bài tiểu luận về nguyên tố Ni

Khác với hầu hết kim loại, Niken có tính sắt-từ: bị nam châm hút và dưới tác dụng của dòng điện nó trở thành nam châm.Nguyên nhân của tính sắt từ không phải chỉ là ở nguyên tử hay ion mà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA: HÓA HỌC

- -(Bài tiểu luận )

Họ Và Tên: Nguyễn Thị Kiều Oanh Nguyễn Hồng Phong LỚP : Tổng Hợp Hóa K38

QUY NHƠN, NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA: HÓA HỌC

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUYÊN TỐ NIKEN(Ni)

(Bài tiểu luận )

QUY NHƠN, NĂM 2017

I/ GIỚI THIỆU CHUNG

1 Sơ lược về nguyên tố Niken :

Niken ( còn gọi là kền ) đã được sử dụng rất lâu , có thể từ năm

3500 trước Công nguyên Đồng từ Syria có chứa niken đến 2% Hơn nữa ,có nhiều bản thảo của Trung Quốc nói rằng " đồng trắng " đã được dùng ở phương Đông từ năm 1700 đến 1400 trước Công nguyên Tuy nhiên , bởi vì quặng niken dễ bị nhầm

lẫn với quặng bạc nên bất kỳ sự hiểu biết về kim loại này và thời gian sử dụng cũng có thể chưa chính xác

Khoáng chất có chứa niken ( như kupfernickel, hay đồng giả ) Năm1751, Baron Axel

Frederik Cronstedt cố gắng tách đồng từ kupfernickel (hiện nay gọi là niccolit), nhưng

thu được một kim loại trắng mà ông gọi là niken

Nguyên tố Niken thuộc nhóm VIIIB , họ sắt (Fe, Co, Ni)

Đặc điểm của niken

Số thứ tự 28 Bán kính nguyên tử (

Å)

1.24

Cấu hình e

[Ar] 4s2 3d8

Năng lượng ion hóa

(eV)

I3 35.16

Số oxi hóa

đặc trưng

+2, (+3) Thế điện cực chuẩn

(V)

M+2/M -0.23

M3+/M2+ +2.1

2 Trạng thái tự nhiên :

Niken là nguyên tố ít phổ biến hơn so với sắt và coban, trữ lượng của Niken trong vỏ Trái đất là 0,03% tổng số nguyên tử

Khoáng vật của Niken thường lẫn với các khoáng vật của đồng, sắt và kẽm Tên gọi Niken được lấy từ tên của khoáng vật Kupfernickel, kupfer có nghĩa là đồng và nickel

là tên của con quỷ lùn Nick ở trong truyền thuyết của những người thợ mỏ Khoáng vật

đó đã được biết từ thế kỷ XVII và được gọi như vậy là vì những người thợ mỏ tưởng nhầm nó là quặng đồng và đã tốn nhiều công sức để luyện đồng từ quặng đó và tất nhiên không thành công

Ngày nay khoáng vật đó được gọi là Niken, ngoài ra Ni còn có trong các quặng

limonite, garneirite

Garneirite (NiSiO 3 MgSiO 3 ) Limonite

II / TÍNH CHẤT VẬT LÝ

Kim loại Niken có màu trắng bạc và có ánh kim, dễ rèn và dễ dát mỏng Niken có cấu trúc mạng lập phương tâm diện (a=3.5238 Å)

Niken có 11 đồng vị từ 56Ni đến 66Ni , trong đó có năm đồng vị thiên nhiên là 58Ni (67,7%), 60Ni(26.16%), 61Ni(1.25%), 62Ni(3.66%) và 64Ni(1.16%).Trong các đồng vị phóng xạ thì đồng vị 59 Ni có chu kỳ bán hủy là 7,5.104 năm bền nhất , và đồng vị 65 Ni kém bền nhất có chu kỳ bán hủy là 0,108 ngày đêm

Hằng số vật lý quan trọng của Niken :

Nhiệt độ

nóng chảy

oC

Nhiệt độ sôi

oC

Nhiệt thăng hoa , kJ/ mol

Tỉ khối Độ cứng (thang

Moxơ)

Độ dẫn điện (Hg= 1)

Niken có 2 dạng thù hình: Ni α lục phương (a=2.65Å) bền ở <250oC và Ni β lập phương tâm diện(a=3.5238Å) bền ở >250oC

