Bài giảng Hóa vô cơ A - Chương V: Các nguyên tố phân nhóm IVA(E) - Nguyễn Văn Hòa

Chương V nvhoa102@gmail.com 1 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 2 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) NỘI DUNG NHẬN XÉT CHUNG I. ĐƠN CHẤT II. HỢP CHẤT CÓ SỐ OXH (-4) III. HỢP CHẤT CÓ SỐ OXH (+2), (+4) IV. VẬT LIỆU SILICAT TÀI LIỆU [1] – Tập 2, Chương 5: trang 99 – 160 [2] – Chương 6: trang 142 – 167 [3] – Phần II, Chương 2: trang 129 – 178 [4] – Chapter 14: page 426 – 484 Chương V nvhoa102@gmail.com 3 NHẬN XÉT CHUNG - Cấu hình electron hóa trị: ns2np2. - Σ I khá lớn  không thể mất 4e để tạo nên ion +4. - χ chưa đủ lớn  không thể nhận 4e để tạo ion -4. - ⇒ Các hợp chất có số oxi hóa -4, +2, +4 tạo nên những cặp e dùng chung, có bản chất liên kết CHT. - Thể hiện tính oxi hóa và khử. - C  Pb: Tính oxihóa , tính khử ; HC (+4), (+2) - C, Si là phi kim – Ge lưỡng kim – Sn, Pb là kim loại. Có khả năng tạo mạch dài E-E, giảm dần từ C  Pb CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 4 I ĐƠN CHẤT 1 Cacbon 1.1 Tính chất vật lý 2000 4000 60.000 120.000 2800 o K atm Pt Cacbin Graphit     Xuùc taùc: Kim cöôngC Kim cương (a); Graphit (b); Cacbin: (=C=C=)n Lonsdaleit (c); Fullerenne (d-C60, e-C540, f-C70); Carbon nanotube (h); Carbon vô định hình (g) (than gỗ, than cốc, muội hóng). 1000 – 1500 oC -graphite CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 5 1.2 Tính chất hóa học Ở nhiệt độ cao thể hiện tính khử và oxi hóa - Khử mạnh C + O2  CO2 C + H2O  CO + H2 C + 2H2SO4 đặc  CO2 + 2SO2 + 2H2O C + NaOH đặc  Na2CO3 + CO + H2 + C + 2S  CS2 ; C + Fe2O3  Fe + CO2 - Oxi hóa yếu 2C + 4Al Al4C3 C + H2  CH4 + C2H2 + CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 6 2 Silic 2.1 Tính chất vật lý Có hai dạng thù hình: - Thù hình tinh thể lập phương – sp3, bền:  chất rắn có mạng tinh thể giống kim cương;  rất cứng, khó nóng chảy, khó bay hơi;  có màu xám, ánh kim;  có tính bán dẫn kiểu p và kiểu n. (E = 1,12 eV) - Thù hình vô định hình lập phương – sp2 (giống grafit), kém bền hơn. CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 7 Chương V nvhoa102@gmail.com 8 2.2 Tính chất hóa học Trơ về mặt hóa học. Ở nhiệt độ cao: - Tính khử: Si + 2F2  SiF4  (t 0 thường) Si + O2  SiO2 (600 oC) Si + C  SiC (200 oC) Si + H2  SiH4 + Si2H6 + Si3H6 (hồ quang điện) 3Si + 4HNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO + 8H2O Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2 - Tính oxi hóa: 2Mg + Si  Mg2Si (800-900 oC) CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 9 2.3 Trạng thái tự nhiên và điều chế - Trạng thái tự nhiên: Cát (SiO2); Silicat (đá, đất sét ...) - Điều chế: CN: SiO2 + 2C  2CO + Si 3SiO2 + 2CaC2  2CaO + 4CO + 3Si PTN: SiO2 + 2Mg  2MgO + Si Si tinh khiết hóa học: SiCl4 + 2Znhơi  Si + ZnCl2 SiH4  Si + 2H2 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 10 3 Gecmani, thiếc, chì - Ở nhiệt độ thường, bền trong không khí và nước. Ở nhiệt độ cao, hoạt động hơn: Ge + O2  GeO2 Sn + O2  SnO2 2Pb + O2  2PbO - Ge không tác dụng với kiềm, chỉ tác dụng với axit có tính oxi hóa mạnh (vd HNO3) Ge + 4HNO3  H2GeO3 + 4NO + 2H2O - Sn, Pb tác dụng với axit và kiềm như kim loại 3Pb + 8HNO3 loãng  3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O Sn + 2NaOH + 2H2O  Na2[Sn(OH)4] + H2 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 11 II HỢP CHẤT 1 Các hợp chất của cacbon 1.1 Hợp chất C (-4) – Cacbua - Cacbua phi kim: CxHy, SiC, B4C3 (cacbua CHT) - Cacbua kim loại, gồm:  Cacbua ion: chất tinh thể; khó nóng chảy; bị nước, axit phân hủy tạo thành sản phẩm: • CH4, gọi là cacbua metanit (Be2C, Al4C3); Be 2 C + 4H 2 O  2Be(OH) 2 + CH 4  CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 12 • C2H2, gọi là cacbua axetylenit – cacbua KL nhóm I và II (Ag2C2, CaC2) CaC2 + 2HCl  CaCl2 + C2H2  • C2H2 & CxHy, gọi là cacbua axetylen và hydro cacbon khác (YC2, LaC2, Ce2C3 ...) 2LaC2 + 6H2O  2La(OH)3 + C2H2  + C2H4   Cacbua xâm nhập: cacbua nguyên tố d: TiC, W2C, Fe3C, VC0,58-1,0  có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt, rất cứng, bền nhiệt, bền hóa. 3WC + 9HNO3 + 18HF  3HWF6 + 3CO2 + 9NO + 12H2O CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 13 1.2 Hợp chất C (+2): CO; HCN; CN- Có một số tính chất giống N2:  khí không màu, không mùi, khó hóa lỏng, khó hóa rắn, ít tan trong nước, rất bền nhiệt;  kém hoạt động ở nhiệt độ thường.  CO CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 14 700 oC nổ Khác với nitơ, CO:  độc;  ở nhiệt độ cao khả năng khử tăng lên: 2CO + 1O2  2CO2 , H 0 = -283 kJ/mol  CO được dùng làm nhiên liệu 3CO + Fe2O3  2Fe + 3CO2 CO + Cl2  COCl2 (chiếu sáng hoặc 500 oC) Photgen: rất độc  tạo phức cacbonyl với kim loại chuyển tiếp: Fe + 5CO  [Fe(CO)5] (100–200 oC, 150 at) CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 15 Ni + 4CO  [Ni(CO)4] (50 oC) Cr + 6CO  [Cr(CO)6] (t 0, p)  Dễ bị nhiệt phân giải phóng KL: tinh chế KL - HCN tan vô hạn trong nước (Ka HCN = 2.10 -9), rượu, ete; chỉ MeCN và M(CN)2 tan trong nước; - Rất độc; - Có tính khử mạnh và khả năng tạo phức: 4Au + 8NaCN + 2H2O + O2  4Na[Au(CN)2] + 4NaOH  HCN và CN- : CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 16 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) 1.3 Hợp chất C (+4): CO2; H2CO3; HCO3 -; CO3 2- - Khí không màu, có vị chua; - Dễ hóa lỏng, hóa rắn (đá khô); - Không cháy và không duy trì sự cháy  Chữa cháy, trừ trường hợp cháy kim loại như Al, Zn, Mg: 4Al + 3CO2  2Al2O3 + 3C - Oxi axit: CO2 + 2NaOH  Na2CO3 + H2O - Anhydrit cacbonic: CO2 + H2O ⇌ H2CO3 CO 2 : Chương V nvhoa102@gmail.com 17 - Gây hiệu ứng nhà kính CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Chương V nvhoa102@gmail.com 18 - H2CO3 là axit 2 lần và là axit rất yếu: H2O + CO2 ⇌ H2CO3 ⇌ H  + HCO3 ̅ ⇌ 2H+ + CO3 2– Ka1 = 4,5.10 -7 Ka2 = 5,6.10 -11 - Muối CO3 2- của IA (trừ Li2CO3) và muối HCO3 - của IIA đều tan và thủy phân cho dung dịch kiềm yếu. - Muối CO3 2- đều bị nhiệt phân trừ cacbonat IA. CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) H2CO3 và muối CO3 2- : Chương V nvhoa102@gmail.com 19 - H2C2O4: axit 2 lần và là axit trung bình Ka1 = 10 -1,23 Ka2 = 10 -4,19 H2C2O4 + 2NaOH  Na2C2O4 + 2H2O - Có tính khử mạnh 5Na2C2O4 + 2KMnO4 + 8H2SO4  2MnSO4 + K2SO4 + 5Na2SO4 + 10CO2 + 