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

3/15/2012 C, Si, Ge, Sn vµ Pb
§Æc ®iÓm cÊu t¹o vµ tÝnh chÊt ®iÖn tö
- CÊu h×nh electron: ns2np2. ViÖc t¹o ra 4e ®éc th©n
®èi víi C vµ Si kh¸ dÔ dµng. Do ®ã trong hÇu hÕt Ch−¬ng VI I
c¸c hîp chÊt C vµ Si cã sè oxi ho¸ lµ +4. C¸c nguyªn tè nhãm IVA
- C¸c sè oxi ho¸ chñ yÕu: -4, +2, +4. §i tõ trªn
xuèng tÝnh bÒn cña sè oxi ho¸ +4 gi¶m dÇn vµ tÝnh
bÒn cña sè oxi ho¸ +2 t¨ng dÇn, do ®ã tÝnh oxi ho¸
cña c¸c hîp chÊt cã sè oxi ho¸ +4 t¨ng dÇn cßn
kh¶ n¨ng khö cña hîp chÊt víi sè oxi ho¸ +2 gi¶m
dÇn tõ trªn xuèng. VÝ dô: Ge (+2) lµ chÊt khö m¹nh,
hîp chÊt Sn (+2) lµ chÊt khö kh¸ m¹nh, hîp chÊt
Pb (+2) chÊt khö yÕu, cßn Pb (+4) lµ chÊt oxi ho¸ rÊt m¹nh. 1 2 C¸c bon
- Tõ trªn xuèng tÝnh phi kim gi¶m dÇn, cßn tÝnh TÝnh chÊt lý häc
kim lo¹i t¨ng dÇn. C vµ Si lµ c¸c phi kim, Ge
- Cã 2 d¹ng thï h×nh, quan träng nhÊt lµ kim c−¬ng vµ graphit
thÓ hiÖn nhiÒu ®Æc tÝnh cña kim lo¹i, cßn Sn vµ
+ Tinh thÓ kim c−¬ng thuéc hÖ lËp ph−¬ng t©m mÆt, cã thªm 4
nguyªn tö C chiÕm 4 t©m cña 4 h×nh lËp ph−¬ng con trong sè 8 Pb lµ kim lo¹i.
h×nh lËp ph−¬ng con cña « m¹ng c¬ së. Trong tinh thÓ kim c−¬ng
mçi nguyªn tö C liªn kÕt víi 4 nguyªn tö C kh¸c b»ng 4 liªn kÕt
- C kh«ng cã ocbitan d nªn sè phèi trÝ lín nhÊt
céng ho¸ trÞ thµnh h×nh tø diÖn ®Òu víi gãc liªn kÕt CCC lµ
cña nã lµ 4, cßn c¸c nguyªn tè kh¸c cã c¸c
109o28’, ®é dµi liªn kÕt C-C lµ 1,544A
+ Graphit: Cã cÊu tróc líp, mçi nguyªn tö C liªn kÕt víi 3 nguyªn tö
ocbitan d hoÆc f nªn t¹o ®−îc c¸c hîp chÊt cã
C kh¸c trong cïng mét líp b»ng 1 liªn kÕt céng ho¸ trÞ bÒn, cã ®é sè phèi trÝ lín h¬n 4.
dµi liªn kÕt C-C lµ 1,415A, gãc liªn kÕt CCC lµ 120o, do mçi
nguyªn tö C cã lai ho¸ sp2. Ocbitan ho¸ trÞ thø ba 2p cña C kh«ng
tham gia lai ho¸ ®−îc dïng ®Ó t¹o liªn kÕt π kh«ng ®Þnh chç víi 3
C bªn c¹nh trong cïng mét mÆt ph¼ng. Liªn kÕt céng ho¸ trÞ cña
C-C trong graphit bÒn h¬n trong kim c−¬ng. 3 4 TÝnh chÊt ho¸ häc
+ Ckc ⇆ Cgr víi ∆Ho298 = -1,9 KJ.mol-1, ∆Go298 =
ë t th−êng graphit, ®Æc biÖt lµ kim c−¬ng rÊt tr¬ vÒ ph−¬ng
- 2,9KJ.mol-1, ë 298K, 1atm graphit bÒn h¬n kim
diÖn ho¸ häc, nh−ng ë nhiÖt ®é cao nã cã thÓ t¸c dông víi
c−¬ng, qu¸ tr×nh chuyÓn tõ kim c−¬ng sang
nhiÒu phi kim, kim lo¹i vµ hîp chÊt.