Khác với hầu hết kim loại, Niken có tính sắt-từ: bị nam châm hút và dưới tác dụng của dòng điện nó trở thành nam châm.Nguyên nhân của tính sắt từ không phải chỉ là ở nguyên tử hay ion mà chủ yếu ở mạng lưới tinh thể của chất Niken là 1 trong 5 nguyên tố sắt – từ

III/ TÍNH CHẤT HÓA HỌC

Niken có hoạt tính hóa học trung bình

Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, nó không tác dụng rõ rệt ngay với những nguyên tố không-kim loại điển hình như O2, S, Cl2, Br2 vì có màng oxit bảo vệ Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt, nhất là khi Niken ở trạng thái chia nhỏ Ở trạng thái này, nó là chất tự cháy (cháy trong không khí ngay ở nhiệt độ thường) Nguyên nhân là do tổng bề mặt tiếp xúc rất lớn giữa các hạt kim loại Ni với không khí

và sự sai lệch mạng lưới tinh thể của hạt so với kiến trúc bền của Ni

Ở trên 500oC, Ni bắt đầu tác dụng với O2 tạo nên NiO:

Ni + ½ O2 = NiO

Ni bền với khí F2 ở nhiệt độ cao Ở nhiệt độ nóng đỏ, Ni không bị khí F2 phá hủy, vì thế mà những thiết bị làm việc trong khí quyển F2 được làm bằng Ni

Ở nhiệt độ không cao lắm, Ni tác dụng với N2 tạo nitrua kim loại:

Ni + N2 = NiN2

Nhưng ở nhiệt độ cao hơn, nitrua này phân hủy trong khi kim loại vẫn còn lại một lượng nitơ đáng kể ở dạng dung dịch rắn

Ni tác dụng với S khi đun nóng nhẹ tạo thành những hợp chất không hợp thức có thành phần gần với MS (M = Fe, Co, Ni)

Ni + S = NiS

Ni cũng phản ứng trực tiếp với silic tạo ra các silixua Ni3Si , Ni2Si, NiSi ,NiSi2 ; chẳng hạn :

2 Ni + Si = Ni2Si ( nhiệt độ trong khoảng từ 1000 - 1200oC )

Ni tác dụng trực tiếp với khí CO tạo thành cacbonyl kim loại:

Ni + 4CO = Ni(CO)4

Ni không bị H2O ăn mòn ở nhiệt độ thường nhưng khi cho H2O qua niken nung đỏ tạo

ra NiO:

Ni + H2O = NiO + H2

Trong môi trường axit :

NiO42- >+1.8 NiO2 +1.56 Ni2+ -0.257 Ni

>+1.6

Trong môi trường bazơ:

NiO22- >+0.40 NiO2 +0.49 Ni2+ -0.72 Ni

Ni bền với kiềm ở các trạng thái dung dịch và nóng chảy vì oxit của Ni hầu như không thể hiện tính lưỡng tính Vì vậy, trong phòng thí nghiệm người ta dùng chén nung bằng

Ni để nấu chảy kiềm

Ni tan trong dung dịch axit giải phóng khí H2 và tạo nên muối Ni2+ Phản ứng không sinh ra muối Ni3+ vì Ni và hidro mới sinh đều khử được chúng về Ni2+:

Ni + 2H+ = Ni2+ + H2

Ni tinh khiết rất bền với không khí và nước

[Ni(OH2)6]2+

IV/HỢP CHẤT CỦA NIKEN

1 Hợp chất của Ni(0): Niken tetracacbonyl

Ni(CO)4 là chất lỏng không màu ( Tnc = 19.3oC; Ts= 43oC), rất dễ bay hơi và hết sức độc Đây là hợp chất cacbonyl kim loại đơn giản nhất Phân tử có cấu hình tứ diện đều với nguyên tử Ni ở trung tâm và 4 phân tử CO ở 4 đỉnh Dưới đây là CTCT của Niken tetracacbonyl:

Phân tử có tính nghịch từ, nguyên tử Ni ở trong phân tử có cấu hình 3d10 và ở trạng thái lai hóa sp3 Những obitan lai hóa trống nhận những cặp e từ MO liên kết của CO tạo thành liên kết cho nhận

Ni(CO)4 hóa rắn ở -23oC và sôi ở 43oC Dưới tác dụng của tia tử ngoại hoặc khi đun nóng ở 180 - 200oC, nó phân hủy hoàn toàn thành kim loại và cacbon monooxit (có thể gây nổ) Nó không tan trong nước nhưng tan trong ete, clorofom, benzen

