Chương IX: Các nguyên tố nhóm IIIA | Bài giảng môn Hóa vôn cơ | Đại học Bách khoa hà nội

Chương IX Các nguyên tố nhóm IIIA Nhôm
Cấu tạo và tính chất lý học
-Chu kỳ III, cấu trúc vỏ electron lớp ngoài cùng:
3s23p1, là kim loại hoạt động.
-Nhôm tạo được nhiều hợp chất với số phối trí lớn.  Vì sao? 1 3 Nhôm
Cấu tạo và tính chất lý học I1 I2 I3 B [He]2s22p1 8.3 25.15 37.9
- Có màu trắng ánh bạc, mềm, dễ dát mỏng và kéo
thành sợi, dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, tạo được hợp kim Al [Ne]3s23p1 5.9 18.82 28.4 với nhiều đơn chất. Ga [Ar]3d104s24p1 6.0 20.43 30.6 In [Kr]4d105s25p1 5.8 18.79 27.9 Tl
[Rn]4f145d106s26p1 6.1 20.32 29.7 4 3+ Tính chất hoá học
-oAl /Al= -1,66V rất âm, nên Al dễ dàng đẩy được
hydro ra khỏi các axit và nước.
-> Nhưng trên thực tế: Al + 3H
-Nhôm là kim loại hoạt động. Vì sao đồ nhôm bền?
2O = Al(OH)3 + 3H2, lớp
hydroxit tạo ra trên bề mặt ngăn cản phản ứng tiếp tục.
 ở nhiệt độ thường nó phản ứng với oxi: 2Al + 1,5O  2
-Al dễ dàng phản ứng với các axit như H Al 2SO4, HCl :
2O3 tạo ra một lớp oxit nhôm rất mỏng trên bề mặt, làm cho
nhôm trở nên kém hoạt động.
2Al + 6H3O+ + 6H2O = 2[Al(H2O)6]3+ + 3H2
- Nhiệt độ cao: cháy trong không khí tạo thành oxit
- Al bị thụ động và không phản ứng với axit HNO3
và phản ứng toả nhiều nhiệt đặc và nguội. 5 7
-Al dễ dàng tan trong kiềm:
- Là chất khử mạnh, ở nhiệt độ cao khử được nhiều 2Al + 2KOH + 6H oxit kim loại: 2O = 2K[Al(OH)4] + 3H2 2Al + Cr2O3 = Al2O3 + 2Cr 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe
- Phản ứng với các phi kim: ở nhiệt độ thường nhôm
tương tác với Clo, Brôm, khi đun nóng phản ứng với I2,
với S và C xảy ra ở nhiệt độ khá cao và không tương
Lịch sử và điều chế nhôm tác với hydro. 6 8
1808 Sir Humphry Davy (Britain) established the existence of aluminium and
The Bayer process is the principal industrial means of producing named it.
alumina, itself important in the Hall-Héroult process for producing
1821 P. Berthier (France) discovers a hard, reddish, clay-like material aluminum.
containing 52 per cent aluminium oxide near the village of Les Baux in southern
France. He called it bauxite, the most common ore of aluminium.
Bauxite, the most important ore of aluminum, contains only 40- 1825 60% alumina, Al
Hans Christian Oersted (Denmark) produces minute quantities of
2O3, the rest being a mixture of silica, various iron
oxides, and titanium dioxide. The alumina must be purified before
aluminium metal by using dilute potassium amalgam to react with anhydrous
aluminium chloride, and distilling the resulting mercury away to leave a residue
it can be refined to aluminum metal. In the Bayer process, bauxite of slightly impure aluminium.
is washed with a hot solution of sodium hydroxide, NaOH, at
1827 Friedrich Wöhler (Germany) describes a process for producing
250°C. This converts the alumina to aluminium hydroxide,
aluminium as a powder by reacting potassium with anhydrous aluminium Al(OH) chloride.