8H2O  Sử dụng làm chất gốc trong phân tích. CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) H2C2O4 và muối C2O4 2- : (axit oxalic và muối oxalat) Chương V nvhoa102@gmail.com 20 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) 2 Các hợp chất của silic 2.1 Hợp chất Si (-4) – Silixua - Các silixua có liên kết cộng hóa trị, ion, kim loại. - Hydro silixua gọi là silan, công thức SinH2n+2. - Silixua là những chất bán dẫn. - Silixua của nguyên tố s, d nhóm I, II bị nước và axit thủy phân: Ca2Si + 4HCl  SiH4 + 2CaCl2 Chương V nvhoa102@gmail.com 21 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) 2.2 Hợp chất Si (+4) Có 3 dạng thù hình tinh thể: SiO2 : - Các thù hình đều bao gồm nhóm tứ diện SiO4, chúng khác nhau về cách sắp xếp nhóm SiO4. - SiO2 dễ chuyển sang trạng thái thủy tinh. Chương V nvhoa102@gmail.com 22 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) - SiO2 bền về mặt hóa học, chỉ tác dụng:  với F2, HF (khí và dung dịch) ở điều kiện thường SiO2 + 2F2  SiF4 + 2O SiO2 + 4HF(k)  SiF4 + 2H2O  tan trong kiềm hay cacbonat kiềm nóng chảy SiO2 + 2NaOH  Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3  Na2SiO3 + CO2 - Các axit silixic có công thức chung xSiO2.yH2O. H2SiO3 : Chương V nvhoa102@gmail.com 23 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) - Là axit yếu (Ka = 10 -10). Không tan trong nước. - Khi mất nước  silicagen (SiO2 mịn): dùng làm chất hút ẩm, chất hấp phụ. Muối silicat: - Chỉ Me2SiO3 tan trong nước nóng (được gọi là thủy tinh tan), khi tan bị thủy phân tạo dd kiềm yếu. Me2SiO3 + 2H2O ⇌ H2SiO3 + 2MeOH - Dung dịch Na2SiO3 đậm đặc được gọi là thủy tinh lỏng. Được dùng để chống cháy cho gỗ, vải; làm hồ dán thủy tinh, sứ. Chương V nvhoa102@gmail.com 24 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) Vật liệu silicat: - Thủy tinh: công thức gần đúng Na2O.CaO.6SiO2; bị ăn mòn bởi dung dịch kiềm, F2, HF; bị thủy phân tạo dung dịch kiềm yếu: Na2O.CaO.6SiO2 + 8H2O ⇌ 2NaOH + Ca(OH)2 + 6H2SiO3 - Đồ gốm: gạch, ngói, gạch chịu lửa, sành, sứ, men. - Ximăng: gồm chủ yếu Ca3(AlO3)2, Ca3SiO5, Ca2SiO4 Chương V nvhoa102@gmail.com 25 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) 3 Các hợp chất của gecmani, thiếc, chì 3.1 Hợp chất oxi (EO) và hydroxit (E(OH)2) - Đều ít tan trong nước. - Có tính lưỡng tính, tính bazo tăng dần từ Ge  Pb Sn(OH)2 + 3HCl đặc  H[SnCl3] + 2H2O Sn(OH)2 + NaOH đặc  Na[Sn(OH)3] PbO + 2HNO3 loãng  Pb(NO3)2 + H2O PbO + 2NaOH đặc + H2O  Na2[Pb(OH)4] Chương V nvhoa102@gmail.com 26 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) - Có tính khử đặc trưng: 3Sn(OH)2 + 12NaOH đặc + 2Bi(NO3)3  3Na2[Sn(OH)6] + 2Bi + 6NaNO3 6PbO + O2  2(Pb2 II PbIV)O4 - Tính oxi hóa yếu: 2PbO + PbS  3Pb + SO2 SnO + H2  Sn + H2O Chương V nvhoa102@gmail.com 27 CHƯƠNG V: CÁC NGUYÊN TỐ PHÂN NHÓM IVA (E) 3.2 Hợp chất oxi (EO2) - GeO2 ít tan trong nước; SnO2 và PbO2 không tan. - Có tính lưỡng tính, tan trong kiềm dễ hơn axit: EO2 + 2KOH + 2H2O  K2[E(OH)6] - Chỉ PbO2 không bền nhiệt: - Tính oxi hóa đặc trưng, tăng dần GeO2  PbO2: 3PbO2 + 2Cr(OH)3 + 10KOH 2K2CrO4 + 3K2[Pb(OH)4] + 2H2O 2PbO2 + 2H2SO4  2PbSO4 + 2H2O + O2