cac nguyen to thuoc nhom 4

Đồng vị 14C có trong khí quyển ở dạng khí CO2 với nồng độ không đổi, với chu kỳ bán hủy lớn nên 14C ở trong khí CO2của khí quyển được phát hiện trong mọi chất có chứa cacbon nằm cân bằng

Ch ương ng 8

NHÓM IV

Nhóm IVA

C – Si

Ge – Sn – Pb

Cấu tạo

đến hàng trăm nguyên tử do độ bền liên kết

C - C khá lớn (347kJ/mol)

kết của C với H, Cl, O Chính nhờ khả năng tạo những liên kết C - C và C -H và khả năng tạo liên kết  kiểu p - p với những nguyên tố

C, N, O mà C có thể tạo nên rất nhiều hợp

chất hữu cơ

Đồng vị

 Cacbon đơn chất cũng như trong hợp chất trong thiên nhiên

là hai đồng vị bền 12C (98,89%) và 13C (1,11%)

 Hàm lượng C trong vỏ của đất là 0,14% tổng nguyên tử

 Trong khí quyển còn có một lượng nhỏ đồng vị 14C được tạo nên do tia vũ trụ bắn phá N

 là đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã T = 5570 năm

Đồng vị 14C có trong khí quyển ở dạng khí CO2 với nồng độ không đổi, với chu kỳ bán hủy lớn nên 14C ở trong khí CO2của khí quyển được phát hiện trong mọi chất có chứa

cacbon nằm cân bằng với khí CO2 của khí quyển Khi sinh vật chết thì ngừng đồng hóa hợp chất 14C và lượng 14C giảm xuống do phân hủy phóng xạ Xác định hàm lượng còn lại của 14C trong xác sinh vật từ đó tính được thời gian sinh vật

đã chết Phương pháp Cacbon phóng xạ này sai số thường

là  5%

H C

Mạng tinh thể kim cương

- Nguyên tử C lai hóa sp3, mỗi C liên kết với 4C khác bằng liên kết cộng hóa trị.

Thù hình

- Than chì có tinh thể lục phương mặt thoi đều có cấu trúc lớp

- C ở trạng thái lai hoá sp2

nên mỗi C liên kết với 3C khác trong cùng lớp bằng liên kết cộng hoá trị, tạo thành lục giác đều

CCC = 1200 và dC-C = 1,415Å

- Trên mỗi C còn (AO)2px chứa 1 electron không lai hóa, tạo nên liên kết  không

bề mặt ngăn cách pha rất lớn

và tinh thể xốp, không đặc khít nên có khả năng hấp thụ mùi, màu rất lớn, gọi là than hoạt tính

- Các dạng Cacbon vô định hình ở nhiệt độ cao đều

2 liên kết  Độ dài liên kết dC-C = 1,28Å (trong mạch)

Tính chất hoá học

 Điều kiện thường, C rất trơ về mặt hóa trị nhưng ở nhiệt độ cao, nó trở nên hoạt động, đặc biệt là C vô định hình, than chì hoạt động hơn kim cương

+ Với H2: Tuỳ nhiệt độ, có hay không có xúc tác và kỹ thuật phản ứng mà cho những hợp chất hiđrocacbon khác nhau

Cgr + 2H2 CH42Cgr + H2 C2H2 + Với S: Phản ứng ở 700 - 8000C

Cgr + 2Shơi  CS2

+ Với flo: phản ứng ở 1500C

2Cgr + nF2  2CFn (n  1, 12) + Với kim loại nóng đỏ, C phản ứng tạo ra cacbua: CaC2,

Tính chất hoá học

+ Với hợp chất ở nhiệt độ cao C khử được nước,

KClO3, NaNO3, HNO3, H2SO4 tạo khí CO2 Đặc biệt, C khử được nhiều oxit kim loại giải phóng kim loại tự do.

Tính chất hoá học

+ Với O2: đồng thời cho nhiều sản phẩm

Trong hệ O2 + Cgr ở nhiệt độ cao có 3 phản ứng xảy

ra đồng thời.