3, which dissolves in the hydroxide solution according to the chemical equation
1845 Wöhler establishes the specific gravity (density) of aluminium, and one
of its unique properties - lightness.
Al2O3 + 2 OH- + 3 H2O → 2 [Al(OH)4]-
1854 Henri Sainte-Claire Deville (France) improves Wöhler's method to
The other components of bauxite do not dissolve and can be
create the first commercial process. The metal's price, initially higher than that
filtered out as solid impurities. Next, the hydroxide solution is
of gold and platinum, drops by 90% over the following 10 years. The price is still
cooled, and the aluminium hydroxide dissolved in it precipitates
high enough to inhibit its widespread adoption by industry.
out as a white, fluffy solid. When then heated to 1050°C, the
1855 A bar of aluminium, the new precious metal, is exhibited at the Paris
aluminium hydroxide decomposes to alumina, giving off water Exhibition. vapor in the process:
1885 Hamilton Y. Cassner (USA) improves on Deville's process. Annual output 15 tonnes!
2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O
1886 Two unknown young scientists, Paul Louis Toussaint Héroult
(France) and Charles Martin Hal (USA), working separately and
unaware of each other's work, simultaneously invent a new electrolytic
process, the Hall-Héroult process, which is the basis for all aluminium
production today. They discovered that if they dissolved aluminium
oxide (alumina) in a bath of molten cryolite and passed a powerful
electric current through it, then molten aluminium would be deposited at the bottom of the bath. Smelting Technology
1888 The first aluminium companies founded in France, Switzerland and the USA
1889 Karl Josef Bayer (Austria), son of the founder of the Bayer
chemical company, invented the Bayer Process for the large scale
production of alumina from bauxite.
1900 Annual output 8 thousand tonnes.
1913 Annual output 65 thousand tonnes.
1920 Annual output 128 thousand tonnes.
1938 Annual output 537 thousand tonnes.
1946 Annual output 681 thousand tonnes.
1999 Annual output 24 million tonnes. Hợp chất của nhôm Oxit nhôm Al
Có nhiều dạng thù hình, trong đó hai dạng bền nhất là:  và 
2(SO4)3: thường tồn tại dưới dạng phèn nhôm
KAl(SO4)2.12H2O và Al2(SO4)3.18H2O, tinh thể không
-Al2O3-, tương đối bền, cấu trúc kiểu lập phương. Không tan
màu, dễ tan trong nước và xảy ra sự thuỷ phân Al3+
trong nước, trơ về mặt hoá học, ở t thường không tác dụng
với axit và kiềm, ở t cao (khoảng 1000oC) nó phản ứng được
với hydroxit, cacbonat, hydrosunfat và disunfat của kim loại
Một số muối của nhôm như Al2(CO3)2, Al2S3 không
kiềm: Al2O3 + Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2. Tồn tại trong thiên
thể điều chế được vì tạo ra lại bị thuỷ phân với mức
nhiên dưới dạng đá corundum độ khá mạnh. -Al Al
2O3- kém bền hơn, thu được khi nhiệt phân Al(OH)3 ở 500-
2(CO3)3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3CO2
600oC, ở t=1000oC nó chuyển sang dạng thù hình Al2O3-.
Al2O3-  có bề mặt riêng lớn, thường được sử dụng làm chất
hấp phụ, chất xúc tác hay chất mang xúc tác. 13 15 Hydroxit nhôm
Là kết tủa keo có tính lưỡng tính Al(OH)3 + 3NaOH = Na3[Al(OH)6] + 3H2O Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O Các muối nhôm
AlCl3: tinh thể màu trắng ngậm 6 phân tử H2O, thăng
hoa ở 179,7oC, nóng chảy ở 192,6oC, thể lỏng gồm
các phân tử dime Al2Cl6. Khi hoà tan trong nước sẽ
xảy ra phản ứng thuỷ phân tạo hydroxit nhôm 14 Nguyên tố B
Hợp chất của B với H
- Công thức đơn giản nhất: BH
Cấu tạo và tính chất lý học
3, nhưng thực tế công thức
phân tử rất phức tạp: BnHn+4 và BnHn+6. Các boran thông dụng là: B2H6, B4H10 (khí), B5H9, B6H10(lỏng),
B10H14(rắn)…Boran loại hợp chất thiếu e.
