Chương 3 nhóm cacbon silic

Sục CO 2 hoặc SO 2 vào dung dịch NaOH hoặc KOH Bản chất phản ứng : Ban đầu tạo ra muối trung hòa, sau đó nếu CO2 dư thì muối trung hòachuyển dần thành muối axit.. Sục CO 2 hoặc SO 2 v

CHUYÊN ĐỀ 3 : NHÓM CACBON

A LÝ THUYẾT

I KHÁI QUÁT VỀ NHÓM CACBON (NHÓM IVA)

- Gồm : Cacbon (C), silic (Si), gemani (Ge), thiếc (Sn), chì (Pb)

- Cấu hình electron lớp ngoài cùng: ns2np2

- Số oxi hoá có thể có trong chất vô cơ : -4, 0, +2, +4

- Hợp chất với hiđro: RH4 ; hợp chất với oxi : RO và RO2

(Chú ý : CO2, SO2 là oxit axit ; GeO2, SnO2, PbO2 và hiđroxit tương ứng là hợp chất lưỡng tính)

II CACBON:

1.Tính chất vật lý

Cacbon ở thể rắn, không tan trong nước, có 4 dạng thù hình : Kim cương (cứng, tinh thể trongsuốt); than chì (xám, mềm, dẫn điện); Fuleren (phân tử C60, C70) ; than vô định hình (có tính hấpphụ)

2 Tính chất hóa học

a Tính khử : Cacbon không tác dụng trực tiếp với halogen.

● Với oxi :

C + O2 →t o CO2 (cháy hoàn toàn)

2C + O2 →t o 2CO (cháy không hoàn toàn)

Ở nhiệt độ cao, cacbon lại khử được CO2 thành CO

● Với kim loại :

Ca + 2C →t o CaC2 : Canxi cacbua

4Al + 3C →t Al4C3 : Nhôm cacbua

3 Điều chế

a Kim cương nhân tạo

Điều chế từ than chì ở 2000oC, áp suất từ 50 đến 100.000 atmotphe, xúc tác sắt, crom hay niken

b Than chì nhân tạo

Nung than cốc ở 2500 – 3000oC trong lò điện không có không có không khí

Nhiệt phân metan : CH4 t , xt o → C + 2H2

III HỢP CHẤT CỦA CACBON

1 Cacbon monooxit

- CTPT : CO (M = 28) ; CTCT: C O

- Khí không màu, không mùi, nhẹ hơn không khí, ít tan trong nước, rất độc

- CO kém hoạt động ở nhiệt độ thường, hoạt động hơn khi đun nóng

- CO là oxit trung tính (oxit không tạo muối )

a Tính chất hóa học

Hoá tính quan trọng là tính khử ở nhiệt độ cao

● Với oxi : CO cháy trong oxi với ngọn lửa lam nhạt :

2CO + O2

o t

● Với Clo : có xúc tác than hoạt tính :

CO + Cl2 → COCl2

(photgen)

● Với oxit kim loại : chỉ với kim loại trung bình và yếu :

Fe2O3 + 3CO →t o 2Fe + 3CO2

● Trong công nghiệp :

+ Đốt không hoàn toàn than đá trong không khí khô :

2C + O2 →t o 2CO

C + O2 →t o CO2

CO2 + C →t o 2CO)

Hỗn hợp khí thu được gọi là khí than khô (khí lò ga): 25% CO, còn lại là CO2, N2.

+ Cho hơi nước qua than nóng đỏ ở 1000oC :

2Mg + CO2 →t 2MgO + C

2H2 + CO2

o t

- Muối axit đa số dễ tan (trừ NaHCO3 hơi ít tan)

- Muối trung hoà không tan trong nước (trừ cacbonat của kim loại kiềm và amoni)

● Thủy phân trong nước tạo môi trường kiềm :

- Đối với muối cacbonat

Na2CO3 → 2Na+ + CO3

2-CO32- + H2O € HCO3- + OH

- Silic ở thể rắn, có 2 dạng thù hình : Si vô định hình (bột màu nâu) ; Si tinh thể (cấu trúc tương

tự kim cương, độ cứng = 7/10 kim cương, màu xám, giòn, d = 2,4, có vẻ sáng kim loại, dẫn nhiệt)

