báo cáo chương vii phân nhóm chính nhóm iva

báo cáo chương vii phân nhóm chính nhóm iva

Nhóm I

Võ Thị Thu Thảo

Lê Bá Thịnh Trần Quốc Khởi Nguyễn Thị Quế Minh

Lê Hoàng Thủy Tiên Trần Kim Chi

Kiều Thị Minh Châu Phạm Ngọc Thùy An Phạm Lê Đoàn

VII.1 NHẬN XÉT CHUNG

Nhóm IVA gồm có: C, Si, Ge, Sn, Pb.

Nguyên tố nhóm IVA thể hiện số oxi hóa:

• -4: CH4, CaC2,…

• +2: PbS, SnCl2, CO,…

• +4: CO2, SiO2,…

Nhóm IVA có khả năng tạo mạch dài, điển hình nhất

là C

– Bán kính của C tương đối nhỏ

– Số phối trí tương đối lớn (C tối đa 4 phối trí)

C–C C=C C≡C Si–Si Ge–Ge Năng lượng liên kết

(kJ/mol) 346 602 835 222 188

Độ dài liên kết

(pm) 154 134 120 233 241

1 Nhận xét chung về cấu tạo nguyên tử

Sự chênh lệch năng lượng giữa AO 2s và AO 2p của nguyên tử C thấp nên 1e của AO 2s sẽ dễ dàng bị

kích thích lên AO 2p

VII.2 CACBON

2.1 Đơn chất

• Cacbon có liên kết cộng hóa trị

– Số phối trí là 3 (lai hóa sp2, điển hình là ) CO32

– Số phối trí là 2 (lai hóa sp, điển hình là CO2 hoặc HCN)

• Cacbon khác với các nguyên tố còn lại trong nhóm

Vì thuộc chu kỳ 2 nên không có AO d

 Không có khả năng tạo liên kết phụ (dπ-pπ và dπ-dπ)

• N(CH3)3 sẽ có cấu tạo tứ diện, và có tính bazơ

Còn một đôi e chưa liên kết

• N(SiH3)3 có cấu tạo phẳng và không có tính bazơ

Giữa N và 3 Si có 3

liên kết σ và 1 liên kết

không định xứ dπ-pπ

Tại sao ứng với mỗi dạng tồn tại thì Cacbon lại

ở dạng lai hóa khác nhau ?

a Kim cương

• Tinh thể thuộc hệ lập phương

• Cacbon lai hóa sp3

• Độ bền cao, sức chịu nén lớn,cách điện, không tương tác hóa học ở điều kiện thường

b Than chì

• Cấu trúc lớp lục giác

• Cacbon lai hóa sp2

• Than chì tương đối mềm, dễ tách thành lớp, hoạt động hóa học hơn kim cương

• Cacbon vô định hình: than gỗ, than muội, than

cốc….thực chất là những dạng vi tinh thể của than chì

• Điều chế: đốt nóng hidrocacbua khí ở 10000C trong điều kiện không có không khí

• Than hoạt tính: than vừa mới điều chế chưa hấp phụ các chất

• Vậy làm sao để chuyển than chì (graphit) thành kim

cương?

Nung nóng than chì ở nhiệt độ khoảng 1800 0 -3800 0 C và dưới áp suất 60,000 – 120,000 atm khi có các kim loại chuyển tiếp như sắt, niken, crom, Làm chất xúc tác.

c Cacbin

• Là chất bột màu đen(99%cacbon)

• Có cấu trúc tinh thể từ các mạch C thẳng.

• Cacbon là chất khử mạnh đối với nhiều hợp chất như nước, clorat, nitrat, axit nitric,axit sunfuric

• Cacbon tác dụng với hơi lưu huỳnh

b.Tính oxy hóa yếu

• Ở nhiệt độ rất cao, C oxy hóa được lưu huỳnh, hydro

và nhiều kim loại để tạo cacbua

C + 2H2 CH4 ∆H o = -315.2 kJ

4.Ứng dụng

• Kim cương dùng làm đồ trang sức, chế tạo mũi

khoan, dao cắt kim loại

• Than chì dùng làm bút chì, điện cực,nồi nung, dầu bôi trơn máy

• Than cốc dùng làm chất khử trong luyện kim

Giải thích cấu trúc phân tử CO 2 theo VB

•C (Z=6) 1s 2 2s 2 2p 2

Lai hoá

O( thứ 2) 1s 2 2s 2 2p 4 O( thứ 1) 1s 2 2s 2 2p 4

2p 2p

sp

sp

1.2 Lý tính

•CO2 là chất khí (khí cacbonic) không màu, không mùi,không độc,

vị hơi chua nặng hơn không khí

•Không duy trì sự cháy và sự sống CO2 kích thích hô hấp nhưng sẽ gây ngạt nếu nồng độ CO2 khá lớn.