Trong không khí, nó bị oxi hóa dần thành NiO và O2 Hỗn hợp của không khí và hơi của nó có thể gây nổ Nó dễ tác dụng với halogen tạo thành Niken dihalogenua:

Ni + Cl2 = NiCl2

Ni(CO)4 không tác dụng với axit loãng và kiềm nhưng tác dụng mạnh với axit sunfuric đặc (có thể gây nổ) và với axit nitric tạo thành muối Ni(II):

Ni(CO)4 + H2SO4 = NiSO4 + 4CO + H2

Khi đun nóng với NO tạo nên Ni(NO)2 là chất bột màu xanh không tan trong nước nhưng tan trong clorofom, ở 90oC phân hủy và phát sáng mạnh

[Ni(OH2)4phen]2+

Niken tetracacbonyl dùng để điều chế niken tinh khiết , mạ niken lên kim loại và thủy tinh , tách niken ra khỏi coban và làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ

Nó được điều chế bằng tác dụng của niken với khí CO ở 60- 80 oC và áp suất thường Đây là cacbonyl kim loại đầu tiên đã được điều chế vào năm 1890

Trong phòng thí nghiệm, người ta có thể điều chế bằng cách dùng khí H2 khô khử NiC2O4 ở 400oC, làm nguội sản phẩm phản ứng trong khí quyển H2 , rồi cho tác dụng với khí CO ở nhiệt độ thường Hơi Ni(CO)4 được ngưng tụ trong bình làm lạnh bằng nitơ lỏng

2 Hợp chất niken (I):

Hợp chất Ni (I) rất phức tạp và hiếm Một số ví dụ về hợp chất của Ni(I) là

K4[Ni2(CN)6] màu đỏ thẫm nghịch từ Để điều chế K4[Ni2(CN)6] người ta dùng hỗn hợp sodium amalgam Hợp chất này không ổn định và có thể lấy H2 từ nước

3.Niken (II) oxit :

Là chất rắn dạng tinh thể lập phương kiểu NaCl và có thành phần không hợp thức, có màu , nóng chảy ở 1990oC

Khi đun nóng, NiO dễ bị khử thành kim loại bởi H2, CO, C, Al…

NiO + CO = Ni + CO2

NiO không tan trong nước, tan dễ dàng trong dung dịch axit NiO có thể nấu chảy với nhiều oxit của kim loại và không kim loại tạo nên những hợp chất có màu

NiO thường được dùng làm chất xúc tác, bột màu trong sản xuất thủy tinh và gốm NiO được điều chế trực tiếp từ các đơn chất hoặc bằng nhiệt phân các muối cacbonat, nitrat, oxalat hay nhiệt phân hidroxit:

Ni(OH)2 = NiO + H2O

4 Niken(II) hidroxit :

Ni(OH)2 là kết tủa không nhầy, không tan trong nước, có kiến trúc lớp, có màu lục, bền với không khí và chỉ biến đổi khi tác dụng với những chất oxi hóa mạnh:

2Ni(OH)2 + Br2 + 2KOH = 2Ni(OH)3 + 2KBr

Ni(OH)2 tan dễ dàng trong dung dịch axit nhưng không tan trong dung dịch kiềm ( vì tích số tan bé (~ 10-18 ) chứ không phải vì khả năng tạo phức kém của Ni2+ với ion OH

-)

Ni(OH)2 tan trong dung dịch đặc của muối amoni: tan được trong dung dịch NH3 tạo thành phức chất:

Ni(OH)2 + 6NH3 = [Ni(NH3)6](OH)2

Bởi vậy các muối của Ni2+ dễ tác dụng với dung dịch NH3 tạo nên những phức chất amoniacat

Ni(OH)2 được điều chế bằng tác dụng của dung dịch kiềm mạnh với muối kim loại (II):

Ni2+ + 2 OH- = Ni(OH)2

Khi tác dụng với dung dịch kiềm ,muối Ni2+ mới đầu thường tạo nên kết tủa của muối bazơ rồi sau đó tạo nên kết tủa của hidroxit

NiCl2 (dd) + OH - Ni(OH)Cl (r) Ni(OH)2(r)

(xanh lá ) (xanh lá )

5 Muối Ni(II)

Muối Ni(II) có với hầu hết những anion bền, muối khan có màu khác với muối ở dạng tinh thể hidrat (NiSO4 màu vàng nhưng NiSO4.7H2O màu lục)