Cgr + O2 2CO2 H = - 94,1 kcal/mol

2Cgr + O2 2CO H = - 26,4 kcal/mol

2CO + O2 2CO2 H = -135,4 kcal/mol 

 Khả năng tạo cacbua xâm nhập :

CACBON

HỢP CHẤT CỦA CACBON

Cacbua

 Cacbua hiđrô: (hiđrô cacbon) là hợp chất cộng hoá

trị.

- Cacbua hyđrô đơn giản nhất là metan (CH4) có dạng

tứ diện đều, dC-H = 1,093Å,  = 0 Nhờ phân tử đã bão hoà phối trí và hoá trị nên metan rất trơ về hoá học.

- Các loại cacbua hyđrô như: ankan CnH2n+2 (n  1); anken CnH2n (n  2) ; ankyn CnH2n-2 (n  1) tuỳ

thuộc vào dạng lai hoá của nguyên tử C.

 Cacbua kim loại: là hợp chất của cacbon với kim

loại được tạo thành ở nhiệt độ trên 20000C giữa Cgr với oxit kim loại hay kim loại tác dụng với hyđro

cacbua Tuỳ thuộc vào cấu trúc tinh thể mà chia

cacbua thành cacbua ion và cacbua xâm nhập.

trưng của cacbua là thuỷ phân bằng nước và axit loãng

- Nhóm cacbua metanit, khi thuỷ phân tạo ra metan: gồm C 4- Khi tương tác với nước, C 4- bị thuỷ phân mạnh.

C 4- + 4H2O = 4OH - + CH4

- Nhóm cacbua axetilenit : khi thuỷ phân tạo ra axetylen

Gồm những cacbua: M2C2 (M: kim loại kiềm, Cu, Ag và Au); MC2 (M: kim loại kiềm thổ, Zn và Cd); M2(C2)3 (M : Al và Fe).

Trong tinh thể cacbua nhóm này có ion C22- với dC-C = 1,19 

1,24Å khi tương tác với nước, ion C22- bị thuỷ phân giải phóng axetylen :

C

HỢP CHẤT CỦA CACBON

Cacbua

Cacbua xâm nhập:

 Được tạo nên khi một số kim loại chuyển tiếp tương tác với

Cgr ở nhiệt độ trên 20000C Khi đó những nguyên tử Cgr xâm nhập vào khoảng trống bát diện của mạng lưới tinh thể kim loại mà không làm thay đổi kiến trúc e- và những tính chất khác của kim loại, ngoài ra còn có tác dụng làm bền thêm

mạng lưới kim loại

- Những cacbua xâm nhập điển hình: MC (M = Ti , Zr, Hf, V, Nb

và Ta); M2C (M = Mo, W)

- Bản chất liên kết: liên kết kim loại nên cacbua xâm nhập có ánh kim, có độ dẫn điện cao, độ cứng cao (khoảng 9 - 10), nhiệt độ nóng chảy cao (3000 - 40000C), rất bền hoá học, chỉ

bị hỗn hợp HF + HNO3 phân huỷ

3VC + 9HNO + 18HF  3H[VF ] + 3CO + 9NO + 12H O

HỢP CHẤT CỦA CACBON

Cacbua

Canxi cacbua (CaC 2 ):

 CaC2 tinh khiết là tinh thể không màu thuộc hệ tinh thể tứ

phương (hệ lập phương), trong đó ion Ca2+ và ion C22- chiếm cùng những vị trí như ion Na+ và Cl- trong tinh thể NaCl

 CaC2 có d = 2,22; T0nc = 23000C CaC2 kỹ thuật là khối màu xám vì còn lẫn cacbon tự do, gọi là đất đèn

 CaC2 rất bền nhất :

CaC2 Ca + 2Cgr

 Tương tác mãnh liệt với nước, axit loãng :

CaC2 + H2O  Ca(OH)2 + C2H2CaC2 + 2HClloãng  CaCl2 + C2H2

 Tương tác với hyđrô :