•Dễ tan trong nước :một phần lớn nằm dưới dạng CO2.nH2O một phần tương tác với nước tạo thành H2CO3

•Ở nhiệt độ thường, áp suất 60atm khí CO2 sẽ hoá thành chất lỏng không màu , linh động

•Khi được làm lạnh đột ngột, CO2 lỏng sẽ hoá rắn màu trắng, gọi là tuyết cacbonic (“ nước đá khô “)

Ở áp suất 1atm tuyết cacbonic không nóng chảy

mà thăng hoa ( t= -78 o C)

• Tính oxi hoá yếu

CO2 rất bền (ở 1200 o C mới bị phân huỷ thành CO và O2 với tỉ lệ 1,5%

và ở 2000 o C với tỉ lệ là 75%)

Ở nhiệt độ cao , những chất khử mạnh có ái lực với oxi mạnh

mới khử được CO2

•Khi tan trong nước, phần lớn CO2 ở dưới dạng hidrat hóa

và một phần nhỏ tương tác với tạo thành axit cacbonic.

Ở điều kiện thường, khí CO2 khô kết hợp được với NH3 tạo thành amoni cacbamat

Muối này kém bền, khi đun nóng nóng 1800 o C dưới áp suất 200 atm

sẽ mất nước biến thành urê

1.3 Điều chế

•Trong công nghiệp

Khí CO2 được sản xuất bằng cách đốt cháy hoàn toàn than cốc trong oxi hay trong không khí

Khí CO2 cũng là sản phẩm phụ của quá trình nung vôi và quá trình lên men rượu của đường glucozo

lên men rựơu

C6 H12 O6 2 C2H 5OH + 2CO 2

1000 o C

1.4 Ứng dụng

Trong công nghiệp một lượng lớn CO2 được dùng để sản xuất sođa, urê, axit salixilic,được dùng để chữa cháy , tạo gas trong nước giải khát

Nước đá khô được dùng để duy trì nhiệt độ thấp trong các

xe lạnh chuyên nhở thực phẩm vì ưu điểm là sạch sẽ, khi bay hơi không để nước lại làm ướt thực phẩm

Người ta đã thí

nghiệm dùng tuyết cacbonic để gây mưa nhân tạo Khí

CO2 có nhiệt dung lớn và ít hấp thụ nơtron nên được

dùng làm nguội các lò phản ứng hạt nhân

2 AXIT CACBONIC – Muối Cacbonat

Dung dịch axit cacbonic ở điều kiện thường có pH = 4

a AXIT CACBONIC

Sản phẩm phản ứng của nước với một lượng khí Cacbon dioxit Khi hòa tan CO2 vào nước, chỉ 1% CO2 chuyển hóa thành H2CO3Khi đó có những cân bằng động được thiết lập

Giải thích cơ chế gắn H 2 O vào phân tử CO 2 để tạo thành H 2 CO 3

Trong phân tử CO2, do ảnh hướng của liên kết π trong C = O

Mặt khác độ âm điện của oxi lớn hơn nhiều so với C nên cặp

electron chung có xu hướng lệch hẳn về phía oxi thứ hai nên

khiến cho C tích điện dương, oxi tích điện âm vì thế nó kéo hẳn

1H trong H2O về phía mình => hình thành nên 2 nhóm OH - =>

tạo nên phân tử H2CO3

TÍNH CHẤT HÓA HỌC

a Axit kém bền

Không thể tách được ở nhiệt độ thường, chỉ tồn tại trong dd nước

b.Axit yếu

Giải thích tính axit yếu của H2CO3:

Dựa trên hằng số axit :

ta xác định hằng số axit cho từng nấc ở 25°C

Nấc 1

Nấc 2

Dựa vào công thức cấu tạo của H 2 CO 3 :

Nhóm -CO- rút electron, nguyên tử Oxi cũng có độ âm điện lớn

 độ dài liên kết giữa O – H nhỏ hơn, hai nguyên tử H bị kéo hẳn vào phía

hai nguyên tử O  độ linh động giảm và khó tách ra để thực hiện phản ứng

 axit H2CO3 yếu!

b MUỐI CỦA AXIT CACBONIC

Muối axit ( chứa ion HCO3 – )

