CHUYÊN đề 6 NHÓM CACBON

KHÁI QUÁT VỀ NHÓM CACBON 1.Vị trí của nhóm cacbon trong bảng tuần hoàn Nhóm cacbon bao gồm các nguyên tố cacboni C, silic Si, germani Ge, thiếc Sn và chì Pb.Chúng đều thuộc các nguyên t

Chuyên đề

A LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO

I KHÁI QUÁT VỀ NHÓM CACBON

1.Vị trí của nhóm cacbon trong bảng tuần hoàn

Nhóm cacbon bao gồm các nguyên tố cacboni (C), silic (Si), germani (Ge), thiếc (Sn) và chì (Pb).Chúng đều thuộc các nguyên tố p

2 Tính chất chung của các nguyên tố nhóm cacbon

a) Cấu hình electron

Lớp ngoài cùng của nguyên tử (ns np ) có 4 electron:2 2

Ở trạng thái cơ bản, nguyên tử của các nguyên tố nhóm cacbon có hai electron độc thân, do đó chúng cóthể tạo thành hai liên kết cộng hoá trị Khi được kích thích, một electron trong cặp electron của phân lớp

ns có thể chuyển sang obitan p còn trống của phân lớp np Khi đó, nguyên tử của các nguyên tố nhómcacbon có 4 electron độc thân, chúng có thể tạo thành 4 liên kết cộng hoá trị Trong các hợp chất chúng có

số oxi hoá + 4, + 2 và - 4 tuỳ thuộc vào độ âm diện của các nguyên tố liên kết với chúng

b) Sự biến đổi tính chất của các đơn chất

• Từ cacbon đến chì tính phi kim giảm dần,

tính kim loại tăng dần, Cacbon và silic là các nguyên tố phi kim, gemani vừa có tính kim loại vừa có tínhphi kim, còn thiếc và chỉ là các kim loại

• Trong cùng một chu kì, khả năng kết hợp electron của cacbon kém hơn nitơ và của silic kém hơnphotpho, nên cacbon và silic là những phi kim kém hoạt động hơn nitơ và photpho

3 Sự biến đổi tính chất của đơn chất

• Tất cả các nguyên tố nhóm cacbon đều tạo được hợp chất với hiđro có công thức chung RH4 Độ bềnnhiệt của các hợp chất hiđrua này giảm nhanh từ CH4 đến РbН4

• Các nguyên tố nhóm cacbon tạo với oxi hai loại oxit là RO và RO2, trong đó R có số oxi hoá tươngứng là +2 và +4 CO2 và SiO2 là oxit axit, còn các oxit GeO2, SnO2, PbO2 và các hiđroxit tương ứng củachúng là các hợp chất lưỡng tính

• Ngoài khả năng tạo liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử của nguyên tố khác, các nguyên tử cacboncòn có thể liên kết với nhau tạo thành mạch Mạch cacbon có thể gồm hàng chục, hàng trăm nguyên tửcacbon

II CACBON

1 Tính chất vật lí

Cacbon tạo thành một số dạng thù hình, khác nhau về tính chất vật lí Sau đây là một số dạng thu hìnhcủa cacbon

• Kim cương: Là chất tinh thể không màu, trong suốt, không dẫn điện, dẫn nhiệt kém, có khối lượng

riêng là 3,51 gam/cm3 Tinh thề kim cương thuộc loại tinh thể nguyên tử điển hình, trong đó mỗi nguyên

tử cacbon tạo bốn liên kết cộng hoá trị bền với bốn nguyên tử cacbon lân cận nằm trên các đỉnh của hình

tứ diện đều Mỗi nguyên tử cacbon ở đỉnh lại liên kết với bốn nguyên tử cacbon khác Độ dài liên kết

C C bằng 0,154 nm Do cấu trúc này nên kim cương là chất cứng nhất trong tất cả các chất

• Than chì: Là tinh thể màu xám đen, có ánh kim, dẫn điện tốt nhưng kém kim loại Tinh thể than chì

có cấu trúc lớp Trong một lớp, mỗi nguyên tử cacbon liên kết theo kiểu cộng hoá trị với ba nguyên tử

cacbon lân cận nằm ở đỉnh của một tam giác đều Độ dài liên kết C C bằng 0,142 nm Khoảng cáchgiữa hai lớp lân cận nhau là 0,34 nm Các lớp liên kết với nhau bằng lực tương tác yếu, nên các lớp dễtách khỏi nhau