- Cấu trúc vỏ electron lớp ngoài: 2s22p1, ở trạng thái
kích thích có 3e độc thân tạo liên kết cộng hoá trị với các nguyên tố khác. H H B B H H H
- B là tinh thể không màu, nhưng thường có màu đen H
do lẫn tạp chất, rất rắn, khó nóng chảy, có tính bán dẫn, là chất nghịch từ. 17 19 Tính chất hoá học Hợp chất của B với O
- Ở t thường B rất trơ về phương diện hoá học, chỉ tác dụng với F:
- B2O3: Chất rắn, không màu, tnc= 450oC và ts= 2B + 3F
2250oC, hút ẩm mạnh và tan trong nước tạo thành 2 = 2BF3 axit boric:
- Ở nhiệt độ cao B hoạt động hơn: B + Tác dụng với O
2O3 + 3H2O = 2H3BO3 - axit orthoboric 2 ở 700oC:
-Axit boric là đơn axit yếu: 4B + 3O  2 = 2B2O3 Ho298 = -1263,6 KJ.mol-1 H - + H+; K
+ Ở t cao, tác dụng được với P, S, N: 3BO3 + HOH ⇆ B(OH)4 a= 5,6.10-10
- Muối của axit boric thường dùng là borac 2B + N     C 1200 o 2 2BN
Na2B4O7.10H2O, là chất rắn tinh thể, không màu, tan
- Với axit: B chỉ tác dụng được với các axit HNO3 và H2SO4 trong nước nóng
đặc sản phẩm tạo thành là H3BO3:
B + 3H2SO4(đặc) = 2H3BO3 + 3SO2 18 B + 3HNO 20 3 = H3BO3 + 3NO2 Gallium Be, Mg, Ca, Sr, Ba và Ra. 21 23 Chương X Đơn chất Các nguyên tố nhóm IIA 1.Tính chất lý học:
- Có màu trắng bạc hoặc xám nhạt, tuy nhiên trong
không khí chỉ có Be và Mg giữ được ánh kim còn
các kim loại khác mất ánh kim.
- Có tnc, ts và tỷ khối cao hơn so với kim loại kiềm,
do liên kết kim loại trong kim loại kiềm thổ mạnh hơn
trong kim loại kiềm và do số e liên kết trong kim loại
kiềm thổ gấp đôi kim loại kiềm.