- Si là phi kim yếu, tương đối trơ

b Trong công nghiệp

SiO2 + 2C o

t

→ 2CO + Si (1800oC)

II HỢP CHẤT CỦA SILIC

1 Silic đioxit ( SiO 2 )

- Dạng tinh thể, không tan trong nước, nhiệt độ nóng chảy là 1713oC, tồn tại trong tự nhiên ởdạng cát và thạch anh

- Là oxit axit :

a Tan chậm trong kiềm hoặc cacbonat kim loại kiềm nóng chảy:

SiO2 + 2NaOH →t o Na2SiO3 + H2O

SiO2 + Na2CO3

o t

→ Na2SiO3 + CO2

b Tác dụng với HF (dùng để khắc thủy tinh)

SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O

2 Axit silixic ( H 2 SiO 3 )

- Là chất keo, không tan trong nước Khi sấy khô, axit silixic mất 1 phần nước tạo Silicagen

(được dùng để hút ẩm) :

H2SiO3

o t

→ SiO2 + H2O

- H2SiO3 là axit rất yếu, yếu hơn H2CO3 :

Na2SiO3 + CO2 + H2O → Na2CO3 + H2SiO3↓

3.Muối silicat

- Muối silicat của kim loại kiềm tan trong nước và bị thủy phân mạnh tạo môi trường kiềm :

Na2SiO3 + 2H2O € 2NaOH + H2SiO3↓

- Dung dịch đậm đặc của Na2SiO3 và K2SiO3 được gọi là thủy tinh lỏng dùng để chế keo dánthủy tinh và sứ, vải hoặc gỗ tẩm thủy tinh lỏng sẽ khó bị cháy

VI CÔNG NGHIỆP SILICAT

1 Thủy tinh : Là hỗn hợp của muối natri silicat, canxi silicat và silic đioxit Công thức gần đúng

của thủy tinh : Na2O.CaO.6SiO2

Các loại thủy tinh : Thủy tinh thông thường ; thủy tinh Kali ; thủy tinh thạch anh ; thủy tinhphalê.

2 Đồ gốm : Được điều chế chủ yếu từ đất sét và cao lanh :

Có các loại : Gốm xây dựng (gạch, ngói), gốm kỹ thuật (sứ kỹ thuật), gốm dân dụng (sứ dândụng, sành )

3 Xi măng: Là chất bột mịn, màu lục xám, thành phần chính gồm các canxi silicat : 3CaO.SiO2,2CaO.SiO2 và canxi aluminat: 3CaO.Al2O3, dễ kết dính nên được dùng trong xây dựng

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP VỀ NHÓM CACBON

I Phản ứng của CO2, SO2 với dung dịch kiềm

1 Sục CO 2 (hoặc SO 2 ) vào dung dịch NaOH hoặc KOH

Bản chất phản ứng : Ban đầu tạo ra muối trung hòa, sau đó nếu CO2 dư thì muối trung hòachuyển dần thành muối axit

Giá trị của T Chất thu được sau phản ứng

2 Sục CO 2 (hoặc SO 2 ) vào dung dịch Ca(OH) 2 hoặc Ba(OH) 2

Bản chất phản ứng : Ban đầu tạo ra muối trung hòa kết tủa, sau đó nếu CO2 dư thì muối trunghòa chuyển dần thành muối axit tan

CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ + H2O

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2

Để tiện cho việc tính toán ta có thể viết hai phương trình độc lập với nhau :

2nn

Giá trị của T Chất thu được sau phản ứng

n n

−

.

