở nhiệt độ cao B khử được nhiều đơn chất, hợp chất: • B + H2  B2H6 + B4H10 + (boran) CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA B 2 H 6 Chương IV nvhoa102@gmail.com 6 • 4B + 3O2  2B2O3 • 2B + 3H2O  B2O3 + 3H2 • 2B + 2NaOH + 2H2O  2NaBO2+ 3H2 • B + axit có tính oxi hóa mạnh (H2SO4 đặc nóng, HNO3 đặc nóng, nước cường toan)  H3BO3 B + 3HNO3  H3BO3 + 3NO2 • 2B + Mg  MgB2 (borua) CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 7 1.3 Trạng thái tự nhiên, điều chê ́, ứng dụng • Khoáng vật chính của bo: borac (Na2B4O7.10H2O); kecnit (Na2B4O7.4H2O) và xaxolin (H3BO3). • Điều chế: B2O3 + 3Mg  3MgO + B KBF4 + 3Na  3NaF + KF + B B2H6  2B + 3H2 • Ứng dụng: Hợp kim với thép. CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA 10 1 4 7 5 0 2 3 B + n He + Li Chương IV nvhoa102@gmail.com 8 2 Nhôm 2.1 Tính chất vật lý Màu trắng bạc, bền, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi, dẫn nhiệt và dẫn điện tốt. 2.2 Tính chất hóa học Nhôm là kim loại khá hoạt động • 4Al + 3O2  2Al2O3 • 2Al + 6H2O  2Al(OH)3 + 3H2 CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 9 • 2Al + N2  2AlN • 2Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe • 2Al + 6HCl + 12H2O  2[Al(H2O)6]Cl3 + 3H2 • 2Al + 2NaOH + 6H2O  2Na[Al(OH)4] + 3H2 • Al thụ động trong HNO3 đặc nguội, H2SO4 đặc nguội. 2.3 Trạng thái tự nhiên, điều chế và ứng dụng • Khoáng vật chứa nhôm: Boxit (Al2O3.nH2O); criolit (Na3[AlF6]); cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O); nephelin ((Na,K)2O.Al2O3.2SiO2) t0 CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 10 • Điều chế theo phương pháp Baye:  Dùng NaOH đặc (40%) phân hủy quặng boxit: Al2O3 + 2NaOH + 3H2O  2Na[Al(OH)4]  Thủy phân: Na[Al(OH)4] ⇌Al(OH)3 + NaOH  Nung: 2Al(OH)3  Al2O3 + 3H2O  Điện phân nóng chảy hỗn hợp Al2O3 + Na3[AlF6] (criolit) ở 950 oC với điện cực grafit. 1012 9500C 10,5% Al2O3 2072 3NaF.AlF3 Al2O3 150 oC 5-6 atm 1200 oC 1400 oC CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 11 • Ứng dụng: CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 12 II HỢP CHẤT (+3) 1 Các hợp chất B (+3) 1.1 Oxit bo – B2O3 (anhydrit boric) • Liên kết B-O-B bền nhiệt nhưng lại dễ bị nước thủy phân hút ẩm mạnh, dễ tan trong nước. (B 2 O 3 ) n (HBO 2 ) 3 H 5 B 3 O 7 H 3 BO 3 a.polimetaboric a.polioctoboric a.octoboric + H 2 O + H 2 O + H 2 O Thù hình thủy tinh Khối rắn, không màu, dòn. Nhóm cấu trúc BO3. t 0 nc = 300 - 700 0C Thù hình tinh thể Nhóm cấu trúc BO4 đối xứng, tuần hoàn. khó t 0 t 0 t 0 thủy tinh • Ứng dụng: Thủy tinh chịu nhiệt, men, gốm. CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 13 1.2 Axit boric và muối borat • H3BO3 là axit bền nhất trong các axit bo, có cấu trúc lớp. • Tan vừa phải trong nước tạo dung dịch axit yếu H3BO3 + H2O⇌ [B(OH)4] - + H+ Ka = 10 -9 • Tan trong rượu tạo este H3BO3 + 3CH3OH  B(CH3O)3 + 3H2O CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 14 • Điều chế H3BO3: Na2B4O7 + 2HCl + 5H2O  4H3BO3 + 2NaCl Muối borat • Chỉ borat kim loại kiềm mới tan trong nước, khi tan tạo dung dịch có môi trường kiềm yếu Na2B4O7 + 7H2O⇌ 4H3BO3 + 2NaOH • Borac (Na2B4O7.10H2O) được dùng làm chất chuẩn gốc, dung dịch đệm, chế tạo thủy tinh quang học, men, bột giặt CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 15 2 Các hợp chất Al (+3) 2.1 Oxit nhôm – Al2O3 Tồn tại dưới một số dạng đa hình  dạng bền - Al2O3 và -Al2O3. • Dạng -Al2O3 có độ bền nhiệt cao, không tan trong nước, không tác dụng với dung dịch axit và kiềm, chỉ phản ứng khi nấu chảy với hydroxit, cacbonat hay hidrosunfat, disunfat. 1Al2O3 + 1Na2CO3  2NaAlO2 + 1CO2 Al2O3 + 6KHSO4  3K2SO4 + Al2(SO4)3 + 3H2O CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 16 • -Al2O3 được tạo thành khi nung Al(OH)3 ở nhiệt độ thấp khoảng 550 oC -Al2O3 hoạt động hơn, tan trong các dung dịch axit, kiềm thể hiện tính lưỡng tính của Al2O3 Al2O3 + 6HCl + 9H2O  2[Al(H2O)6]Cl3 Al2O3 + 6NaOH + 3H2O  2Na3[Al(OH)6] Al2O3 + Na2CO3  2NaAlO2 + CO2 • Ở khoảng 1000 oC dạng -Al2O3 chuyển sang dạng -Al2O3 CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 17 2.2 Hydroxit nhôm – Al(OH)3 • Al(OH)3 được tạo thành giữa Al 3+ với kiềm yếu hoặc sục khí CO2 vào dung dịch hydroxoaluminat Al3+ + 3OH-Al(OH)3 kết tủa keo nhầy 2Na[Al(OH)4] +CO2  2Al(OH)3 +Na2CO3 +H2O • Al(OH)3 là hợp chất lưỡng tính: Al(OH)3 + 3HCl + 3H2O  [Al(H2O)6]Cl3 Al(OH)3 + 3HCl AlCl3 + 3H2O Al(OH)3 + 3NaOH  Na3[Al(OH)6] Al(OH)3 + NaOH  Na[Al(OH)4] CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA Chương IV nvhoa102@gmail.com 18 2.3 Muối nhôm – Al3+ • Dễ tan, bị thủy phân mạnh: [Al(H2O)6] 3+ ⇌ [Al(H2O)5OH] 2+ + H3O + pKa = 5,02 2[Al(H2O)5OH] 2+ ⇌ [Al2(H2O)8(OH)2] 4+ + 2H2O lgKC = 2,78 Al2S3 + 6H2O  2Al(OH)3 + 3H2S • Nhôm sunfat kết hợp với sunfat kiềm hoặc amoni tạo thành M2Al2(SO4)4.24H2O (phèn nhôm), trong đó K2SO4.Al2(SO4)3.24H2O (phèn chua). Ứng dụng phèn nhôm: đánh trong nước, hồ giấy, gắn màu vải, thuộc da. CHƯƠNG IV: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IIIA