- Dễ tạo hợp kim với các kim loại khác, ví dụ các
hợp kim của magiê nhẹ và bền, được sử dụng trong
chế tạo tên lửa, công nghiệp máy bay, ôtô,… 22 24
2. Tính chất hoá học: - Phản ứng điều chế:
- Phản ứng với oxi: Ở nhiệt độ thường Be và đpnc
Mg bị bao phủ một lớp oxit rất mỏng và bền MCl  2 M+ Cl2
ngăn cản chúng tiếp xúc với oxi, còn các kim
loại khác nhanh chóng bị oxi hoá. Ở nhiệt độ Hợp chất:
cao trong không khí tất cả các kim loại kiềm thổ
* Các oxit MO:
cháy tạo nên oxit MO, nitrua M
Là chất rắn, màu trắng, khó nóng chảy và rất bền nhiệt. 3N2, đối với Ba có tạo thêm một ít BaO
BeO không tan trong nước, MgO phản ứng một phần với nước, 2
nhưng rất chậm, còn các oxit còn lại phản ứng mãnh liệt với
- Phản ứng với các halogen: ngay ở nhiệt độ
nước và phản ứng toả nhiều nhiệt,
thường, khi đun nóng thì phản ứng với lưu Ví dụ: CaO + H  2O = Ca(OH)2 Ho298 = -65 KJ
huỳnh, nitơ và một số phi kim khác 25 27
- Phản ứng với nước: Vì có thế khử rất âm nên dễ
dàng tương tác với nước và axit không có tính oxi * Các hydroxit M(OH)2:
hoá giải phóng hydro, nhưng Be không tác dụng với
- Be(OH)2 và Mg(OH)2 rất ít tan trong nước,
nước vì có lớp oxit bảo vệ. Mg không tan trong nước
Ca(OH)2 tương đối ít tan còn các hydroxit còn lại
lạnh, tan chậm trong nước nóng, do tạo thành lớp
tan nhiều trong nước và độ tan tăng dần từ trên hydroxit ít tan: Mg + 2H xuống trong nhóm. 2O = Mg(OH)2 + H2 Nếu thêm
dung dịch NH4Cl lớp hydroxit này bị tan ra và Mg tiếp - Be(OH)
tục phản ứng với nước: Mg(OH)
2 có tính lưỡng tính, còn các hydroxit khác 2 + 2NH4Cl = MgCl2 +
có tính bazơ và tính bazơ tăng dần từ trên xuống 2NH3 + 2H2O trong nhóm:
Ca, Sr, Ba đều phản ứng được với nước lạnh tạo thành hydroxit tương ứng Be(OH)2 + 2NaOH = Na2[Be(OH)4] -
Phản ứng với kiềm: Chỉ có Be khả năng hoà tan M(OH)2 + 2HCl = MCl2 + 2H2O trong dung dịch kiềm: Be + 2NaOH + H 26 2O = Na2[Be(OH)4] + H2 28
- Các hydroxit có khả năng hấp thụ khí CO2 tạo -Điều chế BaO
thành cácbonat ít tan, dư CO
2: Sục không khí qua BaO ở t= 2 tạo thành hydrocacbonat 600oC: Ca(OH) BaO + 0,5O 2 + CO2 = CaCO3 + H2O
2 = BaO2 ở t>600oC BaO2 sẽ bị
phân huỷ theo phản ứng nghịch.
CaCO3 + CO2 + H2O ⇆ Ca(HCO3)2 - Điều chế SrO
Khi đun nóng thì cân bằng dịch chuyển theo
2: Tương tự BaO2 song cần áp
chiều nghịch tạo lại kết tủa CaCO suất cao 125 atm 3 - Ứng dụng: CaO và Ca(OH)
- Các peoxit có khả năng tan trong axit loãng giải 2 sử dụng nhiều
trong xây dựng, điều chế Na phóng H 2CO3, NaOH, đất đèn 2O2: CaC2, CaOCl2, xi măng. BaO2 + H2SO4 = H2O2 + BaSO4 29 31 * Peoxit MO :
* Các muối halogenua MX 2 2:
- Khả năng tạo peoxit tăng dần từ trên xuống
- Các kim loại nhóm IIA đều tạo được các muối
theo chiều tăng kích thước nguyên tử. Be không
halogenua MX2: Là chất rắn trắng, dễ tan trong
tạo được peoxit, Mg chỉ tạo được peoxit ở dạng nước, trừ các florua.