● Khi đề bài yêu cầu tính lượng CO2 phản ứng thì ta tính mol của Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2 và tính mol của kết tủa BaCO3 hoặc CaCO3 So sánh số mol của bazơ và của kết tủa nếu số mol của kết tủa nhỏ hơn thì sẽ có hai khả năng xảy ra : Hoặc bazơ dư hoặc bazơ hết Trường hợp bazơ hết thì phản ứng phải tạo ra cả muối axit

● Khi đề yêu cầu xác định lượng Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2 tham gia phản ứng thì ta tính mol CO2

và mol của kết tủa BaCO3 hoặc CaCO3 rồi áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố đối với C để xem phản ứng có tạo ra muối Ca(HCO3)2 hoặc Ba(HCO3)2 hay không Từ đó áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố đối với Ca hoặc Ba để suy ra lượng Ca(OH)2 hoặc Ba(OH)2.

►Các ví dụ minh họa ◄

Ví dụ 1: Nung 13,4 gam hỗn hợp 2 muối cacbonat của 2 kim loại hóa trị II, sau khi phản ứng xảy ra

hoàn toàn thu được 6,8 gam chất rắn và khí X Lượng khí X sinh ra cho hấp thụ vào 75 ml dungdịch NaOH 1M Khối lượng muối khan thu được sau phản ứng là :

A 4,2 gam B 6,5 gam C 6,3 gam D 5,8 gam.

Hướng dẫn giải Nung muối cacbonat thu được khí X là CO2

3

MCO →t o MO + CO2

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có :

n n

● Trường hợp 1 : Ba(OH)2 dư

Ví dụ 4: Thổi khí CO2 vào dung dịch chứa 0,02 mol Ba(OH)2 Giá trị khối lượng kết tủa biến thiêntrong khoảng nào khi CO2 biến thiên trong khoảng từ 0,005 mol đến 0,024 mol ?

Theo (1) suy ra mBaCO max3 =0,02.197 3,94 gam.=

Khi số mol CO2 là 0,005 mol thì nBaCO3 =nCO2 =0,005 mol⇒mBaCO3 =0,985 gam

Khi số mol CO2 là 0,024 mol thì :

CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3 + H2O (2)

mol: 0,02 ¬ 0,02 ¬ 0,02

BaCO3 + CO2 + H2O → Ba(HCO3)2

mol: 0,004 ¬ 0,004 ¬ 0,004

Khi đó nBaCO3 =0,02 0,004 0,016 mol− = ⇒mBaCO3 =0,016.197 3,152 gam.=

Vậy khối lượng kết tủa biến đổi trong đoạn từ 0,985 gam đến 3,94 gam

mol CO2 chuyển vào muối Ba(HCO3)2

Phương trình phản ứng :

CO2 + Ba(OH)2 → BaCO3 + H2O (1)

n +n − >n nên suy ra trong dung dịch Y còn chứa cả muối HCO3-.

Áp dụng định luật bảo toàn nguyên tố đối với C ta có :

- Nếu dung dịch kiềm có Ba(OH)2 hoặc Ca(OH)2 thì còn có thể có phản ứng tạo kết tủa nếu

Ví dụ 1: Cho 0,448 lít khí CO2 (đktc) hấp thụ hết vào 100 ml dung dịch chứa hỗn hợp NaOH 0,06M

và Ba(OH)2 0,12M, thu được m gam kết tủa Giá trị của m là :

Hướng dẫn giải

Theo giả thiết ta có : nCO2= 0,02 mol ; nNaOH = 0,006 mol ;

2 Ba(OH)

7,84 lít khí CO2 (đktc) vào 1 lít dung dịch X thì lượng kết tủa thu được là :

A 19,7 gam B 9,85 gam C 29,55 gam D 10 gam.

Hướng dẫn giải

Theo giả thiết ta có : nCO2= 0,35 mol ; nNaOH = 0,05 mol ; nKOH = 0,05 mol; nBa (OH)2= 0,15 mol

● Lưu ý : Ngoài cách viết phương trình theo đúng bản chất của phản ứng giữa CO 2 và dung

dịch kiềm để tính lượng CO3 2- tạo ra như ở ví dụ 1 và 2, ta còn có thể dựa vào tỉ lệ

2

−

OH CO

n

lượng CO3 2- như ở ví dụ 3 dưới đây.