graphit cùc kú chËm ë ®iÒu kiÖn th−êng. Kim
+ Khi ®èt ch¸y C trong oxi hay kh«ng khÝ t¹o thµnh CO2 (d−
c−¬ng chØ chuyÓn thµnh graphit ë nhiÖt ®é O2) kho¶ng 1500oC, kh«ng cã O Cgr + O2(K) = CO2(K) ∆Ho298 = -393,51KJ 2, ë ¸p suÊt rÊt cao
lµ 50.000 ®Õn 60.000 atm vµ nhiÖt ®é tõ 1200-
HoÆc trong ®iÒu kiÖn thiÕu O2 1500oC. Cgr + 0,5O2(K) = CO(K) ∆Ho298 = - 110,52KJ CO2(K) + Cgr ⇄ 2CO(K) ∆Ho298 = 172,5 KJ
Ph¶n øng to¶ nhiÒu nhiÖt, do ®ã C ®−îc dïng lµm nhiªn liÖu ch¸y.
+ Ph¶n øng víi c¸c kim lo¹i hoÆc nguyªn tè d−¬ng ®iÖn h¬n
sÏ t¹o ra c¸c hîp chÊt cacbua Ca + 2C = CaC2 5 6 1 3/15/2012
- CO t¸c dông víi nhiÒu kim lo¹i ®Ó t¹o thµnh cacbonyl Cabon oxit kim lo¹i
- CO cã cÊu h×nh electron: (KK) σ 2 2 2 2 70oC
s σs*2πx =πy σz , ®é dµi
liªn kÕt C-O lµ 1,128A. V× cã cÊu h×nh electron còng nh− 4CO + Ni → Ni(CO)4
khèi l−îng ph©n tö gièng nh− N2 nªn CO cã mét sè tÝnh
- Lµ chÊt khö m¹nh, khö c¸c oxit kim lo¹i
chÊt gièng N2:ts, tnc rÊt gièng N2. Fe
- §©y lµ khÝ kh«ng mµu, kh«ng mïi, Ýt tan trong n−íc, rÊt 2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
®éc. Nã dÔ dµng kÕt hîp víi hemoglobin trong m¸u ph¸
- Ngoµi ra CO cßn ph¶n øng víi mét sè c¸c chÊt oxi
huû hång cÇu, g©y bÖnh m¸u tr¾ng.
ho¸ kh¸c trong dung dÞch cã mÆt xóc t¸c nh− nã khö KMnO
- ë nhiÖt ®é th−êng CO Ýt ho¹t ®éng, c¸c ph¶n øng cña nã
4 khi cã mÆt xóc t¸c cña kim lo¹i Ag hoÆc K
víi c¸c chÊt th−êng x¶y ra ë nhiÖt ®é cao:
2Cr2O7 khi cã mÆt xóc t¸c muèi thuû ng©n. Trong lÜnh
vùc b¶o vÖ m«i tr−êng CO th−êng ®−îc sö dông nh− CO(K) + 0,5O
lµ mét chÊt khö NO khi cã mÆt xóc t¸c lµ kim lo¹i quý 2(K) = CO2(K) ∆Ho298 = -283 KJ
- D−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng mÆt trêi hoÆc cã than ho¹t tÝnh
hoÆc c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp trªn chÊt mang hoÆc
xóc t¸c CO t¸c dông víi Cl
c¸c oxit phøc d¹ng d¹ng spinel, perovskite: 2 ®Ó t¹o thµnh hîp chÊt
photgen, ®©y lµ khÝ rÊt ®éc: CO(K) + Cl2(K) = COCl2(K) 7 8 2CO + 2NO → 2CO2 + N2
Hîp chÊt víi sè oxi ho¸ (+4) - §iÒu chÕ CO
CO2 cã cÊu tróc th¼ng C cã lai ho¸ sp, ph©n tö + Trong c«ng nghiÖp:
hoµn toµn ®èi xøng nªn ph©n tö CO2 cã momen C + O
l−ìng cùc b»ng 0. §©y lµ khÝ kh«ng mµu, kh«ng 2(K) → CO2(K)
mïi, Ýt tan trong n−íc, kh«ng ®éc, nh−ng g©y CO2(K) + C ⇋ 2CO(K)
ng¹t thë ë nång ®é qu¸ cao. §©y lµ khÝ g©y hiÖu + Trong phßng thÝ nghiÖm: øng nhµ kÝnh. HCOOH + H CO 2SO4(®,n) = CO + H2SO4.H2O
2 lµ khÝ oxit axit, khi tan trong n−íc tån t¹i c©n b»ng sau:
CO2(K) + aq ⇋ CO2.aq ⇋ H2CO3 ⇋ H+ + HCO - 2- 3 ⇋ 2H+ + CO3 9 10 Silic TÝnh chÊt ho¸ häc
CÊu t¹o vµ tÝnh chÊt lý häc * TÝnh khö cña Si:
- CÊu h×nh electron cña Si: 1s22s22p63s23p23do cã cÊu
- ë ®iÒu kiÖn th−êng Si kh¸ tr¬ vÒ ph−¬ng diÖn ho¸ häc
h×nh electron gièng C, cã sè phèi trÝ lµ 4 hoÆc 6, tr¹ng
(trõ ph¶n øng víi F t¹o SiF
th¸i ho¸ trÞ bÒn v÷ng nhÊt t−¬ng øng víi d¹ng lai ho¸ 4). Ph¶n øng cña Si x¶y ra
ë nhiÖt ®é kh¸ cao. ë 400oC ph¶n øng víi Cl
sp3, d¹ng lai ho¸ sp2 vµ sp cña Si kh«ng bÒn. Sè oxi 2, ë 600oC ph¶n øng víi O
ho¸ th−êng gÆp cña Si lµ +4, 0, -4.