hydroxit có lẫn peoxit MgO2, còn Ca, Sr, Ba tạo được các peoxit MO
- Đa số đều hút ẩm mạnh tạo thành các tinh thể
2 là chất bột có màu trắng và khó tan trong nước
không màu, ngậm nước: CaCl2.6H2O, dễ hoà
tan trong nước, khi tăng nhiệt độ thì chúng mất - Điều chế CaO
dần các phân tử nước, BaCl 2: 2.2H2O, bền trong
Ca(OH) + H O + 6H O = CaO .8H O
không khí, khi đun nóng nó mất nước. 2 2 2 2 2 2 100-130oC CaO .8H O  CaO + 8H O 2 2 2 2 30 32 Nước cứng
Có hai loại độ cứng: độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh
cửu, tổng của hai loại độ cứng này là độ cứng của nước. 260oC o o o CaCl .6HO 31 45,3 C 176 C trongHCl  C   C aCl .4H O   C  aCl .2H O   C  aCl .H O   C  aCl 2 2 2 2 2 2 2 2 2
-Độ cứng tạm thời là chỉ lượng muối hydrocacbonat như
Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2. Độ cứng tạm thời bị mất khi đun
sôi nước, vì khi đó hydrocacbonat bị nhiệt phân tạo thành o o BaCl .2HO 6  0 6   5  C BaCl .H O 12  1  C BaCl 2 2 2 2 2
cacbonat, lắng xuống thành cặn. Ca(HCO  3)2 CaCO3 + CO2 + H2O Mg(HCO3)2 MgCO3 + CO2 + H2O
- Độ cứng vĩnh cửu là chỉ lượng muối không bị kết tủa khi
đun sôi nước đó là muối sunfat, clorua của Ca và Mg.
- Độ cứng của nước được tính bằng số milimol đlg của
các kim loại Ca và Mg trong một lít nước. 33 35
* Các muối sunfat MSO4:
-Nước rất mềm có độ cứng < 1,5 mđlg/l, nước mềm - BeSO
có độ cứng khoảng 1,5- 4 mđlg/l, nước trung bình -
4 và MgSO4 tan rất nhiều trong nước,
4-8 mđlg/l, nước cứng- 8- 12 và nước rất cứng > 12
còn CaSO4, SrSO4 ít tan, BaSO4 rất ít tan. mđlg/l
-BaSO4 rất ít tan trong axit và bền ở nhiệt độ
-Nước cứng ảnh hưởng đến một số ngành cao. công nghiệp. -CaSO
Ví dụ: Quá trình nhuộm và nồi hơi. Cặn tạo
4.2H2O còn gọi là thạch cao, đây là chất
rắn trắng ít tan trong nước, ở nhiệt độ cao nó
thành trong nồi hơi làm cho nồi hơi kém dẫn
mất dần nước kết tinh:
nhiệt, dẫn đến tiêu tốn nhiều nhiên liệu hoặc
nước cứng tạo kết tủa với xà phòng, kết tủa o o o CaSO .2H O 150 C 200 C 1100 C     CaSO .0,5H O     CaSO     CaO  SO 4 2 4 2 4 3 này làm bẩn quần áo. 34 36
- Các phương pháp làm mềm nước: Tạo kết tủa hoặc trao đổi ion
+ Để phá nước cứng tạm thời thường dùng vôi tôi Ca(OH)2:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2MgCO3 + 2H2O
+ Để phá nước cứng vĩnh cửu thêm vào dung dịch
Na2CO3 để tách kết tủa của Ca và Mg dưới dạng cacbonat
+ Một phương pháp được sử dụng rộng rãi là
phương pháp trao đổi ion: cho nước đi qua lớp
catinonit, các catinonit (đó là zeolit có thành phần
Na2Al2Si2O8) sẽ giữ các ion Ca2+ và Mg2+ và nhả 37
các cation Na+ đi vào nước 39 Chương XI Đơn chất Các nguyên tố nhóm IA
1. Tính chất lý học: • Mềm •Tỉ trọng thấp
• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp
• Khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt tốt (kém xa Ag) • Có ánh kim 38 40
- Phản ứng với N2 và C: chỉ có Li tác dụng trực tiếp với
2. Tính chất hoá học:
N2 và C để tạo nên các hợp chất Li3N và Li2C
- Các kim loại kiềm rất hoạt động hoá học, thể hiện
-Phản ứng với H2O: Có thế điện cực rất âm nên phản
tính khử mạnh và tính khử tăng đều đặn từ Li đến
ứng mãnh liệt với H2O giải phóng H2: Cs 2M + 2HOH = MOH + H2 41 43
Occurrence, Preparation, Use, & Reactions of the Alkali Metals
 Na và K chủ yếu được điều chế từ nước biển (chứa NaCl và KCl).