Ví dụ 3: Hấp thụ hoàn toàn 0,672 lít khí CO2 (đktc) vào 1 lít dung dịch gồm NaOH 0,025M vàCa(OH)2 0,0125M, thu được x gam kết tủa Giá trị của x là :

Hướng dẫn giải

Theo giả thiết ta có :

2 2

Hướng dẫn giải Đốt cháy FeS2 trong O2 vừa đủ thu được khí X là SO2.

4FeS2 + 11O2 →t o 2Fe2O3 + 8SO2

Theo giả thiết ta có : 2

3

3 BaSO SO

n − =n = 0,1 mol, nOH−= 0,4 mol, nBa 2 += 0,15 mol

Cho dung dịch NaOH vào Z thấy xuất hiện thêm kết tủa suy ra trong Z có HSO−3, do đó OH

Vì số mol Ba2+ lớn hơn số mol BaCO3 nên Ba2+ còn dư Như vậy phản ứng của CO2 với dungdịch kiềm đã tạo ra 0,12 mol CO32-.

Xét các khả năng xảy ra :

● Trường hợp OH−dư :

CO2 + 2OH− → CO32- + H2O (1)

mol: 0,12 ¬ 0,24 ¬ 0,12

Theo (1) suy ra : nCO2 =0,12 mol⇒VCO2 =0,12.22, 4 2,688 lít.=

● Trường hợp OH−phản ứng hết thì phản ứng tạo ra cả muối axit :

Theo (2) ta thấy nCO2 =0,075 mol⇒VCO2 =0,075.22,4 1,68 lít.=

Lượng CO2 cần dùng lớn nhất khi phản ứng tạo ra cả muối trung hòa và muối axit :

CO2 + 2OH- → CO32- + H2O (2)

mol: 0,075 ¬ 0,15 ¬ 0,075

CO2 + OH- → HCO3- (3)

mol: 0,1 ¬ (025 – 0,15) = 0,1

Theo (2), (3) ta thấy nCO2 =0,175 mol⇒VCO2 =0,175.22,4 3,92lít.=

Vậy để thu được lượng kết tủa lớn nhất thì : 1,68 lít V≤ CO2≤3,92 lít

Đáp án D.

II Phản ứng của dung dịch axit với dung dịch muối cacbonat và hiđrocacbonat

● Lưu ý : Trong dạng bài tập này thì lượng H + mà đề bài cho thường không đủ để chuyển hết

các ion CO3 2- và HCO3 - thành CO2 nên cho từ từ dung dịch chứa ion H + (HCl, H2SO4, HNO3) vào dung dịch chứa các ion CO3 2- và HCO3 - và làm ngược lại thì sẽ thu được lượng CO2 khác nhau.

Dạng 1: Cho từ từ dung dịch chứa ion H+ (HCl, H2SO4, HNO3) vào dung dịch chứa các ion CO3 2- và HCO3 -

+ →+ → ↑ +

Phản ứng (1) xảy ra trước, (2) xảy ra sau.

►Các ví dụ minh họa ◄

Ví dụ 1: Dung dịch X chứa hỗn hợp gồm Na2CO3 1,5M và KHCO3 1M Nhỏ từ từ từng giọt cho đếnhết 200 ml dung dịch HCl 1M vào 100 ml dung dịch X, sinh ra V lít khí (đktc) Cho dư dung dịchBa(OH)2 vào dung dịch X, thu được m gam kết tủa Giá trị của m và V là :

n − =n = 0,1 mol ; nH+ =nHCl= 0,2 mol

Phương trình phản ứng :

H+ + CO23

− → HCO3

−

(1)mol: 0,15 ¬ 0,15 → 0,15

⇒nH dö+ = 0,05 mol ;

3 HCO

Trong dung dịch X còn 0,2 mol HCO3−

Ba(OH)2 + HCO3- → BaCO3 + OH- + H2O (3)

mol: 0,2 → 0,2

⇒ mBaCO3 = 0,2.197 = 39,4 gam

Đáp án B.