HỢP CHẤT CỦA CACBON

Cacbua

Canxi cacbua (CaC 2 ):

 Tác dụng với chất oxi hoá như: O2, Cl2

2CaC2+ 5O2 2CaO + CO2CaC2 + 5Cl2 CaCl2 + CCl4

 Ở nhiệt độ cao, CaC2 có thể tương tác với N2

2CaC2 + N2 CaCN2 + Cgr

Canxi xianamit

 Khi đun nóng, CaC2 có thể khử được oxit kim loại

CaC2 + MgO CaO + Mg + 2Cgr

HỢP CHẤT CỦA CACBON

Độ bội liên kết N = 3 nên liên kết bền.

momen lưỡng cực bé  = 0,118D.

0 2

0 2

2 2

2 2

2 2 2

HỢP CHẤT CỦA CACBON

 T0nc = - 2040C; T0s = - 191,50C; ít tan trong

HỢP CHẤT CỦA CACBONCacbon oxit (CO): Tính chất hóa học

 Ở nhiệt độ thường, CO giống N2 ở chỗ kém hoạt động nhưng

ở nhiệt độ cao, khác với N2, CO có tính khử tăng mạnh

+ Với hơi nước: CO + H2O CO2 + H2

+ Với Oxy : 2CO + O2 2CO2

+ Với Cl2: CO + Cl2 2CCl2O (photgen)

+ Với oxit kim loại: Fe2O3 + 3CO  2Fe + 3CO2

+ Khử muối của các nguyên tố d và của các kim loại quý như

Au, Pt, Pd đến kim loại tự do

PdCl2 + CO + H2O  Pd + CO2 + 2HCl

+ Với kiềm: CO + NaOH HCOONa

+ Với các chất oxi hoá khác, CO chỉ phản ứng khi có mặt xúc tác

3CO + 2KMnO4 + KOH + H2O 2MnO2 + 3KHCO3

3CO + K2Cr2O7 + KOH + 4H2O 2Cr(OH)3 + KHCO3

- CO dễ tạo phức với các nguyên tố d như Fe, Ni, Cr

HỢP CHẤT CỦA CACBON

trạng thái lai hoá sp, phân tử đối xứng nên

momen hướng cực bằng 0

O = C = O

(2sa)2 < (2sb)2 < (s)2 < (p)2 < (y)2 = (z)2 <

(yklk = zklk)4

HỢP CHẤT CỦA CACBON Cacbon đioxit (CO2): Tính chất vật lý

 CO2 là một chất khí (khí cacbonic) khi ở điều kiện

thường, không màu tạo axit yếu có mùi và vị hơi

chua nên còn gọi là anhyđric cacbonic, dễ hoá lỏng

và dễ hoá rắn (T0nc = - 570C ở 5atm)

 Ở 60atm và tại nhiệt độ thường, CO2 hoá lỏng thành chất lỏng không màu, linh động Khi làm lạnh đột

ngột, chất lỏng kết tinh thành khối rắn màu trắng

giống tuyết, gọi là tuyết cacbonic.

 Hoạt động sinh học: CO2 không duy trì sự cháy , sự sống, không độc nhưng không khí có chứa trên 3%

CO2 thì gây rối loạn thần kinh, khi nồng độ CO2 lên đến 10% thì mất trí, ngạt thở và tử vong

HỢP CHẤT CỦA CACBON Cacbon đioxit (CO2): Tính chất hóa học

 Khí CO2 tan ít trong nước: 1,7 lít CO2/lít H2O ở 00C Khi tan trong nước phần lớn CO2 ở dưới dạng được hiđrat hoá và một phần nhỏ tương tác với nước tạo axit cacbonic.

CO2 (k) + H2O  CO2 (dd)  H2CO3 (pKa = 2,49)

Dung dịch H2CO3 ở điều kiện bình thường có pH  4

 Khí CO2 rất bền với nhiệt, ở 15000C chỉ mới 1,5% phân hủy thành CO và O2; ở 20000C có 75% phân huỷ.