Khi tan trong nước, muối Ni(II) cho ion bát diện [Ni(H2O)6]2+ có màu lục Trong nước, ion này bị thủy phân một phần làm cho dung dịch có phản ứng axit yếu

- Niken dihalogenua NiX2: khi kết tinh từ dung dịch nước, muối này thường ở dạng tinh thể hidrat NiX2.6H2O (trừ florua) Ở dạng khan, màu của muối phụ thuộc vào bản chất của anion

VD: NiF2 màu lục; NiCl2 màu vàng; NiBr2 nâu sẫm; NiI2 đen

Các NiX2 có to nóng chảy và to sôi khá cao (NiF2 nóng chảy ở 1027oC và sôi ở 1627oC) CoCl2.H2O tan trong aceton nhưng NiCl2.H2O không tan, người ta dựa vào tính chất này để phân chia Co và Ni

NiX2 có thể kết hợp với halogenua kim loại kiềm tạo nên muối kép M[EX3] hay

M2[EX4]

- NiNO3 được điều chế bằng cách hòa tan niken kim loại , NiCO3 trong HNO3:

NiCO3 + 2HNO3 = Ni(NO3)2 + CO2 +H2O

kết tinh ở dạng hexahidrat Ni(NO3)2 H2O màu lam ngọc bích , đồng hình với muối coban tương ứng Niken (II) nitrat dễ lên hoa trong không khí khô , và chảy rữa nhanh chóng trong không khí ẩm Nóng chảy trong nước kết tinh ở 57oC , tiếp tục đun nóng cao hơn 85.4oC mất dần nước kết tinh , và đến 3000oC phân hủy còn lại Ni2O3 và NiO: 2Ni(NO3)2 = Ni2O3 + 4NO2 +1/2O2

Người ta dùng Ni(NO3)2 để tạo màu xám trong công nghiệp đồ gốm

- NiSO4 là chất dạng tinh thể, có màu vàng chanh, tương đối bền với nhiệt (phân hủy ở

840oC), hút ẩm và dễ tan trong nước

Khi kết tinh từ dung dịch nước ở nhiệt độ thường thu được tinh thể hidrat hệ đơn tà NiSO4.7H2O đồng hình với MgSO4.7H2OKhi đun nóng, tinh thể hidrat NiSO4.7H2O mất dần nước và cuối cùng biến thành muối khan

(NiCl2) NiSO4.7H2O

6 Phức chất của niken (II)

Ni2+ tạo nên nhiều phức chất bát diện với số phối trí 6, Ni2+ cũng tạo nên nhiều phức chất hình vuông với phối tử trường mạnh

Muối Ni2+ khan kết hợp với khí NH3 tạo nên muối phức amoniacat chứa ion bát diện [Ni(NH3)6]2+ Amoniacat niken(II) bền (Kb là 1,02.108) được tạo nên cả trong dung dịch

Cation [Ni(NH3)6]2+ có màu tím.Sự thay thế H2O trong [Ni(H2O)6]2+ bằng NH3 đã làm màu biến đổi từ lục sang tím Hình ở dưới đây trình bày phổ hấp thụ của các ion [Ni(H2O)6]2+ và [Ni(NH3)6]2+

Qua phổ ta thấy ion bát diện [Ni(H2O)6]2+ hấp thụ vùng xanh và vùng đỏ của ánh sáng trông thấy nên ion có màu lục (λ~ 5500 Å) còn ion bát diện [Ni(NH3)6]2+ hấp thụ vùng

sang tím khi phối tử H2O được thay thế bằng phối tử NH3 là sự tăng thông số tách ∆ từ 101kJ/ mol ở [Ni(H2O)6]2+ đến 129kJ/mol ở [Ni(NH3)6]2+ dẫn đến sự chuyển dịch dải hấp thụ về phía sóng ngắn

Muối [Ni(NH3)6](ClO4)2 có độ tan rất bé nên có thể dùng để định lượng Ni

Các muối phức Ni(II) khi tác dụng với dung dịch xianua kim loại kiềm, mới đầu tạo nên kết tủa Ni(CN)2 màu lục, sau đó kết tủa tan trong xianua dư tạo nên ion phức hình vuông [Ni(CN)4]

2-7 Phức chất hình vuông của niken (II)