 Li được điều chế chủ yếu từ khoáng spodumen, LiAl(SiO3)2.
 Phương pháp điều chế chính là điện phân ( vì
là các chất khử mạnh). 42
Occurrence, Preparation, Use, & Reactions of the Alkali Metals
Li2O phản ứng chậm với H2O, còn các M2O khác phản
 Liquid sodium is used as a heat transfer medium in some
ứng rất mạnh với H2O và toả nhiều nhiệt
types of nuclear reactors and in automobile engine valves, M2O + HOH = 2MOH
and its vapor is used in lamps for outdoor lighting. * Các hydroxit M(OH):
 Potassium is used in making KO2, used as an oxygen
source for miner’s “self-rescuers” and similar devices:
- Là các chất rắn, màu trắng, nóng chảy ở t tương đối
thấp tạo nên chất lỏng linh động và trong suốt. Hút ẩm
mạnh trong không khí, hấp thụ khí CO2 tạo thành
cacbonat, tan trong rượu và nước.
- Các hydroxit là các kiềm mạnh tương tác dễ dàng với
các axit và oxit axit tạo thành muối, phản ứng với một
Na O  2KO  2CO 
 Na CO  K CO  2O Z
số kim loại lưỡng tính như Al, Zn, Sn và một số phi kim 2 2 2 2 2 3 2 3 2
Lithium is used in lightweight batteries of the type như Si, halogen.
found in heart pacemakers, cellular telephones, 47
digital cameras, and portable computers. Hợp chất:
- Trong các hydroxit chỉ có NaOH được sử * Các oxit M
dụng nhiều trong các ngành công nghiệp: công 2O: Li
nghiệp xà phòng, giấy, dệt,…
2O được điều chế bằng tác dụng trực tiếp
các đơn chất, còn các oxit khác M2O chỉ
- NaOH được điều chế bằng phương pháp điện
được tạo thành bằng phương pháp gián
phân muối ăn có màng ngăn hoặc được điều tiếp:
chế từ phản ứng trao đổi: 2Li + 0,5O2 = Li2O
Na2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3 + 2NaOH Na2O2 + 2Na = 2Na2O KO2 + 3K = 2K2O 46 48 * Các peoxit và supeoxit:
- Trừ Li tất cả các kim loại khác đều tạo được peoxit và supeoxit.
-Các peoxit và supeoxit khá bền nhiệt và không phân huỷ khi nóng chảy.
-Tất cả đều hút ẩm mạnh và chảy rữa khi để trong
không khí. Chúng phản ứng mạnh với nước giải phóng khí O2 Na2O2 + 2HOH = H2O2 + 2NaOH 2H2O2 = 2H2O + O2
(Trong phòng thí nghiệm người ta dùng phản ứng này để điều chế O2) 49
- Phản ứng với CO2 giải phóng khí O2: 2Na2O2 + 2CO2 = 2Na2CO3 + O2 2KO2 + 2CO2 = 2K2CO3 + 3O2
- Trong số các peoxit và supeoxit thì Na2O2 có ứng
dụng nhiều nhất. Na2O2 được điều chế bằng đun nóng
Na nóng chảy trong dòng không khí đã được hút sạch CO2 và hơi ẩm: 2Na + O2 = Na2O2 Na2O2 + O2 = 2NaO2 (lẫn)
- Na2O2 là chất oxi hoá mạnh, nhiều chất hữu cơ bốc
cháy khi tiếp xúc với nó, được dùng để tấy trắng vải, 50 len, lụa…