2CO2 2CO + O   C 2 H0 = 556 kJ/mol

0

2000

HỢP CHẤT CỦA CACBON

Cacbon đioxit (CO 2 ): Tính chất hóa học

 Thể hiện tính axit khi phản ứng với kiềm, kim loại hoạt động (như kim loại kiềm, Al, Mg, Zn), NH3, H2, C

HỢP CHẤT CỦA CACBON

trình lên men rượu từ glucoza:

HỢP CHẤT CỦA CACBON

CaCO3

HỢP CHẤT CỦA CACBON

CaCO

HỢP CHẤT CỦA CACBON

FeCO3 ZnCO3

HỢP CHẤT CỦA CACBON

MgCO3MnCO3

Cấu tạo

oxi hoá : - 4, 0, + 4

khiết ở dạng tinh thể lập phương có cấu trúc tương tự kim cương, trong đó mỗi nguyên tử

Si liên kêt cộng hoá trị với 4 nguyên tử Si bao

 Silic không có dạng tinh thể như than chì Silic vô

định hình là chất bột màu hung, cũng gồm những vi tinh thể lập phương

 Ngày nay, với công nghệ áp suất cao đã tạo ra được tinh thể silic lập phương gồm những tứ diện lệch, có

dSi-Si = 2,3 và 2,39Å, có tỉ khối lớn hơn (2,55)

SILIC

Tính chất hoá học

 Si không tan trong các dung môi mà chỉ tan trong một số kim loại nóng chảy như Al, Ag, Zn, Sn, Pb (không có tương tác hoá học) Khi để nguội những dung dịch đó, silic sẽ kết tinh.

 Ở điều kiện Si khá trơ về mặt hoá học vì có mạng lưới tinh thể rất bền, Silic vô định hình hoạt động hơn Silic tinh thể Ở nhiệt độ thường, Si tương tác với flo tạo SiF4 và phát ra nhiều nhiệt.

Si + 2Fe  SiF4 H0 = - 1563,3 kJ/mol

 Với Cl2, Br2, I2 thì Si phản ứng ở nhiệt độ cao

Si + 2X2 SiX4 (trong luồng khí Ar)

 Cháy trong O2 và phát ra nhiều nhiệt:

Tính chất hoá học

 Ở nhiệt độ cao, Si tác dụng được với S, N2, C, B

Si + 2S SiS2 (Silic đisunfua)

Tính chất hoá học

dd cường thuỷ, chỉ tan trong hỗn hợp axit HF

Tính chất hoá học

Điều chế

 Trong công nghiệp: Si được điều chế từ cát

và than cốc hay CaO trong lò điện ở nhiệt độ cao.

 Trong phòng thí nghiệm: có thể điều chế Si

HỢP CHẤT CỦA SILIC

nhưng không tồn tại ở dạng từng phân tử

riêng rẽ mà dưới dạng tinh thể, nghĩa là một phân tử khổng lồ.

triđimit, cristobalit, thường gặp nhất là thạch anh Thạch anh thường tồn tại ở dạng polyme (SiO2)n

HỢP CHẤT CỦA SILIC

Cấu trúc tinh thể của a) Thạch anh ; b) Tridimit; c) Cristobalit

HỢP CHẤT CỦA SILIC

Silic đioxit SiO2: Tính chất vật lý

 Tinh thể thạch anh có hình lăng trụ 6 mặt trong suốt,

2 đáy nối thêm chóp khối 6 mặt.

 Thạch anh cứng, khó nóng chảy (T0nc=1600-16700C), khó sôi (T0s=22300C)  Sau khi nguội cho thuỷ tinh đặc biệt (phalê) trong suốt, bền cơ học, chịu nóng, chịu nhiệt tốt.