Đa số phức chất của Ni(II) có cấu hình bát diện, những phức chất này đều thuận từ Trong những phức chất với số phối trí 4 của Ni, số ít được tạo nên với phối tử trường yếu có cấu hình tứ diện (như [NiCl4]2-) và số nhiều hơn với phối tử trường mạnh, có cấu hình hình vuông (như [Ni(CN)4]2-.Ở đây hiệu ứng Jan - Telơ có một vai trò quan trọng : cấu hình bát diện với hai electron trên obitan phân tử phản liên kết σ*d dù ghép đôi hay độc thân , về mặt năng lượng , đều không thuận lợi bằng cấu hình hình vuông với hai electron được ghép đôi Việc hai electron đó chiếm obitan phân tử σ*x có năng lượng thấp hơn của cấu hình tứ diện làm giảm năng lượng của hệ và làm bền phức chất:

Sự ghép đôi cặp electron đó càng thuận lợi và sự dịch chuyển từ cấu tử hình bát diện sang hình vuông càng dễ dàng khi thông số tách năng lượng trong trường phối tử càng

lớn , nghĩa là xác suất tạo thành phức chất hình vuông sẽ cực đại nếu phối tử tạo phức thuộc số phối tử trường mạnh

Tất cả phức chất hình vuông của Ni(II) đều nghịch từ và có các màu đỏ, vàng hay nâu

vì có những dải hấp thụ nằm trong vùng có bước sóng 4500-6000Å , ví dụ như tinh thể

Na2[Ni(CN)4]2+ có màu vàng và tinh thể K2[Ni(CN)4] có màu da cam , niken

dimetylglioximat có màu đỏ

Ion [Ni(CN)4]2- là anion phức bền nhất của Ni(II),Kb = 1.1031 trong đó ion Ni2+ có cấu hình e 3d8

Liên kết ion Ni2+ ở trung tâm với ion CN- ở bốn đỉnh của hình vuông là các liên kết σ

cho nhận được tạo nên bởi cặp e tự do của các ion CN- với bốn obitan lai hóa dsp2

trống của Ni2+ , các cặp e d của Ni2+ tạo liên kết π cho với ion CN

-Một phức chất hình vuông rất quen thuộc của Ni(II) là niken dimetylglioximat được tạo nên giữa Ni2+ và dimetylglioxim trong dung dịch NH3 loãng Phản ứng tạo thành phức chất này được dùng để định tính và định lượng ion Ni2+ trong dung dịch Niken dimetylglioximat là một phức chất vòng càng trung hòa điện , phân tử có cấu hình hình vuông :

Nó là kết tủa màu đỏ , không tan trong nước ( tích số tan là 2,3.10-25) tan trong dung dịch axit mạnh và kiềm mạnh , nhưng không tan trong dung dịch amoniac loãng Tính

tan trong axit mạnh chứng tỏ tính axit yếu của niken dimetylglioxim là aixt hai nấc , muối trung hòa của axit đó tan nhiều hơn muối axit

8 Hợp chất của Niken (III)

- Ni2O3 là chất bột màu đen hoặc xám không tan trong nước, cũng như

Co2O3, Ni2O3 là chất oxi hóa mạnh , chẳng hạn tan trong HCl tạo ra khí

Cl2:

Ni2O3 + 6 HCl = 2 NiCl2 +Cl2 + 3H2O

Niken (III) oxit tạo ra khi nung trong không khí muối cacbonat hoặc niken (II) ở

300oC:

4NiCO3 + O2 = 2 Ni2O3 + 4CO2

Ni(NO3)2 + 6HCl = 2NiCl2 + 8NO2 + O2

tuy nhiên thành phần sản phẩm thu được từ các phản ứng đó có hàm lượng oxi thấp hơn so với công thức Ni2O3.

- Ni(OH)3 là kết tủa màu đen, bền trong không khí, không tan trong nước và trong dung dịch NH3 Khi đun nóng nhẹ, nó mất bớt nước biến thành NiOOH (hay Ni2O3.H2O), ở to cao hơn bị biến thành NiO:

4Ni(OH)3 = 4NiO + O2 + 6H2O

Là chất oxi hóa mạnh, tan trong dung dịch HCl giải phóng khí Cl2, trong axit khác giải phóng khí O2 và tạo thành muối Ni(II) tương ứng:

2Ni(OH)2 + 6HCl = 2NiCl2 + Cl2 + 6H2O

Niken (III) hidroxit được điều chế bằng tác dụng của những chất oxi hóa mạnh với niken (II) hidroxit

2 Ni(OH)2 +KBrO + H2O = 2Ni(OH)3 +KBr

Ăc quy kiềm