Muối trung hoà ( chứa ion CO32−) Cấu hình tam giác đều

Lai hoá sp2

Có chứa liên kết π không định chỗ

Ion HCO3– và ion CO32– đều không màu

Các muối hidrocacbonat và cacbonat của cation không màu

đều không màu

SrCO3 CaCO

3

2AlCl3 + 3Na2CO3  Al2(CO3)3 + 6NaCl

Sau đó: Al2(CO3)3 + 3H2O  2Al(OH)3+ 3CO2

Một số phản ứng khác:

2FeCl3 + Na2CO3 + 3H2O  6NaCl + 2Fe(OH)3 + 3CO2

TiCl4 + 2Na2CO3 + 2H2O 4KCl + Ti(OH)4  + 2CO2

2CuCl2 + 4Na2CO3 + H2O  4NaCl + (CuOH)2CO3 + CO2

Khi cho muối cacbonat vào dung dịch chứa các ion như Be 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , Cd 2+

Mg 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Ni 2+ thì muối cacbonat bazơ sẽ kết tủa.

b.Tác dụng với axit

M2CO3 tác dụng với dung dịch H2O2 đặc tạo muối peoxicacbonat ( muối của axit

H2CO4 không bền) và hidrocacbonat của kim loại tương ứng.

M2CO3 + 2H2O2  MHCO4 + MO2H + H2O

Ví dụ:

K2CO3 + 2H2O2  KHCO4 + KO2H + H2O

Na2CO3 + 2H2O  NaHCO4 + NaO2H + H2O

Dung dịch đậm đặc của muối cacbonat kim loại kiềm M2CO3 khi đựơc

oxi hoá ở cực dương tạo nên muối M2C2O6 là muối của axit peoxidicacbonat

không bền H2C2O6

c Sự nhiệt phân

Muối cacbonat của kim loại kiềm bền với nhiệt, khi đun chúng nóng chảy

mà không phân huỷ: Na2CO3 nóng chảy ở 853° và K2CO3 ở 894°

Những muối cacbonat khác giải phóng khí CO2 khi đun nóng

CaCO3  CaO + CO2

MgCO3  MgO + CO2

Muối hidrocacbonat khi đun nóng dễ chuyển thành cacbonat

NaHCO3  Na2CO3 + CO2 + H2O

ỨNG DỤNG

Canxi cacbonat (CaCO3) làm chất độn cao su và môt số ngành công nghiệp

Natri cacbonat (Na2CO3) khan, còn gọi là sođa khan, là chất bột màu

trắng, tan nhiều trong nước,được dùng trong công nghiệp thuỷ

tinh, đồ gốm và bột giặt.

Natri hidrocacbonat ( NaHCO3) là chất tinh thể màu trằng,

hơi ít tan trong nước, được dùng trong công nghiệp thực phẩm

Trong y học, natri hidrocacbonat đựơc dùng làm thuốc giảm đau

dạ dày do thừa axit:

NaHCO3 + HCl  NaCl + CO2 + H2O

Magiê cacbonat (MgCO3), có tính hút ẩm được dùng làm chất bột bôi tay của các vận động viên thể dục dụng cụ.

Muối cacbonat và hidrocacbon của một kim loại có thể

chuyển hoá lẫn nhau

CaCO 3 + CO 2 + H 2 O Ca(HCO 3 ) 2

(sự xâm thực đá vôi của nước mưa)

Ca(HCO 3 ) 2  CaCO 3 + CO 2

( sự tạo thành thạch nhũ trong hang động)

Hay: Ca(HCO 3 ) + Ca(OH) 2  CaCO 3 + H 2 O

Điều chế sođa (Na 2 CO 3 ) bằng phương pháp solvay (phương pháp amoniac)

NaCl + NH 3 + CO 2 + H 2 O  NaHCO 3 + NH 4 Cl

NaHCO 3  Na 2 CO 3 + 2CO 2 + H 2 O

3 Cacbon oxyt: CO

Cấu tạo phân tử

Phân tử CO có liên kết ba

Cấu hình e của CO theo phương pháp MO:

2 2

2 2

* 2

2 2

2

* 1

2

1s s  s s z  x y



Lý tính

Monoxit Cacbon là khí không màu, không mùi, dễ cháy,

ít tan trong nước, khó hóa lỏng vì nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của CO rất thấp (t 0 nc = -201,5 0 C,

t 0 s = -191,5 0 C) ,…

Cacbon oxit rất độc và nguy hiểm CO tạo phức với hemoglobin của máu bền gấp 300 lần so với sự tạo phức của O 2 , do đó ngăn chặn khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu Khi bị ngộ độc CO, phải cho ngửi oxy để làm chuyển dịch cân bằng về phía giải phóng CO tại phổi :

Hb.O 2 + CO Hb.CO + O 2

Khi chiếu sáng hay có xúc tác (muội Pt, than hoạt tính) cacbon oxyt tác dụng với clo tạo ra photgen COCl 2 (là chất khí không màu, rất độc, nặng hơn không khí nên dễ

là là sát mặt đất dùng làm chất độc trong chiến tranh)

CO + Cl 2  COClhv,xt 2 + 26,2 Kcal

21

Tính khử mạnh

Ở điều kiện thường CO rất trơ hóa học vì phân tử bền

Ở 700 0 C nó cháy cho ngọn lửa xanh phát nhiệt mạnh.