 Hoạt tính quang học, khi chiếu ánh sáng phân cực theo trục chính của tinh thể, thạch anh có khả năng quay mặt phẳng ánh sáng theo 2 hướng khác nhau: bên phải hay bên trái

 Tính áp điện : Khi nén lại hay kéo ra hai bề mặt

ngựơc nhau của tinh thể sinh ra những điện tích

ngược dấu nhau và ngược lại, khi cho một điện

trường tác dụng lên tinh thể, kích thước của tinh thể

HỢP CHẤT CỦA SILIC

Silic đioxit SiO 2: Tính chất hóa học

 SiO2 rất trơ về mặt hoá học, không tác dụng với O2, Cl2, Br2

và các axit kể cả khi đun nóng, chỉ tác dụng với F2 và HF ở điều kiện thường

SiO2 + 2F2  SiF4 + O2

SiO2 + 4HF  SiF4 + 2H2O

SiO2 + 4HFđặc H2[SiF6] + 2H2O

 Ở nhiệt độ cao phản ứng với C, Mg, Al2S3

SiO2 + C(than cốc) SiO + CO

SiO2 + 2Mg 2MgO + Si3SiO2 + 2Al2S3 3SiS2 + 2Al2O3

 SiO2 tan được trong kiềm hay cacbonat kim loại nóng chảy

SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2OSiO2 + Na2CO3 Na2SiO3 + CO2

HỢP CHẤT CỦA SILIC

HỢP CHẤT CỦA SILIC

HỢP CHẤT CỦA SILIC

HỢP CHẤT CỦA SILIC

HỢP CHẤT CỦA SILIC

HỢP CHẤT CỦA SILIC

HỢP CHẤT CỦA SILIC

trong dung dịch hoặc tụ hợp thành keo

silixic sa lắng dạng kết tủa thô, không tan

thạch gọi là gel Quá trình keo tụ xảy ra đến

HỢP CHẤT CỦA SILIC

 Axit silixic là axit yếu (K1 = 1.10-10), rất ít tan trong nước, phần tan điện li 4 nấc:

HSiO43- + H2O  H3O+ + SiO44- pK4 = 13,7

PHÂN NHÓM GECMAN

PHÂN NHÓM GECMAN

PHÂN NHÓM GECMAN

PHÂN NHÓM GECMAN

Tính chất vật lý

 Ge có màu trắng bạc, cứng và rất giòn, bề ngoài

giống kim loại nhưng có cấu trúc tinh thể kiểu kim cương

 Sn có 3 dạng thù hình phụ thuộc nhiệt độ và có thế biến đổi lẫn nhau:

PHÂN NHÓM GECMAN

Tính chất hoá học

 Ge đến Pb tính kim loại tăng dần

 Ở điều kiện thường, Ge và Sn không tác dụng với oxi của

không khí, Pb bị oxi hoá tạo màng oxít màu xám xanh trên bề mặt bảo vệ cho Pb không tiếp tục bị oxi hoá Khi đun nóng,

Sn bắt đầu bị oxi hoá còn Ge bị oxi hoá ở 7000C

M + O2 = MO2 (M = Ge, Sn) 2Pb + O2 = PbO

 Với H2, Ge không phản ứng trực tiếp, nhưng khí H2 có thể

hoà tan trong Ge nóng chảy ở t0 > 10000C Sn tác dụng với

H0 khi có mặt của xúc tác tạo SnH4, còn Pb phản ứng trực

GeO2.xH2O còn có thể viết dạng H2GeO3: Axit gecmanic

 Sn và Pb có E0 < 0 nên chúng tan được trong các axit

 Ge và Sn không tác dụng với H2O (kể cả H2O hơi) Pb phản ứng chậm với H2O khi có mặt của oxi tạo hiđroxit:

2Pb + H2O= 2Pb(OH)2

 Với dung dịch kiềm, Ge không tương tác nhưng Sn và Pb có tương tác khi đun nóng tạo stanit và plombit

M + 2KOH + 2H2O = K2[M(OH)4] + H2 (M = Sn,Pb) (K2MO2)

Ge chỉ tan trong dung dịch kiềm đặc khi có mặt H2O2:

Ge + 2KOH + 2H2O2 = K2[Ge(OH)6]

PHÂN NHÓM GECMAN

Điều chế

 Ge được chế hoá một số quặng có chứa Ge,

nguyên tắc là từ các quặng đó tách ra oxít GeO2 rồi dùng H2 hoặc than để khử ở nhiệt độ 10000C.