2, ë 1000oC míi ph¶n øng víi
N2 vµ 2000oC- víi C t¹o thµnh c¸c hîp chÊt víi sè oxi
- Si lµ nguyªn tè phæ biÕn trªn tr¸i ®Êt chØ sau O, nã tån
ho¸ +4 t−¬ng øng lµ SiO2, SiCl4, Si3N4 vµ SiC
t¹i d−íi d¹ng c¸c hîp chÊt nh− dioxit silic (c¸t, th¹ch
- ë ®iÒu kiÖn th−êng Si kh«ng t¸c dông víi axit, nh−ng
anh), fenspat, mica, ®Êt sÐt, cao l¹nh…
nã ®−îc hoµ tan trong hçn hîp axit HF vµ HNO3
- Si ®¬n chÊt cã cÊu tróc tinh thÓ gièng kim c−¬ng, cã 3Si + 4HNO
nhiÖt ®é nãng ch¶y lµ 1420oC, nhiÖt ®é s«i lµ 3280oC,
3 + 18HF = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O
cã tÝnh dÉn ®iÖn vµ tÝnh b¸n dÉn.
- Si dÔ hoµ tan trong kiÒm vµ gi¶i phãng hydro:
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2 11 12 2 3/15/2012 * TÝnh oxi ho¸:
Hîp chÊt víi sè oxi ho¸ +4 cña Si (SiO2)
ThÓ hiÖn yÕu, nã ph¶n øng víi mét vµi kim lo¹i
- SiO2 r¾n, kh«ng tan trong n−íc, nãng ch¶y ë ë nhiÖt ®é kh¸ cao:
kho¶ng nhiÖt ®é 1600oC chuyÓn thµnh chÊt láng kh«ng mµu. Si + 2Mg → Mg2Si - SiO * §iÒu chÕ:
2 kh«ng t¸c dông víi axit trõ axit flohydric HF:
- Trong c«ng nghiÖp: Si ®−îc ®iÒu chÕ b»ng SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
c¸ch khö SiO2 trong lß ®iÖn b»ng C SiF4 + 2HF = H2[SiF6] SiO2 + 2C→ Si + 2CO
- SiO2 tan trong kiÒm hoÆc cacbonat kim lo¹i SiO
kiÒm nãng ch¶y t¹o thµnh silicat: 2 + 2Mg → 2MgO + Si
SiO2 + 2NaOH (nãng ch¶y) = Na2SiO3 + H2O SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2 13 14 Ch× vµ thiÕc TÝnh chÊt ho¸ häc
CÊu t¹o vµ tÝnh chÊt lý häc:
- Sn cã 3 d¹ng thï h×nh: - Ph¶n øng víi O α-Sn ⇋ β-Sn ⇌ γ-Sn 2:
α lµ thiÕc x¸m, β lµ thiÕc tr¾ng, ë 13,2oC thiÕc tr¾ng
+ ë nhiÖt ®é th−êng Sn kh«ng ph¶n øng víi oxi,
chuyÓn thµnh thiÕc x¸m, nh−ng tèc ®é rÊt chËm, sù
cßn Pb bÞ oxi ho¸ ë líp bÒ mÆt, t¹o mét líp
chuyÓn dÞch nµy x¶y ra nhanh ë nhiÖt ®é kho¶ng 30oC. oxit b¶o vÖ:
Nãi chung Sn th−êng cã mµu tr¾ng b¹c Pb + O
- Pb cã mµu tr¾ng hoÆc xanh. Sn vµ Pb lµ nh÷ng kim 2 = 2PbO
lo¹i mÒm vµ dÔ nãng ch¶y.