Ở nhiệt độ cao CO khử các oxyt kim loại:

4CO + Fe 3 O 4  4CO 2 + 3Fe 3CO + Fe 2 O 3  3CO 2 + 2Fe

t o

t o

Khi tác dụng với hợp chất của các nguyên tố d kém hoạt động như Paladi clorua PaCl 2 , CO khử Pd 2+ ngay trong dung dịch nước đến Paladi kim loại màu đen.

CO + PdCl 2 + H 2 O  Pd↓+ 2HCl + CO 2

Tính oxy hóa yếu

Ở 300 0 C và có Ni xúc tác, CO tương tác với H 2 tạo nên mêtan:

nCO + (2n+1)H 2  C n H 2n+2 + nH 2 O 2nCO + (n+1)H 2  C n H 2n+2 + nCO 2

Cacbon oxyt được coi là anhydrit của axit formic.

Dưới áp suất cao, nhiệt độ cao, CO tác dụng với nước tạo ra axit formic, tác dụng với kiềm tạo ra formiat:

CO + H 2 O  HCOOH

CO + NaOH dd  HCOONa

Cacbon monoxit là một bazơ Lewis nên cặp electron tự do của nguyên tử cacbon tạo nên những liên kết cộng hóa trị với những nguyên tử và những ion của khối d ở nhiệt độ cao và áp suất cao như Fe, Co, Ni,

Cr, Ti,… tạo ra phức cacbonyl Fe(CO) 5 , Ni(CO) 4 , Cr(CO) 6 , Ti(CO) 7 ,… trong đó CO đóng vai trò phối tử.

Ví dụ:

Ni + 4CO Ni(CO)60 0 C 4 (Nikel cacbonyl)

200 0 C

Khi tạo thành phức cacbonyl thì Ni có trạng thái lai hóa

sp 3 ứng với 4 ocbital liên kết của Ni trống:

4 Cacbon disunfua

Cacbon cũng tạo với Lưu huỳnh một số hợp chất

tương tự như những hợp chất của Cacbon tạo với Oxi.VD: CS, CS2, C3S2 (giống như CO, CO2, C2O3)

Một số hình ảnh của Cacbon disunfua trong mặt phẳng và trong không gian

- Trong khối liên kết:

a Lý tính

đơn CS2, có cấu tạo đường thẳng như CO2: S=C=S (độ

dài liên kết C-S: 1,56 , năng lượng trung bình của liên

kết: 535 kJ/mol.)

-Ở điều kiện thường : cacbonđisunfua tinh khiết là chất lỏng không màu, nặng hơn nước, không tan trong, dễ bay hơi, có mùi thơm dễ chịu; trong tự nhiên cacbonđsunfua lẫn tạp chất, có màu vàng, mùi khó chịu.

-Rất độc

-Là dung môi hữu cơ tốt (cho brom, iot, lưu huỳnh,

photpho, chất béo, sáp, cao su, nhựa,v.v…)

b Hóa tính

- Đun nóng mạnh trong điều kiện không có không khí: tạo sản phẩm chứa ít lưu huỳnh hơn (C3S2)

- phản ứng nhận biết: trong không khí, hơi

cacbonđisunfua dễ cháy, ngọn lửa có màu lam sáng.

- Ở nhiệt độ thường không phản ứng với nước, ở 1500C,

bị thuỷ phân tạo CO2 và H2S

-Giống CO2 dễ chuyển thành CO32-, CS2 cũng dễ kết hợp với ion S2- tạo CS32- (ion tiocacbonat), có cấu tạo tương tự

CO32-(muối của tiocacbonat đều tạo kết tủa, trừ muối của kim loại kiềm và amoni)

c Ứng dụng

-Rất độc → dùng làm thuốc trừ sâu, diệt nấm trong nông nghiệp.