GeO2 + 2H2 Ge + 2H2O GeO2 + 2C Ge + 2CO

 Trong công nghiệp, Sn được sản xuất bằng cách

dùng than để khử quặng canxiterít ở 13000C.

SnO2 + 2C Sn + 2CO

 Pb : Từ galen (PbS) hoặc từ xeruzit (PbCO3) chuyển thành PbO sau đó dùng than khử ở nhiệt độ cao.

2PbS + 3O2 2PbO + 2SO2 PbO + C Pb + CO

PHÂN NHÓM GECMANOxit MO

 Các MO đều là chất rắn, GeO và SnO có màu đen, còn PbO

có 2 dạng: PbO- màu đỏ và PbO- màu vàng GeO chưa xác định đựơc cấu trúc tinh thể, SnO và PbO thuộc hệ tứ

phương, còn PbO- thuộc hệ tà phương

MO + 2H+ = M2+ + H2O (M = Ge, Sn, Pb)

MO + 2OH- = MO22- + H2O (MO + 2OH- + H2O = [M(OH)4]2-)

 Khi đun nóng trong không khí, MO chuyển tương đối dễ dàng thành oxit cao hơn

 Đều có tính lưỡng tính, tính bazơ tăng: Ge(OH) 2  Pb(OH) 2

+ Tan trong axit  muối M 2+

M(OH) 2 + 2H + = M 2+ + 2H 2 O

+ Tan trong kiềm mạnh tạo gecmanic, stanic, plombit

M(OH) 2 + 2OH - = [M(OH) 4 ] 2- (hoặc MO 22- + 2H 2 O)

 Muối Ge 2+ bị thuỷ phân hầu như hoàn toàn trong dung dịch loãng, muối Pb 2+ bị thuỷ phân rất ít, còn muối Sn 2+ ở mức độ trung gian.

 Tất cả các muối của Ge 2+ , Sn 2+ là những chất khử mạnh, còn muối Pb 2+ không thể hiện tính khử

2Bi(NO ) + 3Na [Sn(OH) ] + 6NaOH = 2Bi + 3Na [Sn(OH) ] +

 

t0C

PHÂN NHÓM GECMANOxit MO 2

 Các MO2 đều là chất rắn, GeO2 và SnO2 có màu trắng, PbO2màu nâu đen

 Các MO2 có cấu trúc tinh thể rutin, trong đó mỗi nguyên tử kim loại có 6 nguyên tử oxi bao quanh kiểu bát diện và mỗi nguyên tử oxi có 3 nguyên tử kim loại bao quanh kiểu tam giác Ngoài cấu trúc kiểu rutin, GeO2 còn có cấu trúc kiểu

thạch anh

 Các oxit GeO2 và SnO2 rất bền với nhiệt và chuyển sang

trạng thái thuỷ tinh Còn PbO2 mất dần oxi khi đun nóng biến thành oxit với số oxi hoá của chì thấp hơn

PHÂN NHÓM GECMAN

Oxit MO 2

 Các MO2 kém hoạt động hoá học, GeO2 ít tan trong nước,

SnO2 và PbO2 không tan Chúng đều lưỡng tính nhưng tan trong kiềm dễ hơn trong axit Khi tan trong dung dịch kiềm tạo hợp chất hiđroxo kiểu [M(OH)6]2-

MO2 + 2OH- + 2H2O = [M(OH)6]2-

khi nấu chảy với kiềm hay oxit tương ứng tạo dạng MO32- và

MO44-

SnO 2 + 2KOH K2SnO3

2CaO + PbO2 Ca2PbO4

 Các MO bị khử dễ dàng bởi C, CO, H2, Mg, Al đến kim loại

MO2 + 2CO = M + 2CO2

3MO2 + 4Al= 3M + 2Al2O3

Tính oxi hoá không đặc trưng với GeO và SnO nhưng rất

 

 t0C

 

 t0C