• Fuleren: Một dạng thù hình của C60, C70 mới được phát hiện 1985

Than điều chế nhân tạo như than cốc, than gỗ, than xương, than muội, được gọi chung là than vô địnhhình Than gỗ, than xương có cấu trúc xốp, nên chúng có khả năng hấp phụ mạnh các chất khí và chất tantrong dung dịch

t

t 2

t 3 t

C 2H ����CH

- Tác dụng với kim loại

Ở nhiệt độ cao, cacbon phản ứng với một số kim loại tạo thành cacbua kim loại

o

t

4 34Al 3C ���Al C

3 Điều chế và ứng dụng

a) Điều chế

• Kim cương nhân tạo được điều chế từ than chì khi đun nóng lâu than chì ở o

3000 C và dưới áp suất700.000 - 100.000 atm trong thời gian dài

• Than chi nhân tạo được điều chế bằng cách nung than cốc ở 2500 C 3000 C�  � trong lò điện, không

có không khí

• Than cốc được điều chế bằng cách nung than đá ở 1000 - 1250°C trong lò điện, không có không khí

• Than gỗ được tạo nên khi đốt cháy gỗ trong điều kiện thiếu không khí

• Thanh muội được tạo nên khi nhiệt phân metan có chất xúc tác

• Than các được dùng làm chất khử trong luyện kim để luyện kim loại tử quặng

• Than gỗ được dùng để chế thuốc súng đen, thuốc pháo, chất hấp phụ,

• Tham muội dùng làm chất độn khi lưu hóa cao su, để sản xuất mực in, xi đánh giấy,

4 Trạng thái tự nhiên

Trong tự nhiên, kim cương và than chì là cacbon tự do gần như tinh khiết Ngoài ra, cacbon còn cótrong các khoáng vật như canxit (đá vôi, đá phần, đá hoa, chúng đều chứa CaCO3),magiezit (MgCO3),dolomit (CaCO3.MgCO3), và là thành phần chính của các loại than mô (than antraxit, than mỡ, thannâu, than bùn, , chủng khác nhau về tuổi địa chất và làu lượng cacbon) Dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên làhỗn hợp các chất khác nhau chứa cacbon, chủ yếu là hidrocacbon

III HỢP CHẤT CỦA CACBON

1 Cacbon monoxit, CO

a) Cấu tạo phân tử và tính chất vật lí.

• CO là chất khí không màu, không mùi, khó hóa lỏng, khó hóa rắn, tan ít trong nước vì phân tử phâncực yếu ( = 0,118 D) CO

•CO là khí độc vì nó kết hợp với hemoglobin trong máu tạo phức chất bản cacboxihemoglobin làm chohemoglobin mất khả năng vận chuyển O2 đến các tế bào

t

t

2 t

• Trong công nghiệp

- Khí CO thường được sản xuất bằng cách cho hơi nước đi qua than nung đó:

o

1050 C

C H O ����CO HHỗn hợp khi tạo thành gọi là khí than ướt Khí than ướt chứa : 44% CO, : 45% H2, : 5% H2O và :6% N2

- Khí CO còn được sản xuất trong các lò ga bằng cách thổi không khí qua than nung đỏ

• Trong phòng thí nghiệm: Có được điều chế bằng cách cho axit H SO đặc vào axit fomic (HCOOH)2 4

và đun nóng:

HC �����H SO ,�� 2 4 c 

2

2 Cacbon đioxit (anhidrit cacbonic), CO 2

a) Cấu tạo và tinh chất vật lí

Công thức electron Công thức cấu tạo Công thức phân tử

CO2

• Các liên kết C - O trong CO2 là liên kết cộng hóa trị có cực, nhưng do cấu tạo thẳng, nên phân tử CO2

là phân tử không phân cực (  = 0)

•CO2 là chất khí không màu, vị chua (khí tạo cho nước giải khát), dẻ hóa lỏng, dễ hóa rắn (khi làm lạnh 76°C khí CO2 hóa thành khối rắn gọi là nước đá khô), tan không nhiều trong nước, không duy trì sự cháy.Khí CO2 là sản phẩm hô hấp của người và động vật, không duy trì sự sống cho động vật nhưng có vai tròquan trọng cho sự sống của động vật

• Tác dụng với axit giải phóng CO2 :

Do đó:

trung hòa của kim loại kiềm rất bền với nhiệt, chúng có thể nóng chảy mà không bị phân hủy Các muốicacbonat của kim loại khác, cũng như muối hidrocacbonat, đều dễ bị phân hủy khi đun nóng:

- Nhiệt phân FeCO3 có 2 khả năng:

• Nung trong chân không

4FeCO O ���2Fe O 4CO

- Nhiệt phân đến cùng Ba HCO 3 2 và Ca HCO 3 2 thu được oxit.

c) Một số muối cacbonat quan trọng

• CaCO3 tinh khiết là chất bột nhẹ, màu trắng, được dùng làm chất độn trong lưu hóa cao su và một sốngành công nghiệp

• Na CO khan (còn gọi là số đa khan) là chất bột màu trắng tan nhiều trong nước Khi kết tỉnh nó2 3tách ra ở dạng tinh thểNa CO 10H O Sô đa được dùng trong công nghiệp thủy tinh, đồ gốm, bột giặt, 2 3 2

• NaHCO là chất tinh thể màu trắng, có ứng dụng trong y học và công nghiệp thực phẩm, được điều3chế từ phản ứng:

c) Điều chế

• Trong phòng thí nghiệm: Nung bột Mg và cát mịn ở 900°C

22Mg SiO �2MgO Si

• Trong công nghiệp: Dùng than cốc khử SiO2 trong lò điện ở nhiệt độ cao:

2SiO 2C�Si 2CO

2 Hợp chất của silic

a) Silic đioxit, SiO 2

• SiO2 là chất ở dạng tinh thể nguyên tử, không tan trong nước, o

b) Axit silicic, H 2 SiO 3

• H2SiO3 là axit không bền, rất yểu (yếu hơn cả H CO ) chỉ tác dụng với dung dịch kiềm mạnh:2 3

Na SiO 2H O�2Na2OHH SiO �

• Dung dịch đặc củaNa SiO và 2 3 K SiO được gọi là thủy tinh lỏng Công nghệ điều chế thủy tinh2 3lỏng bằng cách nấu chảy cát trắng với Na CO và 2 3 K CO 2 3

o o

B PHƯƠNG PHÁP GIẢI NHANH CÁC DẠNG BÀI TẬP

DẠNG 1: VIỆT PHƯƠNG TRÌNH HỎA HỌC THEO SƠ ĐỒ CHUYỂN HÓA

Phương pháp : Nắm vững cấu tạo, tính chất, điều chế của cacbon, silic và các hợp chất của chúng

Ví dụ 1: Viết phương trình hóa học theo các sơ đồ sau đây:

���

(11) (9) (10)

2 (12)

CaCO 2HCl�CaCl CO �H O (D) (E)

dd dp

CaCl 2H O����Ca(OH) H �Cl � (F) (G) (H)

Ca(OH) Cl �CaOCl H O (I)

Ca HCO Ca(OH) �2CaCO �2H O

Ví dụ 3: Viết phương trình hoá học của các phản ứng theo sơ đồ chuyển hoá sau:

Na CO HCl�NaHCO NaCl (Y)

NaHCO HCl�NaCl CO H O (Z)

dpdd

2NaCl 2H O ����2NaOH H �Cl � (T)

2NaOH CO (dư)�NaHCO3

NaHCO NaOH�Na CO H O

Ví dụ 4: Viết phương trình hoá học của các phản ứng theo sơ đồ chuyển hoá sau:

Các phương trình hoá học theo sơ đồ:

22Ca O ���2CaO

Ví dụ 5: Kim loại A phản ứng với phi kim B tạo hợp chất C Cho 0,15 mol C phản ứng với CO2 (dư) tạo

thành hợp chất D và 2,4 gam B Hoà tan hoàn toàn D vào nước, dung dịch D phản ứng vừa hết với 150mldung dịch H SO 1M, giải phóng 3,36 lít khí CO2 (đktc) Hãy xác định A, B, C, D và viết phương trình2 4hoá học của các phản ứng đã xảy ra Biết C chứa 29,09% B theo khối lượng ; hợp chất D không bị phântích khi nóng chảy

Giải

2

H H

CO H

� là muối cacbonat kim loại D không bị phân tích khi nóng chảy

� D là muối cacbonat của kim loại kiềm

Lượng oxi trong 0,15 mol C A O :16.0,15 2, 4 4,82 y   (gam)

Ví dụ 6: Dung dịch chứa muối X làm quỳ tím hóa xanh Dung dịch chứa muối Y tạo kết tủa với dung dịch

NH3 Trộn hai dung dịch trên với nhau thấy có kết tủa và khí thoát ra Vậy hai muối X, Y lần lượt là A

SO2 Dung dịch thuốc

5SO 2KMnO 2H O�2H SO 2MnSO K SO

Dùng dung dịch Ba(OH)2 làm thuốc thử đối với ba khi còn lại Nhận ra CO2 vì có kết tủa trắng xuấthiện