-Dùng làm dung môi và chất chiết (hoà tan tốt nhiều dung môi hữu cơ)

-Dùng vào công nghiệp sợi nhân tạo (sản xuất sợi visco)-Lưu hoá cao su

d Điều chế

-Trong công nghiệp: CS2 được điều chế bằng cách cho

hơi lưu huỳnh đi qua than cốc được đốt nóng đến nhiệt độ 900-10000C trong lò điện:

- Thường không được điều chế trong phòng thí nghiệm trung học

- Ở trạng thái khí, xian hay xianogen gồm những phân tử kép (CN)2 (thường dược gọi đixian) Phân tử xian có cấu tạo đường thẳng.

5 Xian

Một số hình ảnh của xianogen trong mặt phẳng và trong không gian

- Trong khối liên kết:

N C

C N

N C

C N

N N

Xian rất hoạt động Nhiều phản ứng của xian tương tự phản ứng của halogen  xian còn được gọi là halogen giả,

về tính chất, xian nằm giữa brom và iot

- Để lâu trong nước, xian bị thuỷ phân dần theo 2 hướng:

(axit xianhidric) (axit xianic)

(axit này tiếp tục thuỷ phân tạo fomiat amoni và ure)

(oxamiđua tiếp tục thuỷ phân tạo amoni oxalat)



-Trong môi trường kiềm:

c Ứng dụng

- Điều chế gốc [CN], từ đó điều chế ra nhiều hợp chất như: Hidroxianua, Xianua, Xianogen iot, Xianogen brom,

Xianogen clo, v.v.v…

-Trộn dung dịch CuSO4 với dung dịch NaCN:

2CuSO4 + 4NaCN → 2Na2SO4 + 2CuCN + (CN)2

6 Hidroxianua và xianua

 Cấu tạo và đồng phân

Hidroxianua (HCN) là hợp chất cộng hóa trị như HCl Phân tử có cấu tạo đường thẳng:

H − C ≡ N:

Một dạng phân tử khác đồng phân với nó là hidro

izoxianua HNC có cấu tạo:

H − N ≡ C:

• Trong hidroxianua bình thường có cả hai dạng đồng phân này ở trạng thái cân bằng với nhau:

• H − C ≡ N: ↔ H − N ≡ C:

• Ở điều kiện thường, HCN chiếm đến 99,5%, khi đun

nóng tỉ lệ HNC tăng lên Hiện nay vẫn chưa tách được

HCN tinh khiết

 Lí tính

• Hidroxianua là chất rắn không màu, có mùi khó chịu dễ

hóa rắn và rất dễ bay hơi Ở trạng thái lỏng và trạng thái

rắn có hiện tượng trùng hợp của các phân tử HCN nhờ

liên kết hidro:

…H − C ≡ N: …H − C ≡ N: …H − C ≡ N: …

Vì vậy HCN có hằng số điên môi lớn, nên là dung môi ion

hóa tốt với nhiều chất, HCN tan trong nước, rượu, ete theo

bất cứ tỉ lệ nào

Ở trạng thái khan và trạng thái dung dịch, hidroxianua chỉ

bền khi có mặt một lượng nhỏ axit vô cơ làm chất ổn định Nếu không có nó sẽ trùng hợp lại thành sản phẩm rắn,

màu đen và đôi khi có thể gây nổ.

Có thể phát hiện ra khí HCN trong khí quyển nhờ khói

thuốc lá, khi có mặt HCN khói thuốc lá sẽ trở nên cay

• Hóa tính

Trong dd nước HCN là một axit yếu, yếu hơn axit

cacbonic.Trong dung dịch, có phản ứng thủy phân axit tạo thành fomiat amoni

• Điều chế

Hidroxianua được điều chế bằng cách đun nóng ở 500oC

và dưới áp suất một hỗn hợp gồm CO và NH3 với chất xúc tác là Thori dioxit (ThO2)

CO + NH 3 → HCN + H 2 O

Trong phòng thí nghiệm, HCN có thể điều chế bằng cách nhỏ từng giọt dung dịch NaCN xuống dung dịch H2SO4nóng và có nồng độ vừa phải:

NaCN + H 2 SO 4 → NaHSO 4 + HCN

• Độc tính

Hidro xianua là chất hết sức độc, hàm lượng được phép trong không khí là 0,0003 mg/l Ngoài các đường hô hấp và tiêu hóa, HCN có thể đi vào cơ thể con người bằng cách thấm qua da

Khi bị nhiễm độc nhẹ, người cảm thấy nhức đầu, nôn mửa, tim đập mạnh Khi bị nhiễm độc nặng, người mất cảm giác, bị nghẹt thở, có thể đi đến ngừng hô hấp và chết vì tim ngừng đập

Những trường hợp say hay chết vì ăn sắn (khoai mì) là

do trong sắn có một lượng rất nhỏ HCN