+ ë nhiÖt ®é cao Sn ph¶n øng víi O2 t¹o thµnh
- Gièng Si ®Òu cã 4e ho¸ trÞ ë líp ngoµi cïng.
oxit víi sè oxi ho¸ +4, cßn Pb chØ t¹o oxit ho¸
- §é bÒn cña hîp chÊt víi sè oxi ho¸ +4 vµ hîp chÊt cã trÞ +2
sè oxi ho¸ +2 cña Sn t−¬ng ®èi nh− nhau, cßn ®èi víi Sn + O
Pb hîp chÊt víi sè oxi ho¸ +4 kÐm bÒn vµ hîp chÊt víi 2 = SnO2 sè oxi ho¸ +2 bÒn. Pb + O = 2PbO 2 15 16
- Ph¶n øng víi axit: ThÕ khö chuÈn cña cÆp Sn2+/Sn lµ -
0,136V, cña cÆp Pb2+/Pb lµ -0,126V, nªn vÒ nguyªn
- Ph¶n øng víi axit HNO3 lo·ng:
t¾c chóng ®Èy ®−îc hydro ra khái axit kh«ng cã tÝnh 3Pb + 8HNO oxi ho¸ nh− HCl, H
3(lo·ng)=3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O
2SO4 lo·ng. Nh−ng thùc tÕ do qu¸
thÕ cña hydro nªn Sn vµ Pb kh«ng t¸c dông víi c¸c
Sn + HNO3(lo·ng) = Sn(NO3)2 + NO + H2O axit nµy. - Ph¶n øng víi HNO
- Dung dÞch c¸c axit ®Æc vµ nãng dÔ hoµ tan h¬n: 3 ®Æc: Pb khã ph¶n øng víi HNO Sn + 2HCl(®Æc) = SnCl 3 ®Æc, v× nitrat ch× t¹o 2 + H2 Pb + 4HCl(®Æc) = H
thµnh khã hoµ tan trong axit HNO3 ®Æc 2[PbCl4] + H2 Sn + H Sn + 4HNO 2SO4(®Æc) = Sn(SO4)2 + 2SO2 + 4H2O
3(®Æc)+ (x-2)H2O = SnO2.nH2O + 4NO2 Pb + 3H2SO4(®Æc) = Pb(HSO4)2 + SO2 + 2H2O
- Sn vµ Pb hoµ tan trong dung dÞch kiÒm nãng:
M + 2NaOH + 2H2O = Na2[M(OH)4] + H2 17 18 3 3/15/2012
Hîp chÊt víi sè oxi ho¸ lµ +4
Hîp chÊt víi sè oxi ho¸ +2
Hîp chÊt víi oxi: SnO2 vµ PbO2
XO: ®Òu lµ chÊt r¾n, cã mµu s¾c kh¸c nhau, hÇu nh−
- TÝnh bÒn: SnO2 bÒn ®èi víi nhiÖt, cßn PbO2 bÞ ph©n
kh«ng tan trong n−íc. Oxit PbO bÒn nhÊt, cã tÝnh l−ìng huû dÇn khi ®un nãng:
tÝnh, dÔ tan trong axit nitric lo·ng vµ hoµ tan trong kiÒm yÕu h¬n. 290-320oC 390-420oC 530-550oC PbO
X(OH)2 ®Òu lµ chÊt r¾n, kh«ng tan trong n−íc, cã tÝnh 2 → Pb2O3 → Pb3O4 → PbO l−ìng tÝnh. (n©u xÉm) (vµng ®á) (®á) (vµng) Sn(OH) - SnO 2 + 2HCl = SnCl2 + 2H2O 2 cã tÝnh l−ìng tÝnh: Pb(OH)2 + 2HCl = PbCl2 + 2H2O SnO2 + 4HCl = SnCl4 + 2H2O X(OH)2 + 2NaOH = Na2[X(OH)4] SnCl4 + 2HCl = H2[SnCl6]
Sn2+ lµ chÊt khö m¹nh nh−ng Pb2+ lµ chÊt khö yÕu. SnCl2 SnO ph¶n øng m¹nh víi Cl
2 + 2NaOH + 2H2O = Na2[Sn(OH)6]
2 t¹o thµnh SnCl4, cßn PbCl2 kh«ng - PbO
cã ph¶n øng nµy. C¸c muèi cña Sn2+ th−êng ®−îc dïng
2 cã tÝnh oxi ho¸ m¹nh th−êng dïng lµm chÊt oxi lµm chÊt khö, vÝ dô:
ho¸, vÝ dô nã oxi ho¸ ®−îc c¶ chÊt khö rÊt yÕu nh− Mn2+ Sn2+ + 2Fe3+ = Sn4+ + 2Fe2+ SnCl 5PbO - 2 + 2HgCl2 = SnCl4 + Hg2Cl2
2 + 2Mn2+ + 4H+ = 5Pb2+ + 2MnO4 + 2H2O
SnCl2(d−) + Hg2Cl2 = SnCl4 + 2Hg 19 20 4