NaHCO3 1M và Na2CO3 1M thu được dung dịch C Nhỏ từ từ 100 ml dung dịch D gồm H2SO4 1M

và HCl 1M vào dung dịch C thu được V lít CO2 (đktc) và dung dịch E Cho dung dịch Ba(OH)2 tới

dư vào dung dịch E thì thu được m gam kết tủa Giá trị của m và V lần lượt là :

C 43 gam và 2,24 lít D 3,4 gam và 5,6 lít.

Hướng dẫn giải

Dung dịch C chứa: HCO3 − : 0,2 mol ; CO3 − : 0,2 mol.

Dung dịch D có tổng: nH+= 0,3 mol ; nSO 2− =nCl− =0,1mol

có khí thoát ra, chứng tỏ nếu trong X có CO32- thì cũng đã chuyển hết thành HCO3-)

Dung dịch thu được sau tất cả các phản ứng chứa NaCl và NaHCO3 Trong đó số mol Cl- = sốmol HCl = 0,2 mol, số mol HCO3- = 0,6 – 0,05 = 0,55 mol Áp dụng định luật bảo toàn điện tích suy

ra mol Na+ = tổng số mol của Cl- và HCO3- = 0,2 + 0,55 = 0,75 mol Vậy nồng độ mol của dung

Để phản ứng hết với các muối KHCO3 và K2CO3 thì lượng HCl cần dùng là :

0,02 + 0,1.2= 0,4 mol > 0,3 mol ⇒ HCl thiếu, lượng CO2 tính theo HCl

Theo giả thiết ta có : 3

2 HCO CO

Do đó ta gọi số mol của các ion HCO3- và CO32-tham gia phản ứng là 2x và x

Khi cho từ từ dung dịch chứa các ion CO32- và HCO3- vào dung dịch chứa ion H+ thì phản ứngxảy ra đồng thời (1) và (2)

⇒Tổng sốmol H là:4x 0,3+ = ⇒ =x 0,075⇒VCO2 =3.0,075.22,4 5,04 lít.=

- Cùng lượng HCl và Na2CO3 nhưng thao tác thí nghiệm khác nhau thì thu được lượng CO2

khác nhau, điều đĩ chứng tỏ lượng HCl khơng đủ để chuyển hết Na2CO3 thành CO2

- Khi cho từ từ dung dịch Na2CO3 vào dung dịch HCl thì xảy ra phản ứng giải phĩng ngay khí

CO2 nên thơng qua lượng CO2 ta tính được lượng HCl ban đầu :

Dạng 3 : Khi đổ nhanh dung dịch chứa ion H+ vào dung dịch chứa các ion CO3

2-và HCO3 - hoặc làm ngược lại

Phương pháp giải

Khi đổ nhanh dung dịch chứa ion H + vào dung dịch chứa các ion CO3 2- và HCO3 - hoặc làm ngược lại mà H + bị thiếu thì ta chỉ tìm được khoảng thể tích khí CO2 giải phóng chứ không tính được chính xác thể tích CO2.

- Tìm khoảng thể tích CO2 bằng cách xét 2 trường hợp :

+ Trường hợp 1: H + phản ứng với CO3 2- trước, với HCO3 - sau, suy ra V CO2 =V1

+ Trường hợp 2: H + phản ứng với HCO3 - trước, với CO3 2- sau, suy ra V CO2 =V2

Từ hai trường hợp trên ta suy ra : V V1≤ CO2 ≤V 2

● Trường hợp 1 : Giả sử H+ phản ứng với CO32- trước

Phương trình phản ứng :

2H+ + CO32- → CO2 + H2O (1)

mol: 2 ¬ 1 → 1

Theo (1) lượng H+ chỉ đủ phản ứng với CO32- VCO2 =1.22, 4 22, 4 lít.=

● Trường hợp 2 : Giả sử H+ phản ứng với HCO3- trước

Từ những điều trên suy ra : 22,4 ≤ VCO2 ≤ 33,6.

Đáp án B.