CO Ba(OH) �BaCO �H O (màu trắng)

Hai khí N2 và H2 cho đi qua bột CuO nung nóng Nếu có hiện tượng đen hóa đỏ thì đó là H2

o

t

CuO H ���Cu H O (màu đen) (màu đỏ)

Ví dụ 3: Trong phòng thí nghiệm giả sử chỉ có: khí CO2 bình tam giác có một vạch chia, dung dịch

NaOH, pipet, đèn cồn, giá đỡ Trình bày hai phương pháp điều chế Na CO 2 3

Giải

• Cách 1: Sục CO2 dư vào bình đựng dung dịch NaOH:

CO NaOH�NaHCOĐun nóng dung dịch thu đượcNa CO :2 3

o

t

2NaHCO ���Na CO CO H O

• Cách 2: Lấy dung dịch NaOH vào 2 bình tam giác đến vạch chia (có cùng thể tích � cùng số mol).

Sục CO2 đến dư vào bình thứ nhất, thu được dung dịch NaHCO3 Sau đó đổ bình 2 (dung dịch NaOH)vào dung dịch thu được ở bình 1 ta sẽ thu đượcNa CO 2 3

3 2 3 2NaOH NaHCO �Na CO H O

Ví dụ 4: Không dùng thêm thuốc thử, hãy trình bày cách phân biệt 5 dung dịch sau:

NaCl, NaOH, NaHSO , Ba(OH) , Na CO

Giải

- Trộn lẫn các cặp mẫu thử ta thu được hiện tượng như sau:

Mẫu thử tạo kết tủa với 2 trong 4 mẫu còn lại là Ba(OH)2

Mẫu tạo kết tủa với Ba(OH)2: Na CO , NaHSO4 (nhóm I)2 3

Na CO Ba(OH) �BaCO �2NaOH

2NaHSO Ba(OH) �BaSO �Na SO 2H O

Mẫu không tạo kết tủa với Ba(OH)2: NaOH, NaCl (nhóm II)

- Lọc 2 kết tủa ở trên lần lượt cho vào 2 mẫu nhóm 1: mẫu nào có sủi bọt khí là NaHSO4, còn mẫu khôngsinh khi là Na CO 2 3

2NaHSO BaCO �BaSO �Na SO CO �H O

- Thêm ít giọt dung dịch NaHSO4 vào hai mẫu (dư) ở nhóm II, sau đó cho tiếp kết tủa thu được ở trên(BaCO3) vào ; nếu xuất hiện khí là mẫu NaCl, còn lại là NaOH không xuất hiện khí

NaOH NaHSO �Na SO H O

Do NaOH dư nên � 2NaHSO4 hết nên không tạo khí với BaCO3

Ví dụ 5: Có 4 chất rắn đựng riêng biệt trong 4 lọ mất nhãn: Na CO , BaCO , 2 3 3 Na SO , BaSO Chỉ dùng2 4 4dung dịch HCl làm thuốc thử và không được phép đun nóng, hãy phân biệt từng chất trên Viết phươngtrình hóa học của các phản ứng đã xảy ra

Giải

Dùng dung dịch HCl làm thuốc thử Nhận ra:

• BaSO4: Không tan trong dung dịch HCl

Na SO

g : Tan và không có khí thoát ra

•Na CO : Tan và có sủi bọt khí không màu thoát ra.2 3

Na CO 2HCl�2NaCl CO �H OTiếp tục Na CO thêm vào đến khi không còn khí thoát ra khi đó trong dung dịch không còn HCl Nếu2 3thêm tiếpNa CO vào thì bột trắng sẽ tan tạo thành dung dịch trong suốt 2 3

• BaCO3: Tan và có sủi bọt khí không màu thoát ra

BaCO 2HCl�BaCl CO �H OTiếp tục thêm BaCO3 vào đến khi không còn khí thoát ra khi đó trong dung dịch không còn HCl Nếuthêm tiếp BaCO3 vào thì bội trăng sẽ không tan làm dung dịch vẩn đục

DẠNG 2: BÀI TẬP VỀ CACBON, CACBONMONO OXIT VÀ CACBONIC

� Hỗn hợp khí A thu được sau phản ứng gồm CO, CO2

• Nếu thửa O2: C O 2 �CO2

� Hỗn hợp khí A thu được sau phản ứng gồm CO2 và O2 dư

2 Khi cho hơi nước đi qua than nung đỏ, xảy ra đồng thời hai phản ứng

� Hỗn hợp khí B thu được sau phản ứng gồm CO, CO2, H2

• Nếu đốt cháy hỗn hợp khí B thì CO và H2 chảy theo phản ứng:

Để xác định được sản phẩm gồm những muối nào ngoài trường hợp bài toán cho dung dịch kiểm lấy

dư hoặc CO2 dư, các trường hợp khác đều phải xét tỉ lệ mol của CO2 và kiểm ta mới viết được phươngtrình phản ứng

Ví dụ 1: Cho hơi nước đi qua than nóng đỏ thu được 0,8 mol hỗn hợp khí X gồm

CO, CO2 và H2 Cho toàn bộ X phản ứng hết với CuO dư, đun nóng thu được hỗn hợp chất rắn Y Hòa tanhết Y bằng dung dịch HNO3 loãng, dư thu được 0,4 mol khí NO (sản phẩm khử duy nhất) Tính tỉ khốicủa X So với H2.

Ví dụ 2: Đốt cháy hoàn toàn m gam một mẫu cacbon chửa 4% tạp chất trơ bằng oxi thu được 11,2 lít hỗn

hợp A gồm 2 khí (đktc) Sục từ từ A vào 200ml dung dịch hỗn hợp Ba(OH)2 1M và NaOH 0,5M, sau phảnứng thu được 29,55 gam kết tủa

a) Viết các phương trình phản ứng xảy ra

Mặt khác, nBaCO3 nBa(OH)2 � Khi sục A vào dung dịch ( Ba(OH)2 + NaOH) có hai khả năng :

Tương tự với trường hợp 1, ta tính số mol CO2 tương ứng với hai khả năng:

Ví dụ 3: Dung dịch X gồm KOH 0,1M và Ba(OH)2 0,2M Hấp thụ hết x mol CO2 vào 300ml dung dịch X,

sau khi kết thúc thu được 9,85 gam kết tủa Nếu hấp thụ hết 0,1 mol CO2 vào 300ml dung dịch Y thì thuđược 3,94 gam kết tủa Tính giá trị của x và y Biết cả hai thí nghiệm, dung dịch thu được đều có khảnăng phản ứng với NaOH

Giải hệ (1), (2) � x = 0,1 mol và y= 0,2 mol

Ví dụ 4: Hỗn hợp khí X gồm CO và CO2, có tỉ khối so với He bằng 8,6 Dẫn 0,25 mol X đi qua ống đựng

22,1 gam hỗn hợp chất rắn gồm CuO, Fe O , Al O và MgO nung nóng, thu được hỗn hợp khí Y có tỉ2 3 2 3khối so với H2 bằng 20,4 và m gam chất rắn Z Tính giá trị của m

Ví dụ 5: Cho 13,75 gam hỗn hợp X gồm kim loại kiềm M và Ca tác dụng hết với H2O thu được dung dịch

Y và 5,04 lít H2 (đktc) Mặt khác, cho 5,85 gam M phản ứng hết với lượng dư dung dịch HCl thì thể tíchkhí H2 thoát ra vượt quá 1,568 lít (đktc)

a) Xác định tên kim loại M

b) Cho 10 lít (đktc) hỗn hợp khí A gồm N2 và CO2 đi qua dung dịch Y Sau khi các phản ứng kết thúc thuđược 7,5 gam kết tủa Tính phần trăm thể tích của mỗi khi trong A

Do M là kim loại kiềm nên M = 39 (K)

Vậy kim loại M là kali

DẠNG 4: BÀI TẬP VỀ MUỐI CACBONAT

a) Nhiệt phân muối cacbonat

Nếu nhiệt phân đến cùng Ca HCO 3 2 thì chất rắn thu được là CaO

o

t

CaCO ���CaO CO � Riêng FeCO3 khi nung trong không khí sẽ tạo ra oxit sắt (III)

o

t

4FeCO O ���2Fe O 4CO

• Nếu bài cho nhỏ từ từ dung dịch H+ vào dung dịch 2

3

CO với HSO4 tương tự như với H+

• Anion CO23theo thuyết Bron-tet có vai trò như một bazơ, còn HCO3 có tính lưỡng tính

a) Xác định công thức của muối cacbonat

b) Nung 0,42 gam muối cacbonat kim loại A trên trong bình kín không chứa không khí đền phản ứnghoàn toàn, thu được khí X Hấp thụ hết lượng khí này vào 1 lít dung dịch chứa K CO 0,01M và KOH2 30,011M Sau khi kết thúc các phản ứng thu được 1 lít dung dịch Y Tính pH và cân bằng trong dung dịch