III Phản ứng của muối cacbonat, hiđrocacbonat với dung dịch axit dư

Đối với dạng bài tập này ta thường sử dụng các phương pháp như bảo toàn khối lượng hoặctăng giảm khối lượng Nếu đề bài cho hỗn hợp muối cacbonat và hiđrocacbonat trong đó có nhữngmuối có khối lượng phân tử bằng nhau thì ta sử dụng phương pháp quy đổi

Ví dụ 1: Hoà tan hoàn toàn 23,8 gam hỗn hợp một muối cacbonat của các kim loại hoá trị (I) và

muối cacbonat của kim loại hoá trị (II) trong dung dịch HCl Sau phản ứng thu được 4,48 lít khí(đktc) Đem cô cạn dung dịch thu được bao nhiêu gam muối khan ?

Hướng dẫn giải Cách 1 : Áp dụng phương pháp bảo toàn khối lượng

Đặt công thức của hai muối cacbonat của hai kim loại hóa trị I và II là M2CO3 và RCO3

⇒ mmuối clorua = 26 gam

Cách 2 : Áp dụng phương pháp tăng giảm khối lượng

Suy ra khối lượng muối khan tăng sau phản ứng là : 0,2.11 = 2,2 gam

Vậy tổng khối lượng muối clorua khan thu được là : 23,8 + 2,2 = 26 gam

Đáp án C.

Ví dụ 2: Hoà tan hoàn toàn 4 gam hỗn hợp MCO3 và M’CO3 vào dung dịch HCl thấy thoát ra V lítkhí (đktc) Dung dịch thu được đem cô cạn thu được 5,1 gam muối khan Giá trị của V là :

A 1,12 lít B 1,68 lít C 2,24 lít D 3,36 lít.

Hướng dẫn giải Cách 1 : Áp dụng phương pháp bảo toàn khối lượng

Đặt công thức trung bình của hai muối cacbonat là MCO 3

Phương trình phản ứng :

mol: x → 2x → x → x → x

Gọi số mol của hai muối cacbonat là x mol

Căn cứ vào (1) và áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có :

4 + 2x.36,5 = 5,1 + 44x + 18x ⇒ x = 0,1 ⇒VCO2= 0,1.22,4 = 2,24 lít

Cách 2 : Áp dụng phương pháp tăng giảm khối lượng

Đặt công thức trung bình của hai muối cacbonat là MCO 3

IV Phản ứng nhiệt phân muối cacbonat

Đối với dạng bài tập này ta thường sử dụng phương pháp tăng giảm khối lượng

Ví dụ 1: Nung 100 gam hỗn hợp gồm Na2CO3 và NaHCO3 cho đến khi khối lượng hỗn hợp khôngđổi được 69 gam chất rắn Phần trăm khối lượng của mỗi chất tương ứng trong hỗn hợp ban đầu là :

Theo (1) và giả thiết ta có : 84x – 106.0,5x = 100 – 69 ⇒ x = 1 ⇒mNaHCO3 =84 gam

Vậy NaHCO3 chiếm 84% và Na2CO3 chiếm 16%

Theo phương trình và theo giả thiết ta có :

100x – 56x = 50 – 39 = 11 ⇒x = 0,25

Vậy % CaCO3 bị phân hủy là 0,25.100 62,5%

Đáp án C

V Khử oxit kim loại bằng khí CO, H2

Với dạng bài tập này ta thường sử dụng bản chất phản ứng khử oxit kim loại bằng CO, H2 là:

CO + O (trong oxit kim loại) →t o CO2

H2 + O (trong oxit kim loại) →t o H2O

và kết hợp với việc sử dụng định luật bảo toàn nguyên tố, bảo toàn khối lượng và bảo toàn electron

● Lưu ý : CO, H 2 chỉ khử được các oxit của kim loại đứng sau nhôm trong dãy điện hóa.

Ví dụ 1: Khử hết m gam Fe3O4 bằng CO thu được hỗn hợp A gồm FeO và Fe A tan vừa đủ trong0,3 lít dung dịch H2SO4 1M cho ra 4,48 lít khí H2 (đktc) Giá trị của m là :

Sơ đồ phản ứng :